3d打印軌跡控制方法、裝置和3d打印系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種3D打印軌跡控制方法、裝置和3D打印系統(tǒng)。3D打印軌跡控制方法，包括：獲取待打印模型的三維模型；計算三維模型的外表面輪廓的斜率；設定沿斜率方向的第一上升增量；根據(jù)第一上升增量確定在豎直方向的第二上升增量；根據(jù)第二上升增量控制打印頭的運動軌跡，從而進行打印。本發(fā)明在該模型的底部和頂部等斜率不同的地方，在斜率方向上的增量為定，從而使斜率較大的底部位置和斜率較小的頂部位置規(guī)劃的軌跡有明顯差別，即在斜率較小的頂部打印軌跡更加稠密，從而不需要支撐便可打印這些特殊位置。
【專利說明】3D打印軌跡控制方法、裝置和3D打印系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印領域，特別涉及一種3D打印軌跡控制方法、裝置和3D打印系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]通常的3D打印方法采用逐層疊加的工藝方法，這種方法計算得到的打印軌跡曲線的特點是同層的高度值為定值，并且逐層計算時，向上疊加的數(shù)值也為定值。使用這種方法遇到模型輪廓斜率較小時，必須采取增加支撐結(jié)構(gòu)的辦法，增加支撐材料勢必會增加材料及打印時間，一部分支撐材料對模型表面質(zhì)量也會產(chǎn)生影響。
[0003]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中在3D打印時的打印軌跡控制方法。如圖1所示，使用現(xiàn)有技術(shù)的打印方法打印圓形封閉曲面時，每層分割相同值ΛΖ，打印模型I就會等分成無數(shù)的等高曲面2。這樣，在圓形的打印模型I的頂部斜率較小的位置，按照ΛΖ分割的相近層3之間的橫向間距分別為xl、x2、x3，且橫向間距隨著斜率的減小而迅速增大。當橫向間距的值大于打印材料的直徑時，層與層之間就不能粘接在一起，造成打印失?。换蛘咴诖颂幭路讲扇≈谓Y(jié)構(gòu)4，這就造成打印材料和打印時間的浪費。
[0004]現(xiàn)階段的FDM (熔融擠壓沉積式)3D打印技術(shù)存在打印速度慢、復雜模型支撐結(jié)構(gòu)多、效率低下等問題，有些斜率變化大的曲面打印精度差甚至不能打印成功，種種問題制約著3D打印技術(shù)的推廣和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種3D打印軌跡控制方法、裝置和3D打印系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中打印速度慢、復雜模型支撐結(jié)構(gòu)多、效率低下等問題。
[0006]作為本發(fā)明的第一方面，提供了一種3D打印軌跡控制方法，包括:獲取待打印模型的三維模型；計算三維模型的外表面輪廓的斜率；設定沿斜率方向的第一上升增量；根據(jù)第一上升增量確定在豎直方向的第二上升增量；根據(jù)第二上升增量控制打印頭的運動軌跡，從而進行打印。
[0007]進一步地，還包括:計算同一層運動軌跡之間的高度差；判斷高度差是否大于第一預定值；在高度差大于第一預定值時，通過進絲調(diào)整策略對運動軌跡進行修正，以使高度差限定在預定的范圍內(nèi)。
[0008]進一步地，進絲調(diào)整策略包括:根據(jù)高度差按比例調(diào)整進絲量。
[0009]進一步地，在高度差小于第一預定值時，繼續(xù)按照第二上升增量控制打印頭的運動軌跡。
[0010]作為本發(fā)明的第二方面，提供了一種3D打印軌跡控制裝置，包括:模型獲取模塊，用于獲取待打印模型的三維模型；斜率計算模塊，用于計算三維模型的外表面輪廓的斜率；斜率增量設定模塊，用于設定沿斜率方向的第一上升增量；豎直增量確定模塊，用于根據(jù)第一上升增量確定在豎直方向的第二上升增量；第一控制模塊，用于根據(jù)第二上升增量控制打印頭的運動軌跡，從而進行打印。
[0011]進一步地，還包括:高度差計算模塊，用于計算同一層運動軌跡之間的高度差；判斷模塊，用于判斷高度差是否大于第一預定值；第二控制模塊，用于在高度差大于第一預定值時，通過進絲調(diào)整策略對運動軌跡進行修正，以使高度差限定在預定的范圍內(nèi)。
[0012]進一步地，還包括:進絲量計算模塊，用于根據(jù)高度差按比例調(diào)整進絲量，從而得到進絲調(diào)整策略。
[0013]進一步地，還包括:第二打印控制模塊，用于在高度差小于第一預定值時，繼續(xù)按照第二上升增量控制打印頭的運動軌跡。
[0014]作為本發(fā)明的第三方面，提供了一種3D打印系統(tǒng)，其特征在于，包括上述的3D打印軌跡控制裝置。
