CN117301527B - 四轴3d打印片状模型的单路切片方法及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种四轴3D打印片状模型的单路切片方法及打印方法，该方法包括：首先根据需要对STL模型的协方差矩阵及第四轴的回转范围，进行模型摆放姿态计算分析；然后采用遗传算法和人工设定相结合的方式设置打印区域；然后对各区域分层并求解每层平面与STL模型的截面线，将截面线按一定顺序排列，按一定精度和步距离散成点，计算各运动段挤出量并在每层添加强化拐角打印代码，最终输出满足四轴打印的Gcode打印程序，实现四轴打印机的自动连续打印。本发明提供的四轴3D打印片状模型的单路切片方法及打印方法，可适用于模型曲率变化较大的工况，同时可根据四轴旋转打印时的层厚变化自动调节挤出量，既能保证打印质量又能减少打印时间和耗材的消耗。

Description

四轴3D打印片状模型的单路切片方法及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及四轴3D打印片状模型的单路切片方法及打印方法。
背景技术
现有的3D打印机一般采用三自由度的运动机构，只能沿着Z轴在水平面上逐层叠加成型，切片方式一般为沿Z轴等高切片，切片对象也要求是封闭的几何体。但是当几何体模型是未封闭的片体时(如图2所示)，其截面线是一条或多条开放的轮廓线，传统的切片方法往往无法生成单路的打印轨迹，因此无法满足一些大口径喷嘴单路3D打印的需求。单路轨迹3D打印借助大口径喷嘴可以保证打印壁厚，但当几何体模型陡峭角度变化比较大时，往往需要添加支撑结构，这将导致整体打印时间大幅增长、打印成本提高、后处理难度增加。现在已有的四轴3D打印机相比传统3D打印机增加了绕第四轴的转动，可有效避免支撑从而减少耗材的浪费，并且可以降低台阶效应；但第四轴的引入也增加了切片的难度，比如四轴打印时每层旋转的角度是否固定，同一层内打印厚度的变化如何调整挤出量，在当前仍不存在配套工具，尤其是针对片状模型，缺乏配套专业软件来生成适用于四轴的Gcode打印文件。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的一个方面的目的在于提供一种四轴3D打印片状模型的单路切片及打印方法。该方法能够通过对导入的片状模型进行算法分析，获取满足四轴3D打印的Gcode打印文件，进而实现四轴打印机大流量无支撑单路打印。
为了实现上述目的，本发明一个方面提供的四轴3D打印片状模型的单路切片方法，包括：
S1、导入STL格式的片状模型；
S2、针对所述片状模型的摆放姿态进行分析，确定最小包容块，并根据最小包容块进行摆放姿态调整；
S3、针对所述片状模型进行分析，根据分析结果在所述片状模型上设定分割平面，所述分割平面构造为将所述片状模型划分为多个不同的打印区域，所述打印区域包括适于三轴打印的三轴打印区、适于四轴固定打印的四轴固定打印区以及适于四轴旋转打印的四轴旋转打印区；
S4、针对多个不同的所述打印区域，分别创建切片平面组，每个所述切片平面组包括多个切片平面；
S5、计算每个所述切片平面与所述片状模型的截面线，针对所述截面线进行第一排序；
S6，选取当前切片层，针对当前切片层的截面线进行排序，然后将排序后的各条截面线离散成点；
S7、判断当前是否为第一切片层，如果是则在第一个离线点前添加引入轨迹，根据预设比例系数及挤出量正常值，设定第一切片层的挤出量，其中，第一切片层的挤出量大于挤出量正常值；按步距对离散点采样并计算挤出量，输出包含坐标值和挤出量的运动指令，完成后添加半圆形打印轨迹以增强第一切片层的接触面积，进而增加打印件的附着力，然后进入下一切片层，返回循环开始位置S6；如果当前层不是第一切片层，判断当前层是否位于四轴旋转打印区域或四轴固定打印区域，如是，计算第四轴角度并输出相应指令(若四轴角度没有变化则不输出四轴指令)；并将当前层所有离散点的进行坐标变换(沿四轴旋转中心转动B轴角度，完成后当前所有离散点在同一水平面内)；
