一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法技术

一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法，包括随形曲面切层和三维空间路径规划方法，随形曲面切层方法对网格模型进行缺陷检查并修复，保证模型外表面为二维流形，若网格面不全为三角形单元，则对其进行三角化；然后进行区域分割，确定各子部分的打印先后顺序及分层的大致方向；再将外表面转化为点云数据，将点云向内偏置；对偏置后的点云数据进行拟合，形成三角网格面；重复将模型分为若干曲面层得到曲面集合；三维空间路径规划方法是检查曲面集合中的曲面是否为二维流形，并均匀化三角形单元，计算网格各顶点相对于指定参考点的测地距离，抽取等值点，拟合为等值线，光顺等值线并转化为G‑code得到打印路径；本发明专利技术能满足曲面打印的特殊要求。

A Shape-following Layer Cutting and Path Planning Method for 3D Printing of Surfaces

【技术实现步骤摘要】
一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法
本专利技术涉及曲面3D打印
，尤其涉及一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法。
技术介绍
传统3D打印技术的切层方法通常为平面分层，即通过将以STL、AMF或者3MF等文件格式存储的模型进行切层得到每层的轮廓信息，然后结合路径的填充方式以及工艺参数完成路径规划。这种使用平面切层的方法打印的零件由于“台阶效应”导致表面质量较差，层间容易开裂导致力学性能的各向异性，而且需要在悬臂结构下添加支撑，导致打印时间增加，消耗的材料增多，打印完成后去除支撑结构困难。鉴于平面切层方法的局限性，适用于多轴打印机的曲面切层方法应运而生，曲面切层方法是指依据零件模型的外表面形状，通过外表面偏置或者体素剥离的形式将零件模型切分为若干曲面层，这些曲面层的形状与零件外表面形状相似，然后在每层曲面内做路径规划，配合多轴打印机即可通过更灵活的方式完成3D打印过程，从而改善或者克服传统平面切层方法的固有缺陷。曲面切层3D打印有如下优点：第一，减少甚至去除支撑结构，由于多轴三维打印机可以旋转工作平台，因此可以保证喷嘴与打印面的法线时刻重合，从而减少不必要的支撑结构；第二，改善“台阶效应”对零件表面质量的影响，采用曲面分层的方法虽然不能完全消除“台阶效应”，但是由于曲面分层与路径规划的灵活性与可控性，根据零件的形状特征，可以优化分层的方向和喷嘴的路径走向，从而降低“台阶效应”对零件表面质量的影响；第三，可以进行特定的路径规划以提升零件的力学性能，通过计算零件受力时的力线分布，在分层与路径规划时合理规划喷嘴路径走向，以此来提升零件的力学性能。目前基于曲面分层的增材制造技术多适用于轻微弯曲的薄壁状零件，对凸多面体模型的处理能力较强，难以解决更一般的模型的曲面打印问题。现有的曲面切层方法一般采用曲面偏置进行切层，只适用于简单模型，缺少对模型的区域分割，从而不能解决树形零件模型等复杂模型的切层问题；少量的曲面切层方法采用体素的方式对零件模型进行逐层剥离，然后对剥离出来曲面层进行拟合得到网格面，体素法精度损失较大，当体素单元较小而模型较大时，体素化后的数据量较大，占用较大的存储空间和较长的处理运算时间。现有的路径规划方法大多均是针对平面切层进行的，以程序效率最高、打印时间最短等为优化目标，针对曲面打印的路径规划方法相对较少。常见的曲面路径规划方法有轮廓偏置法、平行线填充法等，轮廓偏置法适用于较简单、曲率较小的规则曲面，对形状复杂的任意曲面适用性不强；平行线填充法一般采用欧几里德度量，即相邻两条平行路径之间的距离是欧氏距离，对于曲面来说这一度量方式并不能使路径紧密填充完整个曲面，平行线填充法一般更适用于平面中的路径规划。综上所述，现有的面向曲面3D打印的切层与路径规划技术适用范围窄，仅能解决特定简单案例，不具有一般性；同时多数方法是在面向平面切层与路径规划技术的基础上改进而来，仍采用欧几里德度量，不能完全适应曲面分层与路径规划的要求，部分采用测地距离进行路径规划的方法也未能考虑零件受力时力线分布与路径形状的关系，忽略了优化路径走向对于零件力学性能的影响。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法，实现适用于多轴3D打印机的具有普适性的随形切层，以及基于测地距离的三维空间路径规划，以满足曲面打印的特殊要求。为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法，包括随形曲面切层方法和三维空间路径规划方法，随形曲面切层方法通过随形曲面切层模块实现，三维空间路径规划方法通过三维空间路径规划模块实现。