一种面向3D打印壳体结构的路径生成方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向3D打印壳体结构的路径生成方法及系统。其中，该方法包括基于壳体模型数据，确定模型打印摆放姿态；对确定打印摆放姿态的壳体模型进行逐层切片，将对应得到的每一条连续线段作为节点，再基于节点的依懒性，构建出第一图；合并第一图上的节点，生成第二图；合并第二图上的节点，生成第三图；合并每个第三图上的节点；对于只存在一条路径的两个第三图上尝试合并的两个节点，基于层厚约束合并所述尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点，迭代合并直至第三图中不存在可合并的节点；以合并节点后的第三图中所有节点所表征的总连接路径最短作为目标进行路径规划，计算出每一层的连接点，生成最终打印路径，输出可打印文件。可打印文件。可打印文件。

【技术实现步骤摘要】
一种面向3D打印壳体结构的路径生成方法及系统


[0001]本专利技术属于3D打印
，尤其涉及一种面向3D打印壳体结构的路径生成方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]壳体结构是指仅在物体表面在其体积内有一层薄的材料而没有内部填充物，广泛应用于，如火箭发动机机体、飞机机体、石油天然气行业的锅炉、艺术工艺品等领域。挤出式陶瓷打印是一种有效的制造壳体结构的方法。
[0004]陶瓷具有诸多优异的物理、化学性质，如耐高温、高硬度、耐腐蚀、低密度等，在建筑、化工、日用等各领域有很广泛的应用。其中，壳体陶瓷制品应用最为广泛，如水杯、花瓶、瓷砖等。随着高新技术工业的发展，各种新型特种陶瓷也获得了很大发展。传统的陶瓷制品成型方式是采用不同方法将坯料制成具有一定形状和尺寸的坯件，具体可分为可塑法、注浆法、压制法等，但其生产周期长、手工操作多、劳动强度大、占地面积大、材料消耗多。随着数字制造的日益发展，3D打印技术的精度和速度也在逐步提高，该技术可以通过输入数字文件制造出具有高度复杂几何形状的固体对象，随着而来的，陶瓷3D打印技术也在近些年受到了学术界和工业界的广泛关注。墨水直写(DIW)是一种基于挤出的3D打印技术，以粘土作为打印材料，通过逐层叠加、沉淀粘性浆料，形成所需产品，再通过烧制即可得到陶瓷制品。
[0005]在3D打印过程中，打印路径的连续性对于制品的质量起着至关重要的作用，这是由于粘土本身具有强粘连性、流动性，在暂停挤出时仍有少量残留粘土被挤出，导致出现毛刺，影响制品表面质量，且会牵拉已打印的部分，导致制品变形甚至打印失败。这在壳体结构中尤其明显。
[0006]专利技术人发现，现有方法主要有两类，一类不考虑路径的连续性，通过一般软件切片生成打印路径，这样的打印结果质量不高，且常常打印失败。另一类能够生成严格连续的打印路径，但需要额外的路径将模型与支撑结构连接在一起，需要后期手动拆除支撑，这对于壳体模型来说难度极大，很容易造成模型的破裂，且会影响模型表面质量。

