一种自适应分层的増材制造方法技术

本发明专利技术属于増材制造领域，并公开了一种自适应分层的増材制造方法。该方法包括下列步骤：(a)对待处理模型文件第一次切片处理得到多个主切片层和每层主切片层的轮廓环及其数据；(b)将主切片层轮廓环上的点分为差异特征顶点和公共特征顶点；(c)对差异特征顶点进行局部区域化处理生成新的局部区域，按照预设最小层厚对新的局部区域进行第二次切片处理，生成多个子切片层及其轮廓数据；(d)按照主切片层和子切片层的轮廓数据分别进行3D打印，由此完成増材制造。通过本发明专利技术，考虑模型的整体形貌及切片层中的局部特征，实现切片层中局部区域精细子分层处理，降低切片固有的“阶梯效应”，提高了分层切片效率，保证最终打印产品的表面质量。

【技术实现步骤摘要】
一种自适应分层的増材制造方法
本专利技术属于増材制造领域，更具体地，涉及一种自适应分层的増材制造方法。
技术介绍
增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的打印材料如粉末、丝材、液体等形式，按照烧结、熔融、挤压、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“离散—逐层堆积”的基本制造过程技术。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。在增材制造数据处理过程中，其中最关键的就是对模型进行离散分层处理，即通常称为的“切片”操作。目前，增材制造中广泛使用的是STL文件格式。切片分层技术则是将3D模型文件如STL，离散化为切片轮廓数据。切片分层处理的结果又涉及到增材制造的加工时间以及产品的表面质量精度问题。因为这种“离散—逐层堆积”的加工理念，导致了AM技术固有的加工缺陷，会在产品表面会形成“台阶效应”，这种台阶效应在大曲率表面以及大倾斜表面效果更为显著。出现台阶效应的根本原因是在使用离散模型表达实际连续模型时，在离散的两层之间存在突变量，造成的成型件表面“失真”。台阶效应不能被消除，但是可以采用更小的分层厚度来进一步降低台阶效应，但是，这样就会增加模型的分层数量，继而就会增加在进行增材制造过程的加工时间。因此，需要研究一种自适应分层方法，一方面既可以通过提高分层精度来提高产品的表面质量，另一方面则通过减少分层数量来降低产品的增材制造时间，这在增材制造领域是一个难点。为了解决“表面精度”和“加工效率”的矛盾，业界提出了一种“自适应分层”的技术。目前，最常规的自适应切片分层方法是针对STL模型中三角面片作为倾斜平面的判定。有人提出了一种被广泛使用的CuspHeight来表示阶梯效应的度量，CuspHeight由三角形面片的法相矢量与分层方向的夹角以及分层的厚度来决定。该类方法最常采用的方法是以最大的层厚进行切片然后通过CuspHeight或者其他判定手段来决定是否需要再次细分，然而，也有相关文献提出不同的自适应切片算法：如申请号为201510108708.3的专利《一种保留模型特征的3D自适应切片方法》，该方法其主要是针对STL模型文件，主要是利用STL模型中的三角面片三个顶点的三维坐标以及其单位法向量数据作为判定特征，及先采用最大分层厚度Lmax对STL模型进行切片，然后查找与当前切片层中所有相交的三角形面片的特征三角面片作为本层的表征三角面片，然后通过“尖端高度方法”来判定是否需要再次细分的层厚Lmin，同时再判定当前层是否含有特征面，特征线，以及特征点，如果有，则以最小的分层高度Lmin对当前层进行再次细分。但是该方法非常耗费时间，因为需要采用遍历本层中的所有的三角面片并进行判定特征三角形，该算法的效率不高，其次该方法没有针对局部区域中显著突变特征进行局部细分处理，而是对含有特征面、特征线、特征点以Lmin进行子层全局分层处理，因而增加了最终的分层数量，增加了模型的加工时间。还有人提出了一种新的自适应切片算法，该方法主要采用三种判定方式来完成自适应切片算法：通过对STL模型以最小的层厚进行切片，然后获取相邻的切片轮廓，然后对获得的当前层轮廓分别在XZ平面以及YZ平面进行映射，通过判定轮廓边界的“特征三角形”面积与设定阈值的关系；其次通过判定相邻层中边界轮廓顶点的方向矢量与切片方向的叉乘积符号是否相同来判定是否含有突变区域；通过上述两种方法还不能保证所有的曲面部分检测到，最后通过比较相邻轮廓之间的面积差异与设定阈值的关系来进行最终的判定，该方法每次以最小的切片厚度进行分层处理，如果都不满足上述三个特征，则删除当前层，继而判定下一层切片数据，该方法的处理效率不高，并且在计算相邻层的面积差值处理方法中，不能精确判定差异面积作为曲面检测特征，同时该方法也没有针对当前轮廓的局部特征区域单独细分考虑，因此该自适应分层方法并非最优。如申请号为CN103777911A的专利《3D打印中的自适应分层方法》，提出以常规的STL模型切片处理后的SLC(SLiCeformat)切片文件作为研究对象，该方法分别递归处理当前层与保留下来的最顶层的切片轮廓制件不重合部分的面积比比率参数以及两层轮廓边界之间的平均距离参数，根据这两个参数和层厚来判定当前层是保留还是删除，最终保留下来的切片轮廓层即作为最终的自适应切片结果。但是，该方法需要借助其他工具软件来生成等厚度的切片数据，其次在比较两层轮廓层之间公共部分时采用面积比率的方式，对突变区域不能有效做到精确控制，因而容易忽略局部区域中存在的显著突变特征，导致当前应该被保留的轮廓层而被去除，因此该自适应分层方法有一定的缺陷。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种自适应分层的増材制造方法，通过对相邻主切片层的局部区域化处理，并对该局部区域二次切片，由此解决増材制造过程中的固有阶梯效应的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种自适应分层的増材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)对待处理模型文件按照预设最大层厚进行第一次切片处理，得到多个主切片层和每层主切片层的轮廓环及其数据；(b)针对所述每层主切片层的轮廓环及其数据，分别按照预设最大体素尺度进行二维平面行程编码处理得到行程编码数据，根据相邻主切片层之间的所述行程编码数据与预设阈值之间的关系，将每层所述主切片层轮廓环上的所有顶点分为差异特征顶点和公共特征顶点，并分别构成差异特征顶点集和公共特征顶点集；(c)针对每层主切片层的差异特征顶点集中的顶点进行局部区域化处理，并由此生成新的局部区域，按照预设最小层厚对该新的局部区域进行第二次切片处理，由此得到该新的局部区域对应的多个子切片层及其轮廓数据，从而完成每层主切片层中局部区域的再次分层；(d)按照所述主切片层和子切片层的轮廓数据分别进行3D打印，由此完成増材制造。进一步优选地，在步骤(b)中，所述二维平面行程编码处理优选按照下列步骤：(b1)在所述每层主切片层中建立平面二维XOY坐标，在平行于X轴或Y轴方向上以预设最大体素VOXELmax为间隔做多条平行线，由此得到每条平行线与所述轮廓环相交的交点；(b2)记录每条所述平行线与所述轮廓环相交的两个交点的坐标，计算该两个交点之间线段的长度，即该条平行线对应的行程编码数据，由此得到所有平行线对应的行程编码数据。进一步优选地，在步骤(b)中，根据相邻主切片层之间的所述行程编码数据与预设阈值之间的关系，将每层所述主切片层轮廓环上的所有顶点分为差异特征顶点和公共特征顶点，按照下列步骤：(b3)预设相邻切片层间最大倾斜角θ，按照下列表达式计算相邻主切片层的最大长度差值，即预设阈值lengestdiff：lengestdiff＝tanθ*VOXELmax；(b4)在相同的X或Y值下，计算相邻主切片层所述平行线对应的行程编码数据差值的绝对值EDIGEdiff，按照下列表达式判断差异特征顶点和公共特征顶点，公共特征顶点EDIGEdiff＜lengestdiff差异特征顶点EDIGEdiff≥lengestdiff。进一步优选地，在步骤(c)中，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应分层的増材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)对待处理模型文件按照预设最大层厚进行第一次切片处理，得到多个主切片层和每层主切片层的轮廓环及其数据；(b)针对所述每层主切片层的轮廓环及其数据，分别按照预设最大体素尺度进行二维平面行程编码处理得到行程编码数据，根据相邻主切片层之间的所述行程编码数据与预设阈值之间的关系，将每层所述主切片层轮廓环上的所有顶点分为差异特征顶点和公共特征顶点，并分别构成差异特征顶点集和公共特征顶点集；(c)针对每层主切片层的差异特征顶点集中的顶点进行局部区域化处理，并由此生成新的局部区域，按照预设最小层厚对该新的局部区域进行第二次切片处理，由此得到该新的局部区域对应的多个子切片层及其轮廓数据，从而完成每层主切片层中局部区域的再次分层；(d)按照所述主切片层和子切片层的轮廓数据分别进行3D打印，由此完成増材制造。