[0015]本發(fā)明在該模型的底部和頂部等斜率不同的地方，在斜率方向上的增量為定，從而使斜率較大的底部位置和斜率較小的頂部位置規(guī)劃的軌跡有明顯差別，即在斜率較小的頂部打印軌跡更加稠密，從而不需要支撐便可打印這些特殊位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有方法打印軌跡示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的打印軌跡示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明在同一層間產(chǎn)生高度差時的打印軌跡示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明3D打印軌跡控制方法的控制流程圖；
[0020]圖5是本發(fā)明中的3D打印軌跡控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明公開了一種基于外輪廓斜率的3D打印方法。該方法主要通過判斷外輪廓斜率，計算每層打印需要升高的高度值，以及每層打印所需的軌跡曲線，每層軌跡可以不在同一高度平面內(nèi)。本發(fā)明方法可在沒有支撐的情況下打印復雜曲面，能夠彌補現(xiàn)階段打印過程中支撐結(jié)構(gòu)多、打印速度慢、效率低等缺陷，推動3D打印在更廣泛領域的應用。特別地，本發(fā)明適用于在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下，打印斜率較小的單層或薄層模型結(jié)構(gòu)，增大了3D打印技術(shù)的使用范圍，提高3D打印效率。
[0022]作為本發(fā)明的第一方面，請參考圖1至圖4，提供了一種3D打印軌跡控制方法，包括:
[0023]模型獲取步驟，獲取待打印模型的三維模型I ;特別地，這里的獲取可以是從外部獲取，也可以是自行構(gòu)建所述的三維模型I。
[0024]斜率計算步驟，計算三維模型I的外表面輪廓的斜率。
[0025]斜率增量設定步驟，設定沿斜率方向的第一上升增量Λ Z1。特別地，這里的第一上升增量ΛΖ1可以是指沿外表面的弧長的增量。其中，ΛΖ1可根據(jù)打印過程中的速度和使用材料的直徑確定。
[0026]豎直增量確定步驟，根據(jù)第一上升增量Λ Zl確定在豎直方向的第二上升增量h。這樣，雖然同層打印軌跡在外輪廓的斜率方向上的上升高速為一定值(即第一上升增量Δ ZI)，但在豎直高度上的數(shù)值不相同。[0027]和第一控制步驟，根據(jù)第二上升增量h控制打印頭的運動軌跡，從而進行打印。
[0028]下面，參考圖2，對上述技術(shù)方案進行示例性說明。
[0029]以圖2所示的實施例中，三維模型I是一種外輪廓規(guī)則的模型，例如，該模型的外輪廓具有中心對稱結(jié)構(gòu)或類似中心對稱結(jié)構(gòu)，如常見的球、圓柱體等形狀。
[0030]當通過本發(fā)明中的方法對該模型的外輪廓的斜率進行計算后，可以設定沿斜率方向的第一上升增量ΛΖ1。在該模型的底部和頂部等斜率不同的地方，在斜率方向上上升的定值都為ΛΖ1，從而使斜率較大的底部位置和斜率較小的頂部位置規(guī)劃的軌跡有明顯差另IJ，即在斜率較小的頂部打印軌跡更加稠密，這樣的好處便是不需要支撐便可打印這些特殊位置。相比之下，如果使用圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)中的打印方法，在該模型的頂部就會出現(xiàn)層與層之間的脫節(jié)，只能采用支撐或者不能打印。
[0031]由于三維模型的外輪廓斜率相差較大，會造成同層的高度值相差較大。為此，優(yōu)選地，還包括:計算同一層運動軌跡之間的高度差；判斷高度差是否大于第一預定值；在高度差大于第一預定值時，通過進絲調(diào)整策略對運動軌跡進行修正，以使高度差限定在預定的范圍內(nèi)。例如，進絲調(diào)整策略可以采用減小進絲量或停止進絲的策略等，以等待高度低的輪廓表面上升。優(yōu)選地，進絲調(diào)整策略包括:根據(jù)高度差按比例調(diào)整進絲量。
[0032]優(yōu)選地，在高度差小于第一預定值時，繼續(xù)按照第二上升增量控制打印頭的運動軌跡。
[0033]在圖3所示的實施例中，三維模型不是外輪廓規(guī)則的模型。如圖3所示，同一高度上外輪廓的斜率相差較大，η層與η+1層斜率有一定差別。那么，根據(jù)本專利圖2所示的基于輪廓斜率的方法計算得到的打印軌跡就如圖3中所示的那樣，同層軌跡并不在同一高度上。
[0034]如圖3所示，在這種情況下，外輪廓的斜率會隨著層數(shù)的增加，同一層的高度差會不斷累積。例如，當?shù)絢層與k+Ι層時，盡管斜率相差不大，但同層的高度差已經(jīng)大于某一定值(即第一預定值)，需要在打印軌跡中增加進絲調(diào)整策略。
[0035]例如，該進絲調(diào)整策略可以是，當打印頭運行到同層高度值較大的位置時，按一定的比例計算減小進絲量或者不進絲。這樣就會調(diào)整打印后期同層打印時造成同層高度差過大的問題，保證最后的打印模型的完整性。
[0036]作為本發(fā)明的第二方面，請參考圖5，提供了一種3D打印軌跡控制裝置，其用于實現(xiàn)上述的3D打印軌跡控制方法。例如，這種3D打印軌跡控制裝置可以通過硬件的方式實現(xiàn)，例如單片機、FPGA、嵌入式處理器、數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)?；旌想娐?、計算機、PLC等。3D打印軌跡控制裝置的與上述3D打印軌跡控制方法在原理上相同或相類似，因此，相同的內(nèi)容在此不再敘述，請參考3D打印軌跡控制方法中的描述。