所述的随形曲面切层方法，包括以下步骤：步骤1：用于切层的零件模型M为网格模型，其外表面S0为二维流形，若网格不全为三角形单元，则先对其进行网格三角化得到模型MT，使用Magics软件对模型MT进行缺陷检查，并修复查找到的缺陷；步骤2：以外表面S0的各处曲率为分割标准，曲率突变处为模型不同子区域交界处，根据模型MT的外表面S0曲率变化情况进行区域分割，将模型MT分割为{M1，M2，M3，…}；步骤3：选定子模型M1与打印平台或者模型MT的其他子区域的接触面Sbot，记子模型M1的外表面为S10，从外表面S10中剔除属于接触面Sbot的三角形单元得到面S11，即S11＝S10-Sbot，将面S11以半边数据结构的形式进行存储；步骤4：遍历面S11中所有的边，找到最大边长并记其值为Emax，若Emax大于预设的最大边长emax，则找出所有至少有一条边长度大于emax的三角形放入集合{Tm}中，对于集合{Tm}中的每个三角形，连接三边的中点将每个三角形拆分为四个小三角形，更新半边结构，重复直至Emax＜emax；步骤5：计算面S11中每个三角形的重心Gi，放入集合{G}中，并计算重心Gi所在的三角形Ti的外法线记分层层厚为h，对于集合{G}中的每一点Gi，将其沿自己所在三角形的外法线的反方向平移距离h，形成新的点集{P}；步骤6：对由点集{P}形成的点云数据进行三角网格重建得到新的三角网格面S1i，步骤7：重复步骤4-步骤6即能够不断生成下一层曲面，完成对于子模型M1的切层；步骤8：重复步骤3-步骤7，依次分别完成对{M1，M2，M3，…}中所有子模型的切层，得到曲面集合{Sij}，其中下标i为区域分割后子模型的序号，下标j为各子模型中切层后的曲面层序号，并根据子模型重心GMi与打印平台的距离HMi的大小，确定模型MT各子部分的打印顺序。所述的步骤2中进行区域分割前应该判断模型MT的几何形状是否为单一简单基本几何体；如果是，属于简单模型，则跳过步骤2直接进行后续的切层操作；如果不是，属于复杂模型，对模型MT的区域分割以模型表面S0的曲率变化为分割依据，以相邻三角形Ti与Tj的法向量夹角θij作为曲率大小的近似表征，通过比较θij的变化率与给定阈值的大小来确定分割界限，即当时判定该处的两个三角形分别是两个不同子区域的边界三角形，同时通过人机交互的方式人工选取特征点来辅助进行区域分割以适应曲面3D打印的分割要求。所述的三维空间路径规划方法，包括如下步骤：步骤Ⅰ：对曲面集合{Sij}中的每一个曲面Sij进行网格质量优化，通过重心Voronoi优化使曲面Sij面中的各顶点分布均匀化，并检查曲面Sij是否为二维流形；步骤Ⅱ：将曲面Sij存储为半边数据结构，根据边的邻接关系找出曲面Sij的边界Ccon，以边界Ccon上的顶点{Vcon}为测地距离零点，采用三角网格面上的离散测地距离算法计算曲面Sij中非边界点到边界Ccon的测地距离存入距离场{D}中，距离场{D}为C++标准库中的Map容器，“键”为曲面Sij中的各顶点，“值”为各顶点对应的测地距离；步骤Ⅲ：以打印机喷嘴直径δ为相邻路径的间距，距离场{D}中测地距离的最大值为Dmax，则曲面Sij中包含的闭合路径数以n为循环迭代次数，确定路径拟合的允许误差为ε，从距离场{D}中抽取等值线Ci，等值线Ci中所有点的测地距离值应位于区间(i*δ-ε，i*δ+ε)内，其中i＝1,2,3,…,n；步骤Ⅳ：删除等值线Ci中的冗余顶点，并将各点根据空间邻接关系连接成折线，然后通过折本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法，其特征在于：包括随形曲面切层方法和三维空间路径规划方法，随形曲面切层方法通过随形曲面切层模块实现，三维空间路径规划方法通过三维空间路径规划模块实现；所述的随形曲面切层方法，包括以下步骤：步骤1：用于切层的零件模型M为网格模型，其外表面S0为二维流形，若网格不全为三角形单元，则先对其进行网格三角化得到模型MT，使用Magics软件对模型MT进行缺陷检查，并修复查找到的缺陷；步骤2：以外表面S0的各处曲率为分割标准，曲率突变处为模型不同子区域交界处，根据模型MT的外表面S0曲率变化情况进行区域分割，将模型MT分割为{M1，M2，M3，…}；步骤3：选定子模型M1与打印平台或者模型MT的其他子区域的接触面Sbot，记子模型M1的外表面为S10，从外表面S10中剔除属于接触面Sbot的三角形单元得到面S11，即S11＝S10‑Sbot，将面S11以半边数据结构的形式进行存储；步骤4：遍历面S11中所有的边，找到最大边长并记其值为Emax，若Emax大于预设的最大边长emax，则找出所有至少有一条边长度大于emax的三角形放入集合{Tm}中，对于集合{Tm}中的每个三角形，连接三边的中点将每个三角形拆分为四个小三角形，更新半边结构，重复直至Emax＜emax；步骤5：计算面S11中每个三角形的重心Gi，放入集合{G}中，并计算重心Gi所在的三角形Ti的外法线...

