一种多轴无支撑3D打印曲面切片方法、装置和服务器制造方法及图纸

本申请公开了一种多轴无支撑3D打印曲面切片方法、装置和服务器，属于3D打印领域。曲面切片方法包括将待打印立体模型划分为有多个多面体单元的多面体网格；随机选择多面体网格中的多个顶点作为控制点；建立关于控制点的优化模型；将控制点处打印方向角g平均到整个待打印立体模型得到多面体网格的打印方向向量场G；迭代求解优化模型，获得在满足分层曲面曲率约束条件cond(g)下使悬伸角评价函数f(g)最小的控制点处方向角g及其对应的分布在整个待打印立体模型上的最优打印方向向量场G0；获得沿最优打印方向向量场G0单调增的距离标量场Φ，距离标量场Φ拟合的等值面即为打印曲面切片层。本申请的方法适合复杂零件的无支撑打印。印。印。

【技术实现步骤摘要】
一种多轴无支撑3D打印曲面切片方法、装置和服务器


[0001]本申请涉及3D打印
，尤其涉及一种多轴无支撑3D打印曲面切片方法、装置和服务器。

技术介绍

[0002]熔融沉积法、直接能量沉积法等增材制造技术可将塑料、复合材料、金属粉末等材料加热熔融从喷嘴挤出或喷出，通过逐层堆积来制造不同形状的工件。然而，现有的3D打印设备大多基于2.5轴系统和平面分层技术，在制造具有悬臂、多孔等复杂特征的结构时，需要增加大量的支撑结构来防止材料塌陷，成为制约其加工效率、成本以及精度的瓶颈。
[0003]近年来多轴打印系统越来越受到关注。相较于传统2.5轴系统，5/6轴系统提供了更多的自由度，能够使喷嘴相对工件在打印过程中连续改变方向，尽可能地让挤/喷出材料落在当前工件上，从而有效减小支撑结构的体积甚至实现完全无支撑打印，极大地提高了复杂零件的制造效率和节省了成本，而合理的切片工艺规划方法是实现上述目标的关键。
[0004]近年来，已有大量学者基于多轴打印系统提出了新的无支撑切片工艺规划方法，以实现复杂构件的无支撑打印。其中3+2轴打印模式是一种灵活的多轴打印工艺，其通过在打印过程中改变若干次打印方向来完成复杂模型的制造，而每一个方向所对应的打印过程依然是2.5轴打印。为实现3+2轴打印，则通常首先要对模型进行适当地分块，然后对于每一个部分规划相应的打印方向，最后沿着该方向进行平面分层。然而，目前基于3+2轴打印系统的工艺规划方法并没有充分利用多轴打印系统的自由度和灵活性，分块多方向的3+2轴打印模式一般比较适用于树状结构，而对于一些具有复杂特征的自由形状零件，其通用性较差。
[0005]基于连续多轴打印模式的曲面分层技术相较于3+2轴打印可以更好地利用多轴打印系统的自由度和灵活性，从而能够实现复杂零件的无支撑打印。然而现有的曲面切片方法不管是基于3+2轴设备还是多轴连续打印设备，对于一些复杂结构零件，如多孔结构零件，并不能完全保证无支撑打印。