技术实现思路

[0007]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供一种面向3D打印壳体结构的路径生成方法及系统，其使得模型在易拆除的前提下能尽可能保持路径的连续性，大大提高模型的打印质量和打印速度。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]本专利技术的第一个方面提供一种面向3D打印壳体结构的路径生成方法，其包括：
[0010]基于壳体模型数据，确定模型打印摆放姿态；
[0011]对确定打印摆放姿态的壳体模型进行逐层切片，将对应得到的每一条连续线段作为节点，再基于节点的依懒性，构建出第一图；
[0012]基于至少两条边指向同一节点或至少两条边从同一节点开始为原则，合并第一图上的节点，生成第二图；
[0013]基于带依赖约束的最小路径覆盖原则，合并第二图上的节点，生成第三图；
[0014]基于两个点之间存在至少两条路径的原则，合并每个第三图上的节点；对于只存在一条路径的两个第三图上尝试合并的两个节点，基于层厚约束合并所述尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点，迭代合并直至第三图中不存在可合并的节点；
[0015]以合并节点后的第三图中所有节点所表征的总连接路径最短作为目标进行路径规划，计算出每一层的连接点，生成最终打印路径，输出可打印文件。
[0016]作为一种实施方式，确定模型打印摆放姿态的过程为：
[0017]基于壳体模型数据来寻找所有符合支撑约束的摆放姿态；
[0018]再选取使得目标函数最小所对应的摆放姿态作为模型打印摆放姿态；
[0019]其中，所述目标函数由平坦区域面积和支撑结构体积的加权和构成。
[0020]作为一种实施方式，生成第三图的过程为：
[0021]通过集束搜索算法构建搜索树，其中树的每个节点都通过深度优先搜索获得设定长度的路径，每条路径作为一个节点，并通过分支定界法限定搜索范围；
[0022]搜索树构建完成之后，从根节点出发到每一个叶子的每一条路径都代表一个解，深度最小的路径为最优路径；
[0023]最后，每个最优解都对应建立一个第三图，该第三图的每个节点都对应最优解中的一个节点，边表示这些节点之间的依赖关系。
[0024]作为一种实施方式，基于层厚约束合并所述尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点的过程为：
[0025]确定所述只存在一条路径的两个第三图上尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点；
[0026]提取出这些子节点重新构建一个子图，在这个子图中基于层厚约束尝试将节点两两合并。
[0027]作为一种实施方式，在这个子图中基于层厚约束尝试将节点两两合并的过程为：
[0028]从位于上方的节点的顶部切片层开始与下一层同侧的端点连接，直到底部切片层，计算出两条斜线；
[0029]当这两条斜线有一条符合斜率约束时，将该斜线与上方的节点的顶部层连接并投影到模型表面，作为上边界，将下方节点的底部切片层投影到模型表面，作为下边界；
[0030]当上下边界所对应的需要压平的区域均能成功压平时，说明没有违反层厚约束，判断为可合并且生成预路径。
[0031]作为一种实施方式，在进行路径规划的过程中，还包括：平滑合并节点后的第三图中所有节点所表征的总连接路径。
[0032]本专利技术的第二个方面提供一种面向3D打印壳体结构的路径生成系统，包括：
[0033]打印摆放姿态确定模块，其用于基于壳体模型数据，确定模型打印摆放姿态；
[0034]第一图构建模块，其用于对确定打印摆放姿态的壳体模型进行逐层切片，将对应
得到的每一条连续线段作为节点，再基于节点的依懒性，构建出第一图；
[0035]第一图节点合并模块，其用于基于至少两条边指向同一节点或至少两条边从同一节点开始为原则，合并第一图上的节点，生成第二图；
[0036]第二图节点合并模块，其用于基于带依赖约束的最小路径覆盖原则，合并第二图上的节点，生成第三图；
[0037]第三图节点合并模块，其用于基于两个点之间存在至少两条路径的原则，合并每个第三图上的节点；对于只存在一条路径的两个第三图上尝试合并的两个节点，基于层厚约束合并所述尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点，迭代合并直至第三图中不存在可合并的节点；
[0038]打印路径生成模块，其用于以合并节点后的第三图中所有节点所表征的总连接路径最短作为目标进行路径规划，计算出每一层的连接点，生成最终打印路径，输出可打印文件。
[0039]作为一种实施方式，在所述打印摆放姿态确定模块中，确定模型打印摆放姿态的过程为：
[0040]基于壳体模型数据来寻找所有符合支撑约束的摆放姿态；
[0041]再选取使得目标函数最小所对应的摆放姿态作为模型打印摆放姿态；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向3D打印壳体结构的路径生成方法，其特征在于，包括：基于壳体模型数据，确定模型打印摆放姿态；对确定打印摆放姿态的壳体模型进行逐层切片，将对应得到的每一条连续线段作为节点，再基于节点的依懒性，构建出第一图；基于至少两条边指向同一节点或至少两条边从同一节点开始为原则，合并第一图上的节点，生成第二图；基于带依赖约束的最小路径覆盖原则，合并第二图上的节点，生成第三图；基于两个点之间存在至少两条路径的原则，合并每个第三图上的节点；对于只存在一条路径的两个第三图上尝试合并的两个节点，基于层厚约束合并所述尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点，迭代合并直至第三图中不存在可合并的节点；以合并节点后的第三图中所有节点所表征的总连接路径最短作为目标进行路径规划，计算出每一层的连接点，生成最终打印路径，输出可打印文件。2.如权利要求1所述的面向3D打印壳体结构的路径生成方法，其特征在于，确定模型打印摆放姿态的过程为：基于壳体模型数据来寻找所有符合支撑约束的摆放姿态；再选取使得目标函数最小所对应的摆放姿态作为模型打印摆放姿态；其中，所述目标函数由平坦区域面积和支撑结构体积的加权和构成。3.如权利要求1所述的面向3D打印壳体结构的路径生成方法，其特征在于，生成第三图的过程为：通过集束搜索算法构建搜索树，其中树的每个节点都通过深度优先搜索获得设定长度的路径，每条路径作为一个节点，并通过分支定界法限定搜索范围；搜索树构建完成之后，从根节点出发到每一个叶子的每一条路径都代表一个解，深度最小的路径为最优路径；最后，每个最优解都对应建立一个第三图，该第三图的每个节点都对应最优解中的一个节点，边表示这些节点之间的依赖关系。4.如权利要求1所述的面向3D打印壳体结构的路径生成方法，其特征在于，基于层厚约束合并所述尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点的过程为：确定所述只存在一条路径的两个第三图上尝试合并的两个节点在第二图中对应的子节点；提取出这些子节点重新构建一个子图，在这个子图中基于层厚约束尝试将节点两两合并。5.如权利要求4所述的面向3D打印壳体结构的路径生成方法，其特征在于，在这个子图中基于层厚约束尝试将节点两两合并的过程为：从位于上方的节点的顶部切片层开始与下一层同侧的端点连接，直到底部切片层，计算出两条斜线；当这两条斜线有一条符合斜率约束时，将该斜线...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琳，钟凡超，许永来，赵海森，屠长河，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：