一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，包括以下步骤：将给定的拓扑连通区域，以设定间隔宽度依次生成均匀等值线；根据均匀等值线构造螺旋连通图，根据螺旋连通图生成螺旋连通树；根据螺旋连通树将相关联的均匀等值线进行连接，形成连通费马尔螺旋线；构建打印路径宽度一致的约束条件，通过全局优化方法，对生成的连通费马尔螺旋线进行平滑化处理。本发明专利技术基于费尔马螺旋线，对于任意的拓扑连通区域，生成同时具有连续和平滑两种特性的打印喷头路径，显著提高了打印质量并减少了打印时间。

A 3D print path planning method based on Fermatl spiral

The invention discloses a 3D print based on Fermatl spiral path planning method, which comprises the following steps: a given topology connectivity region, sequentially generates uniform contour at set intervals according to uniform width; contour structure of screw connected graph, according to a spiral spiral graph connected tree; according to the associated spiral connected tree the uniform contours are connected to form the connected fee Marr helix; construct constraint print path width is the same, through a global optimization method, the connected spiral generated fee Marr smoothing. The invention of Fermat's spiral line based on the arbitrary topological connectivity in the region, at the same time with the print head generates a continuous and smooth path two characteristics, improve print quality and reduce the time of printing.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法。
技术介绍
3D打印是一种以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，又被称为增材制造(AdditiveManufacturing,AM)。3D打印可输入任意复杂的三维数字模型，适用于可定制化产品的制造。近年来，3D打印技术飞速发展，为学术界和产业界带来很多机遇和挑战。3D打印技术通常基于离散-堆积原理，采用材料逐层叠加的方法制造实体模型。根据打印材料和实现工艺的不同，可将各种3D打印技术分为五类(1)粉末或丝状材料高能束烧结、熔化成型，如激光选区烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)，激光选区熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)；(2)液态树脂光固化成型，如光固化成型(StereoLithographyAppearance，SLA)、数字光处理成型(DigitalLightProcessing，DLP)等；(3)丝材挤出热熔成型，如熔融沉积成型(FusedDepositionModeling，FDM)等；(4)片/板/块材粘接或焊接成型，如分层实体制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)等；(5)液体喷印成型，立体喷印(ThreeDimensionalPrinting，3DP)等。通常包含的3D打印流程包括三维数字模型生成、数据格式转换、切片计算、打印路径规划和3D打印。三维数字模型生成是整个3D打印流程的基础，通常利用各种三维建模软件(如CAD软件)或三维扫描设备生成3D数字模型；之后经过一定的数据格式转换过程传递给后续步骤，当前支持3D打印的最常见的数据格式为STL格式；切片计算过程为将三维模型通过“切割分片”，形成一片片的薄片；为将切片计算过程生成的薄片实体化，需要对打印喷头的路径进行规划，在喷头移动过程中将3D打印材料转化为薄片实体；最终3D打印机根据上述切片和喷头路径控制信息进行打印，直到完整的物体成型。其中，路径规划是整个三维模型打印工作流程中的关键步骤。对任意的拓扑连通区域，现有的路径规划方法，如Zigzag方法，一方面可能会使用多条打印路径对其进行填充。打印喷头频繁的关闭/开启操作会严重影响打印质量；另一方面，生成的打印路径会有很多小于或接近90度的拐角打印喷头的骤然转向会严重影响打印时间以及打印质量。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，本专利技术对于任意的拓扑连通区域，采用分而治之的方法，将任意的拓扑连通区域分为多个独立子区域分别填充费尔马螺旋线(Fermatspiral)，之后将多条独立的费尔马螺旋线连接起来生成一条连续不间断的打印路径，并采用全局优化的方法在保持打印路径宽度一致的约束下对打印路径进行平滑。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，包括以下步骤：(1)将给定的拓扑连通区域，以设定间隔宽度依次生成均匀等值线(iso-contour)；(2)根据均匀等值线构造螺旋连通图，根据螺旋连通图生成螺旋连通树；(3)根据螺旋连通树将相关联的均匀等值线进行连接，形成连通费马尔螺旋线；(4)在打印路径宽度一致的约束条件下，通过全局优化方法，对生成的连通费马尔螺旋线进行平滑化处理。所述步骤(1)中，对于生成的每条均匀等值线，用该均匀等值线到给定拓扑连通区域边界的距离和所有相距该距离的均匀等值线的索引结合表示。所述步骤(2)中，具体步骤包括：(2-1)根据均匀等值线构造边带权重的螺旋连通图；(2-2)由螺旋连通图生成的最小生成树为螺旋连通树。进一步的，所述步骤(2-1)中，每条均匀等值线对应螺旋连通图中的一个节点，若某条均匀等值线相对于相邻的均匀等值线的连通边非空，则在螺旋连通图中存在一条连接这两条均匀等值线的节点的边，边的权重值为所述连通边的长度。所述步骤(3)中，具体步骤包括：(3-1)将螺旋连通树分解为多个独立的费马尔螺旋线子树和树干节点；(3-2)连接费马尔螺旋线子树对应的均匀等值线生成子费马尔螺旋线；(3-3)连接子费马尔螺旋线与其关联的树干节点对应的均匀等值线；(3-4)连接树干节点对应的均匀等值线。所述步骤(3-1)中，在螺旋连通树中，定义所有度小于或等于两度的节点为第一类型节点，大于两度的节点为第二类型节点，相连的第一类型节点进行连接，形成不同的费马尔螺旋线子树。所述步骤(3-2)中，具体步骤包括：(3-2-1)连接费马尔螺旋线子树对应的均匀等值线生成子螺旋线；(3-2-2)由子螺旋线生成相应的子费马尔螺旋线。进一步的，所述步骤(3-2-1)具体为：首先在费马尔螺旋线子树对应的最外层均匀等值线上选择一个入点，由该点出发将两条相邻的均匀等值线连成一条连续的线，最终将费马尔螺旋线子树对应的所有均匀等值线连接形成一条子螺旋线。所述步骤(4)中，对生成的连通费马尔螺旋线进行平滑的具体方法包括：(4-1)基于连通费马尔螺旋线各处的曲率动态选取采样点；(4-2)构造全局优化函数，设定用于对采样点扰动程度、平滑程度和间隔宽度保持程度的惩罚项进行惩罚；(4-3)通过迭代高斯-牛顿优化方法求解优化函数的最优解。所述步骤(4-1)中，基于连通费马尔螺旋线各处的曲率动态选取采样点，在曲率越大的地方采样点选取的数目越多。本专利技术的有益效果为：(1)对于任意的拓扑连通区域，可以生成一条连续不间断的打印路径，在打印过程中打印头不需要实施任何的关闭/开启操作，有利于提高打印质量；(2)本专利技术提出的路径规划方法生成的连续不间断的打印路径，与传统的Zigzag方法相比，减少了小于或接近90度的拐角个数，有利于减少打印时间；(3)本专利技术可以直接面向熔融沉积成型(FDM)打印机进行使用，有利于提升FDM型打印机打印物体的质量，并降低所需的打印时间，对于FDM型打印机的发展有一定的推动作用；(4)本专利技术根据本领域基本常识进行转化，即可适用于SLS、SLM、SLA、DLP、LOM等其他形式的打印机，具有广泛的使用范围；(5)本专利技术尤其适合应用于生物打印，或面向航空航天的金属材料打印等对打印物体内部质量要求很高的领域，有利于提升其内部打印质量；(6)本专利技术基于费尔马螺旋线，对于任意的拓扑连通区域，生成同时具有连续和平滑两种特性的打印喷头路径，显著提高了打印质量并减少了打印时间。附图说明图1为本专利技术的流程图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，其特征是：包括以下步骤：(1)将给定的拓扑连通区域，以设定间隔宽度依次生成均匀等值线；(2)根据均匀等值线构造螺旋连通图，根据螺旋连通图生成螺旋连通树；(3)根据螺旋连通树将相关联的均匀等值线进行连接，形成连通费马尔螺旋线；(4)在打印路径宽度一致的约束条件下，通过全局优化方法，对生成的连通费马尔螺旋线进行平滑化处理。