S8、判断当前层是否为最后切片层，如是，退出循环并完成Gcode文件输出；否则，根据计算的截面线结尾切线方向，计算强化拐角方向，依据拐角长度参数和挤出量比例参数的预设关系，输出拐角强化路径代码，根据打印机特性输出回抽指令，完成当前层的代码输出，然后进入下一层，并返回循环开始位置S6。
作为优选，在S2步骤中，针对所述片状模型的摆放姿态进行分析，确定最小包容块，包括：
计算所述片状模型的最小包容块；
确定所述片状模型的最长边方向为z轴方向，x轴、y轴方向自动居中完成片状模型的摆放姿态调整。
作为优选，在自动居中完成所述片状模型的摆放姿态调整之后，以手动操作进行摆放姿态微调。
作为优选，在S3步骤中采用遗传算法对所述片状模型进行分析。
作为优选，在S4步骤中，针对多个不同的所述打印区域，分别创建切片平面组，包括：
对于三轴打印区：首先根据三轴打印区高度和切片层厚计算总的切片层数，然后对层数进行四舍五入圆整，用切片厚度除以层数得到圆整后的每层切片厚度，按此切片层厚依次偏置Z0水平面得到三轴打印区的切片平面组；
对于四轴转动打印区，首先使用与切片平面垂直的中位平面与该区域内的片状模型求交，将交线离散为点，以离线点与旋转起始平面的距离由近至远进行搜索，以离散点距离上一平面距离不大于切片厚度和两层间离散点投影距离不超过喷嘴直径的预设比例(如60％)为约束条件，进而实现每层旋转角度的自动调整；所述中位平面与第四轴垂直且平分四轴旋转打印区；
对于四轴固定打印区是第四轴保持当前角度不变，对当前最后一个倾斜的切片平面沿平面法向矢量向下一个区域的起始平面做等距偏移，偏移距离为切片厚度圆整。
作为优选，在S7中，所述第一切片层的挤出量通过以下方法确定：
其中：L为当前轨迹点与上一轨迹点之间的距离，D为喷嘴直径，Th为第一层打印厚度，d为打印丝直径，k为第一层挤出量的调整系数。
作为优选，在S7步骤中，还包括：
对三轴打印区的离散点或进行坐标变换后的四轴离散点，按步距对离散点采样，并计算动态层厚和挤出量，输出包含坐标值和挤出量的运动指令；对于同一层的两个相邻截面线，首位相邻的两个离散点之间无需输出挤出指令，根据打印机特性输出回抽指令。
作为优选，计算动态层厚和挤出量中，挤出量的计算方法为:
其中：Thi为第i个离散点距离上一个打印平面的动态距离。
本发明的另一方面是提供一种四轴3D打印片状模型的单路径轨迹打印方法，该方法包括，将上述生成的Gcode文件输入至四轴3D打印机的主控制板，选择该Gcode文件并点击开始打印，四轴3D打印机主控制板通过解析Gcode文件并发送指令，控制四轴3D打印机实现打印。
本发明提供的四轴3D打印片状模型的单路切片方法及打印方法，可应用于片状模型的四轴大流量无支撑单路打印，所提出的切片方法中四轴旋转角度增量自动调节，可适用于模型曲率变化较大的工况，同时可根据四轴旋转打印时的层厚变化自动调节挤出量，配合模型边缘的强化拐角打印代码，既能保证打印质量又能减少打印时间和耗材的消耗。
附图说明
图1为本发明的四轴3D打印片状模型的单路切片方法及打印方法的流程图。
图2为本发明的四轴3D打印片状模型的单路切片方法划分不同的打印区域的示意图。
图3为本发明的四轴3D打印片状模型的单路切片方法划分不同切片平面组的示意图。
图4为本发明的四轴3D打印片状模型的单路切片方法中生成的截面线按切片平面顺序进行排列的示意图。
图5为本发明的四轴3D打印片状模型的单路切片方法中拐角强化路径的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
此处参考附图描述本发明的各种方案以及特征。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本发明的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本发明进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本发明的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本发明的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
如图1所示，本发明一个方面提供的四轴3D打印片状模型的单路切片及打印方法，包括：
