一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法技术

本发明专利技术为一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法，该方法包括：在不进行图形分解的情况下，在切片内按给定角度生成间距为喷头直径d的非连续单锯齿状路径，并进行内外偏置生成非连续双锯齿状路径；根据非连续双锯齿状填充路径间的可连接关系将其连接为局部连续双锯齿状路径；通过双层轮廓与局部连续双锯齿状路径的可连接关系将所有路径按顺序连接，生成全局连续路径；最后进行路径优化。对于任意不含孤岛的连通区域，在不进行多边形分解的情况下可以根据设定角度生成一条连续的双锯齿状直线填充路径，在打印过程中避免了喷头的开启、关闭以及跳转，减少打印时间，且不同层路径的打印方向可以根据需要进行调整，达到层间加强的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法
本专利技术涉及3D打印领域，具体是一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法。
技术介绍
沉积成型作为3D打印的一种技术，被广泛应用于医学、建筑、模型制造等领域。该技术通过喷嘴挤出流动状态的材料固化在平板上，层层堆积为三维模型。三维模型的打印质量受到多个参数的影响，如材料、打印温度、层厚、打印速度、打印路径等。打印材料的强度很大程度上决定了打印构件的强度。研究人员通过施加连续的纤维丝来提高构件的强度，如在熔融沉积成型中施加连续碳纤维、3D打印混凝土中施加连续钢绞线等，但是很多设备缺乏自动剪断装置，一是因为平台的操作空间有限，难以添加其他装置，二是因为自动剪断装置的成本较高。因此，在出现不连续的路径时，需停止打印，待人工剪断纤维后再继续打印，降低了自动化程度，增加了人工成本和打印时间。如果切片或者整个模型采用连续的路径填充，则在二维平面甚至三维立体范围内，上述问题能够得到解决。路径填充算法是3D打印的一个关键参数。目前比较常用的算法有直线填充算法、轮廓偏置算法等，但是均无法实现一笔填充。喷头的跳转首先降低了打印效率，其次喷嘴内的材料处于熔融状态下，在喷嘴跳转的过程中会出现拉丝现象，过早消耗喷嘴内的材料，致使在打印下一条路径时，材料不能按量挤出，影响打印质量。申请号2016102425791的文献公开了一种基于费马尔螺旋线的3D打印路径规划方法，其采用3D打印一笔画路径方法，但是该算法只能根据几何特性进行轮廓偏置，路径方向不能按预定角度调整进行力学性能层间加强，弥补相邻层的打印空隙。文献《Jin,Y.,etal.,Anon-retractionpathplanningapproachforextrusion-basedadditivemanufacturing.RoboticsandComputer-IntegratedManufacturing,2017.48:p.132-144.》公开了一种non-retraction路径规划方法，将二维平面分解为若干子区域，然后分别填充剖分后的子区域，最后将内部直线路径连接为一笔。然而，多边形分解算法能够有效分解多边形，对于有平滑边界或者在小区域内连续出现凹角的复杂图形时，算法可能不适用。此外，该算法的孔洞轮廓未与内部路径连接，因此，该算法并未实现全局连续填充。且在一个连通的二维区域可能被外轮廓分割为若干子区域的特殊情况下，该算法不适用。
技术实现思路
针对无孤岛三维模型的沉积成型工艺的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充算法。本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法，该方法包括以下步骤：在不进行图形分解的情况下，在切片内按给定角度生成间距为喷头直径的非连续单锯齿状路径，并进行内外偏置生成非连续双锯齿状路径；根据非连续双锯齿状填充路径间的可连接关系将其连接为局部连续双锯齿状路径；通过双层轮廓与局部连续双锯齿状路径的可连接关系将所有路径按顺序连接，生成全局连续路径；最后进行路径优化：包括间距等值化优化，避免路径间发生碰撞降低打印质量；曲率优化，减少路径急转弯。本专利技术以基于非连续的单锯齿路径填充算法为基础，对于任意的无孤岛联通区域，生成连续的双锯齿填充算法，提高了打印效率。对于任意不含孤岛的连通区域，先填充以非连续的双锯齿状路径，然后将非连续双锯齿状填充路径连接为局部连续的双锯齿状路径，并根据与外轮廓的邻接关系将其合并，最后进行路径优化，避免路径间的碰撞，减少急转弯。与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：(1)对于任意不含孤岛的连通区域，在不进行多边形分解的情况下可以根据设定角度生成一条连续的双锯齿状直线填充路径，在打印过程中避免了喷头的开启、关闭以及跳转，减少打印时间，且不同层路径的打印方向可以根据需要进行调整，达到层间加强的效果；(2)对于被外轮廓分割为若干子区域的特殊二维图形，本专利技术提出解决方案，即通过双层轮廓依次连接局部连续的路径，实现全局连续；(3)在熔融沉积成型工艺中，本专利技术避免了喷头跳转带来的拉丝现象，以及跳转过程中由于材料提前消耗造成的下一条路径打印不充分现象，有利于提高打印质量；(4)对于打印带有连续增强纤维的复合材料，本专利技术因为消除了断点，在打印每一层时不再需要人工剪断纤维，有利于节省人工成本，提高打印效率；(5)本专利技术方法亦可应用于其他使用路径的增材制造或者减材制造技术，如选择性激光烧结技术或者电弧增材制造技术，使用本方法填充路径能够避免由于路径不连续造成的材料预热不充分导致的打印件内部缺陷问题，有利于提高打印质量。附图说明图1为本专利技术方法的流程图；图2为生成非连续双锯齿状填充路径过程图解示意图；图3为生成局部连续双锯齿状填充路径过程图解示意图；图4为生成局部连续双锯齿状填充路径流程图；图5为实现路径全局连续图解；图6为路径优化图解。具体实施方式下面给出本专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本申请权利要求的保护范围。本专利技术提供了一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法(简称方法)，该方法包括以下步骤：步骤1、在不含孤岛的二维连通区域内按给定角度生成间距为喷头直径d的非连续双锯齿状填充路径及双层轮廓如图2所示；(1-1)如图2(a)所示，在大于几何边界的区域内按给定角度α0生成平行扫描线，此示例α0＝-45°，将几何边界(这里的i表示连续边界个数，如图2中(a)图所示)向内偏置3.5d得到偏置轮廓(如图2中(a)图虚线所示)，用偏置轮廓截取扫描线，在偏置轮廓内部的扫描线记为扫描线段，同时扫描线段切割偏置轮廓形成若干个偏置轮廓分段，并按照奇偶定则将扫描线段和偏置轮廓分段连接生成非连续单锯齿状路径；步骤(1-1)具体是：奇偶定则连接方式是：如图2中(b)图所示，图中横向线段表示按α0生成的扫描线，竖向虚线及实线线段表示偏置轮廓分段，偏置轮廓分段按照左右对称方式标号。选择未连接路径中的边界扫描线段(即位于最外侧的扫描线段)向该路径中相对的另一侧遍历扫描线段和偏置轮廓分段，同时将遍历过程中所依次经过的标记为奇数和偶数的偏置轮廓分段分别连接相邻的扫描线右端和左端，直到无可连接扫描线段停止本条路径的计算；重复上述步骤直到所有扫描线段均被连接，生成非连续单锯齿状路径Tj，如图2中(c)图所示，共有T1、T2、T3、T4、T5、T6六条非连续单锯齿状路径；(1-2)将几何边界向内偏置1.5d和0.5d生成双层轮廓(统称为)，如图2中(d)图所示和将非连续单锯齿状路径Tj向内外偏置0.5d并首尾连接生成非连续的双锯齿状路径Pj，定义非连续单锯齿状路径Tj两端编号分别为v2j-1和v2j；在本实施例中图2中(d)图中共有P1、P2、P3、P4、P5、P6有六条非连续双锯齿状填充路径，以及两个独立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法，该方法包括以下步骤：/n在不进行图形分解的情况下，在切片内按给定角度生成间距为喷头直径d的非连续单锯齿状路径，并进行内外偏置生成非连续双锯齿状路径；/n根据非连续双锯齿状填充路径间的可连接关系将其连接为局部连续双锯齿状路径；/n通过双层轮廓与局部连续双锯齿状路径的可连接关系将所有路径按顺序连接，生成全局连续路径；/n最后进行路径优化：包括间距等值化优化和曲率优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种针对沉积成型的连续双锯齿状路径填充方法，该方法包括以下步骤：
在不进行图形分解的情况下，在切片内按给定角度生成间距为喷头直径d的非连续单锯齿状路径，并进行内外偏置生成非连续双锯齿状路径；
根据非连续双锯齿状填充路径间的可连接关系将其连接为局部连续双锯齿状路径；
通过双层轮廓与局部连续双锯齿状路径的可连接关系将所有路径按顺序连接，生成全局连续路径；
最后进行路径优化：包括间距等值化优化和曲率优化。