【技术特征摘要】
1.一种自适应分层的増材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)对待处理模型文件按照预设最大层厚进行第一次切片处理，得到多个主切片层和每层主切片层的轮廓环及其数据；(b)针对所述每层主切片层的轮廓环及其数据，分别按照预设最大体素尺度进行二维平面行程编码处理得到行程编码数据，根据相邻主切片层之间的所述行程编码数据与预设阈值之间的关系，将每层所述主切片层轮廓环上的所有顶点分为差异特征顶点和公共特征顶点，并分别构成差异特征顶点集和公共特征顶点集；(c)针对每层主切片层的差异特征顶点集中的顶点进行局部区域化处理，并由此生成新的局部区域，按照预设最小层厚对该新的局部区域进行第二次切片处理，由此得到该新的局部区域对应的多个子切片层及其轮廓数据，从而完成每层主切片层中局部区域的再次分层；(d)按照所述主切片层和子切片层的轮廓数据分别进行3D打印，由此完成増材制造。2.如权利要求1所述的一种自适应分层的増材制造方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述二维平面行程编码处理优选按照下列步骤：(b1)在所述每层主切片层中建立平面二维XOY坐标，在平行于X轴或Y轴方向上以预设最大体素VOXELmax为间隔做多条平行线，由此得到每条平行线与所述轮廓环相交的交点；(b2)记录每条所述平行线与所述轮廓环相交的两个交点的坐标，计算该两个交点之间线段的长度，即该条平行...

【专利技术属性】
技术研发人员：张李超，张楠，何森，史玉升，赵祖烨，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42