S1、导入STL格式的片状模型；
S2、针对所述片状模型的摆放姿态进行分析，确定最小包容块，并根据最小包容块进行摆放姿态调整；具体地，可通过协方差矩阵及第四轴的回转范围，进行模型摆放姿态计算分析。具体地，在S2步骤中，针对所述片状模型的摆放姿态进行分析，确定最小包容块，包括：计算所述片状模型的最小包容块；确定所述片状模型的最长边方向为z轴方向，x轴、y轴方向自动居中完成片状模型的摆放姿态调整。在自动居中完成所述片状模型的摆放姿态调整之后，以手动操作进行摆放姿态微调。
S3、针对所述片状模型采用遗传算法进行分析，根据分析结果在所述片状模型上设定分割平面，所述分割平面构造为将所述片状模型划分为多个不同的打印区域，所述打印区域包括适于三轴打印的三轴打印区、适于四轴固定打印的四轴固定打印区以及适于四轴旋转打印的四轴旋转打印区；
S4、针对多个不同的所述打印区域，分别创建切片平面组，每个所述切片平面组包括多个切片平面；具体包括：
对于三轴打印区：首先根据三轴打印区高度和切片层厚计算总的切片层数，然后对层数进行四舍五入圆整，用切片厚度除以层数得到圆整后的每层切片厚度，按此切片层厚依次偏置Z0水平面得到三轴打印区的切片平面组；
对于四轴转动打印区，首先使用与切片平面垂直的中位平面与该区域内的片状模型求交，将交线离散为点，以离线点与旋转起始平面的距离由近至远进行搜索，以离散点距离上一平面距离不大于切片厚度和两层间离散点投影距离不超过喷嘴直径的预设比例(如60％)为约束条件，进而实现每层旋转角度的自动调整；所述中位平面与第四轴垂直且平分四轴旋转打印区；
对于四轴固定打印区是第四轴保持当前角度不变，对当前最后一个倾斜的切片平面沿平面法向矢量向下一个区域的起始平面做等距偏移，偏移距离为切片厚度圆整。
S5、计算每个所述切片平面与所述片状模型的截面线，针对所述截面线进行第一排序；
S6，选取当前切片层，针对当前切片层的截面线进行排序，然后将排序后的各条截面线离散成点；
S7、判断当前是否为第一切片层，如果是则在第一个离线点前添加引入轨迹，根据预设比例系数及挤出量正常值，设定第一切片层的挤出量，其中，第一切片层的挤出量大于挤出量正常值；按步距对离散点采样并计算挤出量，输出包含坐标值和挤出量的运动指令，完成后添加半圆形打印轨迹以增强第一切片层的接触面积，进而增加打印件的附着力，然后进入下一切片层，返回循环开始位置S6；如果当前层不是第一切片层，判断当前层是否位于四轴旋转打印区域或四轴固定打印区域，如是，计算第四轴角度并输出相应指令(若四轴角度没有变化则不输出四轴指令)；并将当前层所有离散点的进行坐标变换(沿四轴旋转中心转动B轴角度，完成后当前所有离散点在同一水平面内)；
在S7中，所述第一切片层的挤出量通过以下方法确定：
其中：L为当前轨迹点与上一轨迹点之间的距离，D为喷嘴直径，Th为第一层打印厚度，d为打印丝直径，k为第一层挤出量的调整系数。
作为优选，在S7步骤中，还包括：
对三轴打印区的离散点或进行坐标变换后的四轴离散点，按步距对离散点采样，并计算动态层厚和挤出量，输出包含坐标值和挤出量的运动指令；对于同一层的两个相邻截面线，首位相邻的两个离散点之间无需输出挤出指令，根据打印机特性输出回抽指令。
作为优选，计算动态层厚和挤出量中，挤出量的计算方法为:
其中：Thi为第i个离散点距离上一个打印平面的动态距离。
S8、判断当前层是否为最后切片层，如是，退出循环并完成Gcode文件输出；否则，根据计算的截面线结尾切线方向，计算强化拐角方向，依据拐角长度参数和挤出量比例参数的预设关系，输出拐角强化路径代码，根据打印机特性输出回抽指令，完成当前层的代码输出，然后进入下一层，并返回循环开始位置S6。
本发明的另一方面是提供一种四轴3D打印片状模型的单路径轨迹打印方法，该方法包括，将上述生成的Gcode文件输入至四轴3D打印机的主控制板，选择该Gcode文件并点击开始打印，四轴3D打印机主控制板通过解析Gcode文件并发送指令，控制四轴3D打印机实现打印。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.四轴3D打印片状模型的单路切片方法，包括：
S1、导入STL格式的片状模型；
