CN117465002A - 一种基于生成填充结构的3d打印方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生成填充结构的3D打印方法及系统，根据待打印模型生成壳模型；在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交即根据待打印模型的自身结构特点确定每一个填充单元的偏移率，使得模型不仅减少的材料的使用，还具有特殊场景下的稳定性，获得的3D打印出的模型质量更轻，并且在某一方向上具有一定的结构强度。
Description
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种基于生成填充结构的3D打印方法及系统。
背景技术
3D打印是一种利用数字模型文件，通过逐层叠加的方式，将材料制成实体的技术。3D打印可以用于制造各种形状和功能的物品，但是也会消耗大量的材料和能源，这无疑提高了使用成本。为了节省材料，提高效率和降低成本，3D打印提出了填充结构的概念。填充结构是指在3D打印物体的内部，不使用实心的材料，而是使用一些空心或网格状的结构来支撑物体。这样可以减少材料的用量，同时保持物体的强度和稳定性；然而，目前这种方法主要依靠人工根据打印材料和具体结构进行人工设定打印材料或结构，效率低，并且容易出现采用标准不一致的情况，很难针对特殊的场景平衡材料和强度之间的关系，无法自适应优化调整，增加了3D打印成型的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于生成填充结构的3D打印方法及系统，以克服现有方法效率低，无法自适应优化调整，增加了3D打印成型的难度的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明第一方面，一种基于生成填充结构的3D打印方法，包括以下步骤：
根据待打印模型生成壳模型；
在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；
将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
优选的，所述填充单元呈周期性变化包括：
在所述外包盒子中预置第一层填充单元；
根据所述待打印模型的结构参数在第一层填充单元的基础上确定其他层的所述填充单元，得到所述外包盒子的填充模型。
优选的，所述填充单元采用多面体结构。
优选的，一个填充单元包括十二个面，二十一条边和十一个顶点，从填充单元的中心点到每个倾斜面的距离相等，从填充单元的中心点到每个垂直面的距离相等。
优选的，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，再将所有填充单元向内偏移相等的偏移率，完成模型初始化填充。
优选的，利用有限元分析工具获得模型内部应力场，并以此迭代优化每一个填充单元，在模型应力集中部位附近的填充单元以设定步长增加偏移率。
优选的，迭代优化至满足两条件之一后停止迭代：1、模型填充率达到用户设定值；2、模型最大应力值达到用户设定值。
本发明第二方面，一种基于生成填充结构的3D打印系统，包括壳模型生成模块、填充模块和打印生成模块：
壳模型生成模块，根据待打印模型生成壳模型；
填充模块，在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；
打印生成模块，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
本发明第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于生成填充结构的3D打印方法的步骤。
本发明第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于生成填充结构的3D打印方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种基于生成填充结构的3D打印方法，根据待打印模型生成壳模型；在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交即根据待打印模型的自身结构特点确定每一个填充单元的偏移率，使得模型不仅减少的材料的使用，还具有特殊场景下的稳定性，获得的3D打印出的模型质量更轻，并且在某一方向上具有一定的结构强度。
附图说明
图1为的根据本申请一个方面一种基于优化算法生成填充结构的3D打印方法流程示意图。
图2为根据本申请一个方面的一种基于优化算法生成填充结构的3D打印方法的一实施例的3D打印过程演变示意图。
图3为根据本申请一个方面的一种基于优化算法生成填充结构的3D打印方法中填充单元结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供一种基于生成填充结构的3D打印方法，包括以下步骤：
S1，获取待打印模型，基于所述待打印模型生成壳模型；
S2，在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；
在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定每一个填充单元的位置，得到所述外包盒子的填充模型；所述填充单元呈周期性变化包括：
在所述外包盒子中预置第一层填充单元；
根据所述待打印模型的结构参数在第一层填充单元的基础上确定其他层的所述填充单元，得到所述外包盒子的填充模型。
S3，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
所述填充单元采用多面体结构；一个填充单元包括十二个面(六个倾斜面和六个垂直面)，二十一条边和十一个顶点。从填充单元的中心点到每个倾斜面的距离是相等的，中心点到每个垂直面的距离也是相等的。将填充单元宽度、长度和高度设为w、l和h，其中通过高度h调节侧面与水平面的角度θ，满足下列关系：/>
设第一个填充单元确定位置(x,y,z)，相同行第i个填充单元位置为(x+iw,y,z)，第j行填充单元位置为(x+w/2,y+3l/4,z)，第偶数层填充单元由奇数层填充单元逆时针旋转60°获得，偶数层第一个填充单元位置为(x+w/2,y+l/4,z+h/2)，同行第i个填充单元位置为(x+3wi/2,y+l/4,z+h/2)，第二行填充单元位置为(x,y+l,z+h/2)。
首先以填充率ρ0初始化填充单元，填充单元向内偏移形成实体，偏移率为α。然后迭代优化每一个填充单元，根据有限元分析工具获得模型内部应力场分布后，在应力集中部位附近的填充单元以步长δ增加偏移率，此为一次优化迭代，直至满足两条件之一完成优化迭代过程：1、模型填充率达到用户设定最大填充率。2、模型最大应力小于等于用户设定最大应力值。
实施例
一种基于生成填充结构的3D打印方法，该方法应用于不同形状结构的3D模型的制造过程，具体包括：
步骤S11，获取待打印模型，基于所述待打印模型生成壳模型，在此，所述壳模型的外部与待打印模型相同并且其内部为中空的结构，用于后续步骤中对待打印模型进行内部结构在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定每一个填充单元的位置，得到所述外包盒子的填充模型。