【技术特征摘要】
1.一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)将给定的拓扑连通区域，以设定间隔宽度依次生成均匀等值线；
(2)根据均匀等值线构造螺旋连通图，根据螺旋连通图生成螺旋连通树；
(3)根据螺旋连通树将相关联的均匀等值线进行连接，形成连通费马尔螺旋线；
(4)在打印路径宽度一致的约束条件下，通过全局优化方法，对生成的连通费马尔螺旋
线进行平滑化处理。
2.如权利要求1所述的一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，其特征是：所述
步骤(1)中，对于生成的每条均匀等值线，用该均匀等值线到给定拓扑连通区域边界的距离
和所有相距该距离的均匀等值线的索引结合表示。
3.如权利要求1所述的一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，其特征是：所述
步骤(2)中，具体步骤包括：
(2-1)根据均匀等值线构造边带权重的螺旋连通图；
(2-2)由螺旋连通图生成的最小生成树为螺旋连通树。
4.如权利要求3所述的一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，其特征是：所述
步骤(2-1)中，每条均匀等值线对应螺旋连通图中的一个节点，若某条均匀等值线相对于相
邻的均匀等值线的连通边非空，则在螺旋连通图中存在一条连接这两条均匀等值线的节点
的边，边的权重值为所述连通边的长度。
5.如权利要求1所述的一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，其特征是：所述
步骤(3)中，具体步骤包括：
(3-1)将螺旋连通树分解为多个独立的费马尔螺旋线子树和树干节点；
(3-2)连接费马尔螺旋线子树对应的均匀等值线生成子费马尔螺旋线；
(3-3)连接子费马尔螺旋线与其关联的树干节点对应的均...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝权，丹尼尔·科恩·奥尔，张皓，赵海森，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37