S2、针对所述片状模型的摆放姿态进行分析，确定最小包容块，并根据最小包容块进行摆放姿态调整；
S3、针对所述片状模型进行分析，根据分析结果在所述片状模型上设定分割平面，所述分割平面构造为将所述片状模型划分为多个不同的打印区域，所述打印区域包括适于三轴打印的三轴打印区、适于四轴固定打印的四轴固定打印区以及适于四轴旋转打印的四轴旋转打印区；
S4、针对多个不同的所述打印区域，分别创建切片平面组，每个所述切片平面组包括多个切片平面；
S5、计算每个所述切片平面与所述片状模型的截面线，针对所述截面线进行第一排序；
S6，选取当前切片层，针对当前切片层的截面线进行排序，然后将排序后的各条截面线离散成点；
S7、判断当前是否为第一切片层，如果是则在第一个离线点前添加引入轨迹，根据预设比例系数及挤出量正常值，设定第一切片层的挤出量，其中，第一切片层的挤出量大于挤出量正常值；按步距对离散点采样并计算挤出量，输出包含坐标值和挤出量的运动指令，完成后添加半圆形打印轨迹以增强第一切片层的接触面积，进而增加打印件的附着力，然后进入下一切片层，返回循环开始位置S6；如果当前层不是第一切片层，判断当前层是否位于四轴旋转打印区域或四轴固定打印区域，如是，计算第四轴角度并输出相应指令；并将当前层所有离散点的进行坐标变换；
S8、判断当前层是否为最后切片层，如是，退出循环并完成Gcode文件输出；否则，根据计算的截面线结尾切线方向，计算强化拐角方向，依据拐角长度参数和挤出量比例参数的预设关系，输出拐角强化路径代码，根据打印机特性输出回抽指令，完成当前层的代码输出，然后进入下一层，并返回循环开始位置S6。
2.如权利要求1所述的切片方法，在S2步骤中，针对所述片状模型的摆放姿态进行分析，确定最小包容块，包括：
计算所述片状模型的最小包容块；
确定所述片状模型的最长边方向为z轴方向，x轴、y轴方向自动居中完成片状模型的摆放姿态调整。
3.如权利要求2所述的切片方法，在自动居中完成所述片状模型的摆放姿态调整之后，以手动操作进行摆放姿态微调。
4.如权利要求1所述的切片方法，在S3步骤中采用遗传算法对所述片状模型进行分析。
5.如权利要求1所述的切片方法，在S4步骤中，针对多个不同的所述打印区域，分别创建切片平面组，包括：
对于三轴打印区：首先根据三轴打印区高度和切片层厚计算总的切片层数，然后对层数进行四舍五入圆整，用切片厚度除以层数得到圆整后的每层切片厚度，按此切片层厚依次偏置Z0水平面得到三轴打印区的切片平面组；
对于四轴转动打印区，首先使用与切片平面垂直的中位平面与该区域内的片状模型求交，将交线离散为点，以离线点与旋转起始平面的距离由近至远进行搜索，以离散点距离上一平面距离不大于切片厚度和两层间离散点投影距离不超过喷嘴直径的预设比例为约束条件，进而实现每层旋转角度的自动调整；所述中位平面与第四轴垂直且平分四轴旋转打印区；
对于四轴固定打印区是第四轴保持当前角度不变，对当前最后一个倾斜的切片平面沿平面法向矢量向下一个区域的起始平面做等距偏移，偏移距离为切片厚度圆整。
6.如权利要求1所述的切片方法，在S7中，所述第一切片层的挤出量通过以下方法确定：
其中：L为当前轨迹点与上一轨迹点之间的距离，D为喷嘴直径，Th为第一层打印厚度，d为打印丝直径，k为第一层挤出量的调整系数。
7.如权利要求6所述的切片方法，在S7步骤中，还包括：
对三轴打印区的离散点或进行坐标变换后的四轴离散点，按步距对离散点采样，并计算动态层厚和挤出量，输出包含坐标值和挤出量的运动指令；对于同一层的两个相邻截面线，首位相邻的两个离散点之间无需输出挤出指令，根据打印机特性输出回抽指令。
8.如权利要求7所述的切片方法，计算动态层厚和挤出量中，挤出量的计算方法为:
其中：为第i个离散点距离上一个打印平面的动态距离。
9.四轴3D打印片状模型的单路径轨迹打印方法，该方法包括，将上述权利要求1至8任一项的切片方法生成的Gcode文件输入至四轴3D打印机的主控制板，选择该Gcode文件并点击开始打印，四轴3D打印机主控制板通过解析Gcode文件并发送指令，控制四轴3D打印机实现打印。
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