本發(fā)明涉及3d打印技術(shù)優(yōu)化方法領(lǐng)域，尤其涉及一種面向3d打印的內(nèi)部填充優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

3d打印技術(shù)是直接利用模型的數(shù)字文件通過(guò)逐層疊加的方式來(lái)構(gòu)造實(shí)體的技術(shù)，可采用的材料包括多種粉末狀金屬與高分子材料。由于徹底改變了加工成形模式，3d打印技術(shù)可以用來(lái)加工傳統(tǒng)減材或等材加工方法難以制造的零件，可以提高加工零件的復(fù)雜性。此外，3d打印技術(shù)簡(jiǎn)化了加工流程，可由數(shù)字化文件直接驅(qū)動(dòng)加工，大大降低了單件試制、小批量個(gè)性化定制產(chǎn)品的生產(chǎn)周期與成本。憑借這些優(yōu)勢(shì)，3d打印技術(shù)已經(jīng)在建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)療輔助、工業(yè)模型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、零配件、動(dòng)漫模型等領(lǐng)域都已經(jīng)有了一定程度的應(yīng)用。

在3d打印之前需要對(duì)數(shù)字化三維模型進(jìn)行一些處理，包括模型的優(yōu)化、切片以及路徑生成幾個(gè)主要步驟，這些步驟完成從數(shù)字化模型到打印機(jī)可讀取代碼之間的轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)加工方法的一個(gè)區(qū)別是在模型的處理過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)整一些工藝參數(shù)來(lái)改變模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提供更高的設(shè)計(jì)靈活性與性能提升空間。同時(shí)對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化可以提高成形效率與成形件的質(zhì)量。

雖然3d打印技術(shù)帶來(lái)了諸多傳統(tǒng)加工方法所沒(méi)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但也存在著一些問(wèn)題，比如成形件的力學(xué)性能、表面質(zhì)量仍然無(wú)法與傳統(tǒng)制造方法相媲美，因此目前3d打印技術(shù)存在著一些需要改進(jìn)與解決的問(wèn)題。其中一個(gè)棘手的問(wèn)題就是加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別是在處理大體積的實(shí)體零件時(shí)，填充內(nèi)部空間不僅需要花費(fèi)了很長(zhǎng)的加工時(shí)間，而且消耗了大部分的成形材料，因此可以考慮通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)減少內(nèi)部填充的體積。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在保證待成形工件的最小壁厚要求的基礎(chǔ)上，利用最小成形傾斜角優(yōu)化待成形工件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)減少待成形工件的內(nèi)部填充體積、節(jié)約成形材料的面向3d打印的內(nèi)部填充優(yōu)化方法。

一種面向3d打印的內(nèi)部填充優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟1：輸入待成形件模型和待成形件的最小壁厚t，確定待加工實(shí)體的成形方位與切片層厚t；

步驟2：獲取待成形件的最小成形傾斜角θ，其中t為切片層厚，l為上層相對(duì)下層能成形的最長(zhǎng)突出部分的長(zhǎng)度；

步驟3：根據(jù)切片層厚t對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行切片，切片層的總數(shù)為其中h為待成形件模型的高度，表示h/t取整；獲得二維切片集合；

步驟4：按照從上到下的順序依次根據(jù)各切片層的輸入輪廓ci獲得對(duì)應(yīng)的內(nèi)輪廓ci-in：

步驟4-1：獲取第i層切片層作為當(dāng)前切片層判斷i是否滿足或者若是，則將當(dāng)前切片層的偏移輪廓ci-offset和內(nèi)輪廓ci-in分別置為空，結(jié)束步驟4；若否，則提取當(dāng)前切片層的輸入輪廓ci，進(jìn)入步驟4-2；

步驟4-2：從第層到第層依次將各切片層的輸入輪廓ci向內(nèi)偏移距離t、生成偏置輪廓ci-offset，其中ci表示第i個(gè)切片層的輸入輪廓，ci-offset表示第i個(gè)切片層的偏置輪廓，h表示待成形件模型的高度，t表示最小壁厚，t表示切片層厚；