其中，所述填充单元呈周期性变化，在此，所述待打印模型的结构参数包括每层的截面边的长度和厚度、结构范式等效应力，基于待打印模型的自身结构特点确定每一个待打印模型的所述填充单元，有利于提高所述待打印模型的自支撑性，并且减少材料的使用，降低模型整体质量。
步骤S12，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，再将所有填充单元向内偏移相等的偏移率，完成模型初始化填充。
步骤S13，利用有限元分析工具获得模型内部应力场，并以此迭代优化每一个填充单元，在模型应力集中部位附近的填充单元以设定步长增加偏移率，迭代优化至满足两条件之一后停止迭代：1、模型填充率达到用户设定值；2、模型最大应力值达到用户设定值。
上述步骤S11至步骤S13，通过获取待打印模型，基于所述待打印模型生成壳模型；在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定每一个填充单元的位置，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，再迭代优化模型直至满足用户指定条件，得到所述待打印模型的填充结构并打印，具有较高的稳定性，不仅减少了材料的使用，使得3D打印出来的模型质量更轻，并且具有良好的自支撑性，保证了一定的结构强度。
例如，如图2所示，待打印模型是一个小猫模型，首先获取所述待打印模型，并基于所述模型生成壳模型，在所述壳模型内部生成点阵，这些点阵作为填充单元的中心点，得到填充结构后与壳模型取交，并且所有填充结构向内偏移，生成初始化模型，随后进入迭代优化，在给定的外力与边界条件下，应力集中部位附近的填充结构以一定步长向内偏移以增加填充率，最后得到优化后模型。
所述填充单元如图3所示，所有的填充单元是一种特殊形状的多面体结构，其特征是一个多面体单元有十二个面(六个倾斜面和六个垂直面)，二十一条边和十一个顶点。填充单元是规则的几何体，从中心点到每个倾斜面的距离是相等的，中心点到每个垂直面的距离也是相等的。将填充单元宽度、长度和高度设为w、l和h，其中结构通过高度h调节侧面与水平面的角度θ，满足下列关系：/>
所述优化算法原理是通过增加填充单元的填充率来减小模型应力集中问题。首先通过有限元工具计算出模型内部应力分布，找出应力集中部位附近的填充单元，将此填充单元偏移率增加一个步长。然后再去计算此时模型内部应力分布，此为一次迭代。迭代优化至满足两条件之一：1、模型填充率达到用户设定值；2、模型最大应力值达到用户设定值。优化算法包括特殊情况处理：假如需要增加偏移率的填充单元的填充率已经为100％，则顺序查找最近的填充单元，假如还为100％则继续顺位查找，直至找到满足的填充单元。
本发明再一个实施例中，提供了一种基于生成填充结构的3D打印系统，包括壳模型生成模块、填充模块和打印生成模块：
壳模型生成模块，根据待打印模型生成壳模型；
填充模块，在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；
打印生成模块，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于基于生成填充结构的3D打印方法的操作，包括以下步骤：根据待打印模型生成壳模型；在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关基于生成填充结构的3D打印方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：根据待打印模型生成壳模型；在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
综上所述，本申请通过将基本单元通过特殊的排列方式组成生成填充结构，可以自由调整基本单元的参数以改变结构特性，赋予填充模型特殊的物理特性，并且最大限度地减少打印材料的消耗。这种填充结构可以用于打印各种3D模型，例如扳手等工具，根据实际用途加强模型并减少材料消耗。本发明的优点在于生成的填充结构可以显著提高模型的物理特性，如承载能力和抗压能力，同时减少了打印材料的使用量。具有较高的稳定性，不仅减少了材料的使用，使得3D打印出来的模型质量更轻，并且具有良好的自支撑性，保证了一定的结构强度。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于生成填充结构的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据待打印模型生成壳模型；
在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；
将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
2.根据权利要求1所述的一种基于生成填充结构的3D打印方法，其特征在于，所述填充单元呈周期性变化包括：
在所述外包盒子中预置第一层填充单元；
根据所述待打印模型的结构参数在第一层填充单元的基础上确定其他层的所述填充单元，得到所述外包盒子的填充模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于生成填充结构的3D打印方法，其特征在于，所述填充单元采用多面体结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于生成填充结构的3D打印方法，其特征在于，一个填充单元包括十二个面，二十一条边和十一个顶点，从填充单元的中心点到每个倾斜面的距离相等，从填充单元的中心点到每个垂直面的距离相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于生成填充结构的3D打印方法，其特征在于，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，再将所有填充单元向内偏移相等的偏移率，完成模型初始化填充。
6.根据权利要求5所述的一种基于生成填充结构的3D打印方法，其特征在于，利用有限元分析工具获得模型内部应力场，并以此迭代优化每一个填充单元，在模型应力集中部位附近的填充单元以设定步长增加偏移率。
7.根据权利要求5所述的一种基于生成填充结构的3D打印方法，其特征在于，迭代优化至满足两条件之一后停止迭代：1、模型填充率达到用户设定值；2、模型最大应力值达到用户设定值。
8.一种基于生成填充结构的3D打印系统，其特征在于，包括壳模型生成模块、填充模块和打印生成模块：
壳模型生成模块，根据待打印模型生成壳模型；
填充模块，在所述壳模型的外围生成外包盒子，并在所述外包盒子中根据所述待打印模型的结构参数确定填充单元的位置关系，得到所述外包盒子的填充模型，其中，所述填充单元呈周期性变化；
打印生成模块，将所述外包盒子的填充模型和所述壳模型取交，得到所述待打印模型的填充结构，依据待打印模型的填充结构及待打印模型进行3D打印成型。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于生成填充结构的3D打印方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于生成填充结构的3D打印方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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