技术实现思路

[0006]本申请实施例通过提供一种多轴无支撑3D打印曲面切片方法、装置和服务器，解决了现有曲面切片方法对于一些复杂结构零件不能完全保证无支撑打印的问题。
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供了一种多轴无支撑3D打印曲面切片方法，包括：
[0008]将待打印立体模型划分为有多个多面体单元的多面体网格；
[0009]随机选择所述多面体网格中的多个顶点作为控制点；
[0010]建立关于所述控制点的优化模型：
[0011]其中，
为控制点处打印方向角，为第m个所述控制点的打印方向角，n为控制点的个数；cond(g)为分层曲面曲率约束条件，f(g)为悬伸角评价函数；
[0012]将所述控制点处打印方向角g平均到整个所述待打印立体模型得到g对应的分布在所述多面体网格的打印方向向量场G；
[0013]迭代求解优化模型，获得在满足分层曲面曲率约束条件cond(g)下使悬伸角评价函数f(g)最小的控制点处方向角g及其对应的分布在整个待打印立体模型上的最优打印方向向量场G0；
[0014]获得沿所述最优打印方向向量场G0单调增的距离标量场Φ，所述距离标量场Φ拟合的等值面即为打印曲面切片层。
[0015]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述将所述控制点处打印方向角g平均到整个所述待打印立体模型得到g对应的分布在所述多面体网格的打印方向向量场G，具体步骤为：将所述控制点处打印方向角g作为Dirichlet边界条件求解拉普拉斯方程
△
G＝0，以将所述控制点处打印方向角g平均到整个所述待打印立体模型得到g对应的分布在所述多面体网格的打印方向向量场G。
[0016]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述悬伸角评价函数f(g)表示为：
[0017][0018]其中，m为待打印立体模型边界处的顶点的总个数；x
i
为边界第i个顶点处的悬伸角因子；s
max
为当前打印方向向量场G中所有顶点中的光滑因子的最大值；s
mean
为当前打印方向向量场G中所有顶点的光滑因子的平均值；α为惩罚系数，α∈[0，1]。
[0019]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，边界第i个顶点处的悬伸角因子x
i
表示为：
[0020][0021]其中，θ
o
为当前计算的顶点上的悬伸角，θ
t
为预设临界悬伸角。
[0022]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述多面体网格中的一个顶点v
i
的所述光滑因子s
i
表示为：
[0023][0024]其中，N(i)表示顶点v
i
所属多面体单元中与顶点v
i
同边的另一个顶点的集合；v
j
表示N(i)中的一个顶点；w
ij
表示边ij的权重系数；n
i
表示顶点v
i
的方向向量；n
j
表示顶点v
j
的方向向量。
[0025]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述分层曲面曲率约束条件cond(g)表示为：
[0026][0027]其中，H为分层曲面的平均曲率场，表示为R为预设最小允许曲率半径。
[0028]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述迭代求解优化模型包括：采用遗传算法迭代求解优化模型。
[0029]结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述获得沿所述最优打印方向向量场G0单调增的距离标量场Φ，包括：将求得的最优方向场G0代入的泊松方程L
c
Φ＝DivG0求解，获得沿所述最优打印方向向量场G0单调增的距离标量场Φ。
[0030]第二方面，本专利技术实施例提供了一种多轴无支撑3D打印曲面切片装置，其特征在于，包括：
[0031]网格划分模块，用于将待打印立体模型划分为有多个多面体单元的多面体网格；
[0032]选择模块，用于随机选择所述多面体网格中的多个顶点作为控制点；
[0033]模型建立模块，用于建立关于所述控制点的优化模型：
[0034]其中，其中，为控制点处打印方向角，为第m个所述控制点的打印方向角，n为控制点的个数；cond(g)为分层曲面曲率约束条件，f(g)为悬伸角评价函数；
[0035]平均模块，用于将所述控制点处打印方向角g平均到整个所述待打印立体模型得到g对应的分布在所述多面体网格的打印方向向量场G；
[0036]求解模块，用于迭代求解优化模型，获得在满足分层曲面曲率约束条件cond(g)下使悬伸角评价函数f(g)最小的控制点处方向角g及其对应的分布在整个待打印立体模型上的最优打印方向向量场G0；
[0037]切片模块，用于获得沿所述最优打印方向向量场G0单调增的距离标量场Φ，所述距离标量场Φ拟合的等值面即为打印曲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多轴无支撑3D打印曲面切片方法，其特征在于，包括：将待打印立体模型划分为有多个多面体单元的多面体网格；随机选择所述多面体网格中的多个顶点作为控制点；建立关于所述控制点的优化模型：其中，其中，为控制点处打印方向角，为第m个所述控制点的打印方向角，n为控制点的个数；cond(g)为分层曲面曲率约束条件，f(g)为悬伸角评价函数；将所述控制点处打印方向角g平均到整个所述待打印立体模型得到g对应的分布在所述多面体网格的打印方向向量场G；迭代求解优化模型，获得在满足分层曲面曲率约束条件cond(g)下使悬伸角评价函数f(g)最小的控制点处方向角g及其对应的分布在整个待打印立体模型上的最优打印方向向量场G0；获得沿所述最优打印方向向量场G0单调增的距离标量场Φ，所述距离标量场Φ拟合的等值面即为打印曲面切片层。2.根据权利要求1所述的多轴无支撑3D打印曲面切片方法，其特征在于：所述将所述控制点处打印方向角g平均到整个所述待打印立体模型得到g对应的分布在所述多面体网格的打印方向向量场G，具体步骤为：将所述控制点处打印方向角g作为Dirichlet边界条件求解拉普拉斯方程
△
G＝0，以将所述控制点处打印方向角g平均到整个所述待打印立体模型得到g对应的分布在所述多面体网格的打印方向向量场G。3.根据权利要求1所述的多轴无支撑3D打印曲面切片方法，其特征在于，所述悬伸角评价函数f(g)表示为：其中，m为待打印立体模型边界处的顶点的总个数；x
i
为边界第i个顶点处的悬伸角因子；s
max
为当前打印方向向量场G中所有顶点中的光滑因子的最大值；s
mean
为当前打印方向向量场G中所有顶点的光滑因子的平均值；α为惩罚系数，α∈[0，1]。4.根据权利要求3所述的多轴无支撑3D打印曲面切片方法，其特征在于，边界第i个顶点处的悬伸角因子x
i
表示为：其中，θ
o
为当前计算的顶点上的悬伸角，θ
t
为预设临界悬伸角。5.根据权利要求3或4所述的多轴无支撑3D打印曲面切片方法，其特征在于，所述多面体网格中的一个顶点v
i
的所述光滑因子s
i
表示为：
其中，N(i)表示顶点v
i
所属多面体单元中与顶点v
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚敏，朱继宏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：