一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法技术

本发明专利技术属于3D打印相关技术领域，并公开了一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法。该方法包括下列步骤：S1计算每个切片层成形轮廓内的骨架线；S2分别计算求取主骨架线的长度，每条骨架线端点处的直径，相邻两条骨架线之间的偏转角，以及成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角；S3将成形轮廓内的区域类型分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区，利用步骤S2中计算获得的多个参数值建立区域划分标准，成形轮廓内的区域进行划分；S4规划每个区域的成形路径进行3D打印成形。通过本发明专利技术，解决复杂轮廓零件的轮廓识别与分割的问题，提供一种高效的鲁棒性强的复杂路径规划方法。划方法。划方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法


[0001]本专利技术属于3D打印相关
，更具体地，涉及一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法。

技术介绍

[0002]3D打印是增材制造技术的俗称，它与传统的材料“去除型”加工方法截然相反，是一种增材的制造方式。通常采用逐层制造的方式打印待加工三维实体模型的制造方法。其关键技术之一便是路径规划技术，同一模型，不同的路径规划具有完全不同的打印效果。传统的路径如光栅路径、Z字形路径、轮廓偏置路径、螺旋路径、中轴转化路径等针对特定模型具有良好的效果，然而在打印复杂模型时存在较多问题：光栅路径和Z字形路径在打印曲线轮廓、薄壁等轮廓时存在较多拐点，其台阶效应明显而且容易造成热应力集中，使得零件的打印效果较差；进行全局轮廓偏置路径规划与螺旋路径的计算复杂度较高而且有时候存在某些歧义区域，并且轮廓偏置路径不适合于薄壁区与毛糙区域(轮廓转折较为频繁的区域)；中轴转化路径适用的区域更是有限。因此上述路径规划在面对当今复杂轮廓的填充时存在较多缺陷。
[0003]针对复杂轮廓的路径规划，本领域人员提出了一些解决方法，即通过识别出一些轮廓特征，在特定区域采用特定的路径规划方式，用混合路径对不同区域进行填充，既提高了制造效率又能保证打印质量。例如文献《面向熔融沉积成型3D打印的高效路径规划研究与实现》设计了基于曲线轮廓线识别的分区填充算法，根据曲线轮廓线角度及弧度的特点，对曲线轮廓线进行识别；用四边形对多边形进行区分，分为含曲线区域和不含曲线区域；含曲线区域采用直角填充算法，不含曲线区域采用直骨架螺旋偏置填充算法。对于含曲线的简单多边形，该方法可以消除大量短线段以此提高打印效率及切片效率。然而该区域分割技术采用四边形进行分割，适用性太小，对诸如薄壁区、毛糙区都无法识别；而且轮廓的角度及弧度特征具有的信息太少，对复杂轮廓的识别误差很大，具有不稳定性，此外该方法对不同区域的填充也过于单一，无法满足对复杂轮廓的识别与分割，相应地，本领域存在着发展一种高效的、鲁棒性较强的适用于当前增材制造对于复杂路径规划技术需求的方法。