2.根据权利要求1所述的填充方法，其特征在于，所述非连续双锯齿状路径的生成过程是：
在大于几何边界的区域内按给定角度α0生成间距为d的平行扫描线，将几何边界向内偏置3.5d得到偏置轮廓，用偏置轮廓截取扫描线，在偏置轮廓内部的扫描线记为扫描线段，同时扫描线段切割偏置轮廓使偏置轮廓形成若干个偏置轮廓分段，并按照奇偶定则将扫描线段和偏置轮廓分段连接生成非连续单锯齿状路径；
将几何边界向内偏置1.5d和0.5d生成双层轮廓i表示独立的双层轮廓个数；将非连续单锯齿状路径Tj向内外各偏置0.5d并首尾连接生成非连续的双锯齿状路径Pj。


3.根据权利要求2所述的填充方法，其特征在于，所述奇偶定则连接方式是：偏置轮廓分段按照对称方式标号，选择未连接路径中的边界扫描线段向该路径中相对的另一侧遍历扫描线段和偏置轮廓分段，同时将遍历过程中所依次经过的标记为奇数和偶数的偏置轮廓分段分别连接两侧相邻的扫描线段的端点，直到无可连接扫描线段停止本条路径的计算；重复本步直到连接所有的扫描线段。


4.根据权利要求1所述的填充方法，其特征在于，步骤2、根据非连续双锯齿状填充路径间的可连接关系将其连接为局部连续的双锯齿状路径，具体过程是：
若两条非连续单锯齿状路径在垂直于给定角度α0方向上最短距离为2d，即由该两条路径生成的非连续双锯齿状填充路径能通过将其打断并重新连接的方式连接为一条路径，则定义该两条路径是可连接的；若不满足2d要求，认为不可连接；统计所有非连续双锯齿状填充路径的可连接关系，构造连通树储存非连续双锯齿状填充路径的连接顺序，按照连接顺序形成多条局部连续的双锯齿状路径。


5.根据权利要求1所述的填...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国伟，夏令伟，林森，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12