[0037]該3D打印軌跡控制裝置包括:模型獲取模塊，用于獲取待打印模型的三維模型；斜率計算模塊，用于計算三維模型的外表面輪廓的斜率；斜率增量設定模塊，用于設定沿斜率方向的第一上升增量；豎直增量確定模塊，用于根據(jù)第一上升增量確定在豎直方向的第二上升增量；第一控制模塊，用于根據(jù)第二上升增量控制打印頭的運動軌跡，從而進行打印。
[0038]優(yōu)選地，還包括:高度差計算模塊，用于計算同一層運動軌跡之間的高度差；判斷模塊，用于判斷高度差是否大于第一預定值；第二控制模塊，用于在高度差大于第一預定值時，通過進絲調(diào)整策略對運動軌跡進行修正，以使高度差限定在預定的范圍內(nèi)。
[0039]優(yōu)選地，還包括:進絲量計算模塊，用于根據(jù)高度差按比例調(diào)整進絲量，從而得到進絲調(diào)整策略。
[0040]優(yōu)選地，還包括:第二打印控制模塊，用于在高度差小于第一預定值時，繼續(xù)按照第二上升增量控制打印頭的運動軌跡。
[0041]作為本發(fā)明的第三方面，提供了一種3D打印系統(tǒng)，包括上述的3D打印軌跡控制裝置。
[0042]本發(fā)明主要針對使用ABS等工程塑料的FDM形式3D打印技術(shù)，側(cè)重點在于打印過程中的模型軌跡規(guī)劃技術(shù)。本發(fā)明對打印頭的運動軌跡進行優(yōu)化計算，能夠?qū)崿F(xiàn)模型的快速、高效打印。
[0043]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中3D打印過程中打印效率低、支撐條件多等問題提供了一種行之有效的方法，只要對打印模型的軌跡進行優(yōu)化計算處理，3D打印能夠完成不同模型的快速打印。為節(jié)省材料、不計剛度的情況下，此種打印方法更適合單層或薄層打印，大大的提高了打印速度和效率。
【權(quán)利要求】
1.一種3D打印軌跡控制方法，其特征在于，包括: 獲取待打印模型的三維模型； 計算所述三維模型的外表面輪廓的斜率； 設定沿所述斜率方向的第一上升增量； 根據(jù)所述第一上升增量確定在豎直方向的第二上升增量； 根據(jù)所述第二上升增量控制打印頭的運動軌跡，從而進行打印。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D打印軌跡控制方法，其特征在于，還包括: 計算同一層所述運動軌跡之間的高度差； 判斷所述高度差是否大于第一預定值； 在所述高度差大于所述第一預定值時，通過進絲調(diào)整策略對所述運動軌跡進行修正，以使所述高度差限定在預定的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D打印軌跡控制方法，其特征在于，所述進絲調(diào)整策略包括:根據(jù)所述高度差按比例調(diào)整進絲量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D打印軌跡控制方法，其特征在于，在所述高度差小于所述第一預定值時，繼續(xù)按照所述第二上升增量控制所述打印頭的運動軌跡。
5.一種3D打印軌跡控制裝置，其特征在于，包括: 模型獲取模塊，用于獲取待打印模型的三維模型； 斜率計算模塊，用于計算所述三維模型的外表面輪廓的斜率； 斜率增量設定模塊，用于設定沿所述斜率方向的第一上升增量； 豎直增量確定模塊，用于根據(jù)所述第一上升增量確定在豎直方向的第二上升增量； 第一控制模塊，用于根據(jù)所述第二上升增量控制打印頭的運動軌跡，從而進行打印。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的3D打印軌跡控制裝置，其特征在于，還包括: 高度差計算模塊，用于計算同一層所述運動軌跡之間的高度差； 判斷模塊，用于判斷所述高度差是否大于第一預定值； 第二控制模塊，用于在所述高度差大于所述第一預定值時，通過進絲調(diào)整策略對所述運動軌跡進行修正，以使所述高度差限定在預定的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3D打印軌跡控制裝置，其特征在于，還包括: 進絲量計算模塊，用于根據(jù)所述高度差按比例調(diào)整進絲量，從而得到所述進絲調(diào)整策略。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的3D打印軌跡控制裝置，其特征在于，還包括: 第二打印控制模塊，用于在所述高度差小于所述第一預定值時，繼續(xù)按照所述第二上升增量控制所述打印頭的運動軌跡。
9.一種3D打印系統(tǒng)，其特征在于，包括權(quán)利要求5至8中任一項所述的3D打印軌跡控制裝置。
【文檔編號】B29C67/00GK103895229SQ201410127000
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】孫小勇, 趙永廷, 鄭彬, 段宣明, 范樹遷, 黎靜, 張祺, 宋道磊 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院