技术实现思路

[0004]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基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，解决复杂轮廓零件的轮廓识别与分割的问题，提供一种高效的鲁棒性强的复杂路径规划方法。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，该方法包括下列步骤：
[0006]S1获取待成形零件的切片层以及每个切片层中的成形轮廓，计算获得每个切片层成形轮廓内的骨架线，以此获得每个成形轮廓内的所有骨架线；
[0007]S2分别计算求取所有骨架线中主骨架线的长度L，每条骨架线端点处的直径d，相
邻两条骨架线之间的偏转角θ，以及成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ；
[0008]S3将成形轮廓内的区域类型分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区，利用步骤S2中计算获得的多个参数值建立区域类型划分标准，利用该划分标准将所述每个切片层内的成形轮廓划分为相应类型的区域，以此实现对成形轮廓区域的划分；
[0009]S4根据成形轮廓中区域的类型规划每个区域的成形路径，根据每个区域的成形路径分别对每个区域进行加工，以此实现待成形零件的3D打印成形。
[0010]进一步优选地，在步骤S3中，所述区域划分标准按照下列方式进行：
[0011]判断所述端点处的直径d与λ倍喷头直径D之间的关系，按照下列两种方式之一进行处理：
[0012](1)当d>λD时，判断主骨架线的长度L与n倍的喷头直径D的关系，以及主骨架两端端点处的直径d1与d2之间的关系，如下：
[0013]当L>nD且d1＝d2时，该区域为直方区，其中，n为大于λ的整数；
[0014]否则，判断每条骨架线端点的处直径d与m倍的喷头直径D之间的关系，m为大于λ的整数且m<n，当d>mD时，为平滑区；否则，判断成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ与预设轮廓偏转角阈值Φmax之间的关系，当Φ>Φmax时，为过渡平缓区，否则，为平滑区；
[0015](2)当d<＝λD时，判断所述相邻两条骨架线之间的偏转角θ与预设骨架线偏转角阈值θmax之间的关系，当θ<＝θmax时，该区域为平滑薄壁区，否则为毛糙区。
[0016]进一步优选地，在步骤S4中，所述每个区域的成形路径按照下列方式进行：
[0017]对于所述薄壁区，将主骨架作为单道填充路径；
[0018]对于所述直方区，采用Z字形路径进行填充；
[0019]对于所述平滑区，将成形轮廓进行偏置，以此获得填充路径；
[0020]对于所述过渡平缓区，将该区域的中轴线进行偏置，以此获得其填充路径；
[0021]对于所述毛糙区，采用自适应填充。
[0022]进一步优选地，在步骤S2中，所述端点处的直径是在该端点到所述成形轮廓的最短距离。
[0023]进一步优选地，在步骤S2中，所述端点处的直径按照下列方式求取：建立以该端点为圆心的圆，递增该圆的圆心，当该圆中第一次出现成形轮廓线时，该圆的半径就是所需的端点处的直径。
[0024]进一步优选地，在步骤S1中，所述骨架线采用Voronoi图算法计算获得。
[0025]进一步优选地，在步骤S2中，所述相邻两条骨架线之间的偏转角θ为相邻两条骨架线夹角的补角。
[0026]进一步优选地，在步骤S2中，所述成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ为相邻两条边夹角的补角。
[0027]进一步优选地，在步骤S2中，所述主骨架线是指该骨架线的两个端点均不在切片层所述成形轮廓线上的骨架线。
[0028]进一步优选地，在步骤S4中，在规划每个区域的成形路径时，需要将每个区域封闭形成封闭的区域，然后对该封闭的区域规划成形路径。
[0029]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0030]1.本专利技术中将成形轮廓内的区域划分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区五个类型，其根据区域的特征划分的区域类型多，尤其适用于复杂轮廓零件，其满足复杂轮廓零件对区域识别和分割的需求，有效地为后续规划填充路径做准备，按照这种方式规划的填充路径成形精度高；
[0031]2.本专利技术通过计算每条骨架线段的长度、端点处的直径、相邻两条骨架线之间的偏转角d以及切片轮廓某点处的偏转角φ，其中，骨架线直径d确定喷头在此区域的路径间距，主骨架线长度L确定某区域的直方特性，切片轮廓偏转角φ确定切片轮廓的曲率及拐点，骨架线偏转角θ确定某区域光顺性，利用上述四个量之间的大小关系，识别出不同区域，并且在不同区域处采用不同的路径规划方式，选取这些参数进行识别可以对不同区域进行唯一确定，因此选取以上参数作为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：S1获取待成形零件的切片层以及每个切片层中的成形轮廓，计算获得每个切片层成形轮廓内的骨架线，以此获得每个成形轮廓内的所有骨架线；S2分别计算求取所有骨架线中主骨架线的长度L，每条骨架线端点处的直径d，相邻两条骨架线之间的偏转角θ，以及成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ；S3将成形轮廓内的区域类型分为直方区、平滑区、过渡平缓区、平滑薄壁区和毛糙区，利用步骤S2中计算获得的多个参数值建立区域类型划分标准，利用该划分标准将所述每个切片层内的成形轮廓划分为相应类型的区域，以此实现对成形轮廓区域的划分；S4根据成形轮廓中区域的类型规划每个区域的成形路径，根据每个区域的成形路径分别对每个区域进行加工，以此实现待成形零件的3D打印成形。2.如权利要求1所述的一种基于骨架线轮廓识别与区域分割的3D打印成形方法，其特征在于，在步骤S3中，所述区域划分标准按照下列方式进行：判断所述端点处的直径d与λ倍喷头直径D之间的关系，按照下列两种方式之一进行处理：(1)当d>λD时，判断主骨架线的长度L与n倍的喷头直径D的关系，以及主骨架两端端点处的直径d1与d2之间的关系，如下：当L>nD且d1＝d2时，该区域为直方区，其中，n为大于λ的整数；否则，判断每条骨架线端点的处直径d与m倍的喷头直径D之间的关系，m为大于λ的整数且m<n，当d>mD时，为平滑区；否则，判断成形轮廓中相邻两条边之间的偏转角Φ与预设轮廓偏转角阈值Φmax之间的关系，当Φ>Φmax时，为过渡平缓区，否则，为平滑区；(2)当d<＝λD时，判断所述相邻两条骨架线之间的偏转角θ与预设骨架线偏转角阈值θmax之间的关系，当θ<＝θmax时，该区域为平滑薄壁区，否则为毛糙区。3.如权利要求1或...

【专利技术属性】
技术研发人员：张李超，杨蕾，何骏驰，史玉升，刘主峰，陈森昌，汤名锴，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：