【技术特征摘要】
1.一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法，其特征在于：包括随形曲面切层方法和三维空间路径规划方法，随形曲面切层方法通过随形曲面切层模块实现，三维空间路径规划方法通过三维空间路径规划模块实现；所述的随形曲面切层方法，包括以下步骤：步骤1：用于切层的零件模型M为网格模型，其外表面S0为二维流形，若网格不全为三角形单元，则先对其进行网格三角化得到模型MT，使用Magics软件对模型MT进行缺陷检查，并修复查找到的缺陷；步骤2：以外表面S0的各处曲率为分割标准，曲率突变处为模型不同子区域交界处，根据模型MT的外表面S0曲率变化情况进行区域分割，将模型MT分割为{M1，M2，M3，…}；步骤3：选定子模型M1与打印平台或者模型MT的其他子区域的接触面Sbot，记子模型M1的外表面为S10，从外表面S10中剔除属于接触面Sbot的三角形单元得到面S11，即S11＝S10-Sbot，将面S11以半边数据结构的形式进行存储；步骤4：遍历面S11中所有的边，找到最大边长并记其值为Emax，若Emax大于预设的最大边长emax，则找出所有至少有一条边长度大于emax的三角形放入集合{Tm}中，对于集合{Tm}中的每个三角形，连接三边的中点将每个三角形拆分为四个小三角形，更新半边结构，重复直至Emax＜emax；步骤5：计算面S11中每个三角形的重心Gi，放入集合{G}中，并计算重心Gi所在的三角形Ti的外法线记分层层厚为h，对于集合{G}中的每一点Gi，将其沿自己所在三角形的外法线的反方向平移距离h，形成新的点集{P}；步骤6：对由点集{P}形成的点云数据进行三角网格重建得到新的三角网格面S1i，步骤7：重复步骤4-步骤6即能够不断生成下一层曲面，完成对于子模型M1的切层；步骤8：重复步骤3-步骤7，依次分别完成对{M1，M2，M3，…}中所有子模型的切层，得到曲面集合{Sij}，其中下标i为区域分割后子模型的序号，下标j为各子模型中切层后的曲面层序号，并根据子模型重心GMi与打印平台的距离HMi的大小，确定模型MT各子部分的打印顺序。2.根据权利要求1所述的一种面向曲面3D打印的随形切层及路径规划方法，其特征在于，所述的三维空间路径规划方法，包括如下步骤：步骤Ⅰ：对曲面集合{Sij}中的每一个曲面Sij进行网格质量优化，通过重心Voronoi优化使曲面Sij面中的各顶点分布均匀化，并检查曲面Sij是否为二维流形；步骤Ⅱ：将曲面Sij存储为半边数据结构，根据边的邻接关系找出曲面Sij的边界Ccon，以边界Ccon上的顶点{Vcon}为测地距离零点，采用三角网格面上的离散测地距离算法计算曲面Sij中非边界点到边界Ccon的测地距离存入距离场{D}中，距离场{D}为C++标准库中的Map容器，“键”为曲面Sij中的各顶点，“值”为各顶点对应的测地距离；步骤Ⅲ：以打印机喷嘴直径δ为相邻路径的间距，...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔滨，李良刚，刘亚雄，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61