步驟4-3：獲取當(dāng)前切片層的影響層集合

{ci-[t/t],ci-[t/t]+1,…,ci,…ci+[t/t]-1,ci+[t/t]}，其中ci表示第i層切片層的輸入輪廓；獲取影響層的偏置輪廓集合

{c(i-[t/t])offset,c(i-[t/t]+1)offset,…,ci-offset,…c(i+[t/t]-1)offset,c(i+[t/t])offset}，其中，c(i-[t/t])offset表示第i-t/t層切片層的偏置輪廓，以此類推；將所有影響層的偏置輪廓定義的區(qū)域進(jìn)行布爾運(yùn)算，求得的交集區(qū)域的輪廓即作為當(dāng)前切片層的第一內(nèi)輪廓ci-in1；

步驟4-4：根據(jù)最小成形傾斜角θ生成具有自支撐能力的第二內(nèi)部輪廓ci-in2：判斷當(dāng)前切片層的第一內(nèi)輪廓ci-in1是否為空，若是則結(jié)束步驟4-4，若否，則判斷當(dāng)前切片層的上一層切片層的內(nèi)輪廓c(i-1)-in是否為空，若是，則將第一內(nèi)輪廓ci-in1向內(nèi)迭代偏置，偏置距離為t×cotθ，迭代的終止條件為偏置得到的多邊形的內(nèi)切圓半徑小于t×cotθ，將該偏置得到的多邊形作為當(dāng)前切片層的第二內(nèi)部輪廓ci-in2；若否，則將上一層切片層的內(nèi)輪廓c(i-1)-in向內(nèi)偏置，偏置距離為t×cotθ，將偏置得到的輪廓投影到當(dāng)前切片層，投影得到的輪廓作為當(dāng)前切片層的第二內(nèi)部輪廓ci-in2；

步驟4-5：將第一內(nèi)部輪廓ci-in1和第二內(nèi)部輪廓ci-in2進(jìn)行布爾交運(yùn)算獲得內(nèi)輪廓ci-in，

步驟4-6：對(duì)輸入輪廓ci和內(nèi)輪廓ci-in做布爾差集運(yùn)算獲得當(dāng)前切片層的填充區(qū)域；

步驟4-7：獲取第i+1個(gè)切片層作為當(dāng)前切片層，重復(fù)步驟4-1到步驟4-7；

步驟5：所有切片層的填充區(qū)域依次序共同組成填充路徑，將填充路徑輸出為3d打印路徑文件。

進(jìn)一步，步驟4-6中，獲得當(dāng)前切片層的填充區(qū)域后，判斷當(dāng)前切片層的填充區(qū)域是否具有厚度小于最小壁厚t的部位，若有，則修正和調(diào)整內(nèi)輪廓ci-in使填充區(qū)域的所有部位的厚度均大于t，以修正和調(diào)整后的內(nèi)輪廓作為當(dāng)前內(nèi)輪廓；將當(dāng)前內(nèi)輪廓與輸入輪廓做布爾差集運(yùn)算、獲得的結(jié)果作為當(dāng)前切片層的填充區(qū)域。

進(jìn)一步，步驟4-6中，對(duì)內(nèi)輪廓進(jìn)行修正與調(diào)整的具體方法是：

步驟4-6-1：判斷當(dāng)前切片層的待填充區(qū)域是否由一條封閉的內(nèi)輪廓定義，若是，則進(jìn)入步驟步驟4-6-2；若否，則認(rèn)為該待填充區(qū)域由一條以上的內(nèi)輪廓定義，進(jìn)入步驟4-6-3；

步驟4-6-2：將內(nèi)輪廓向外迭代偏置，偏置距離為小于t的常量，迭代終止條件為：該待填充區(qū)域的內(nèi)切圓半徑大于t；迭代完成后的內(nèi)輪廓即為修正與調(diào)整后的內(nèi)輪廓ci-in；

步驟4-6-3：生成待填充區(qū)域的中線輪廓，中線輪廓由待填充區(qū)域的中線簇形成，中線簇由輸入輪廓和內(nèi)輪廓之間的中線組成，中線上的任意一點(diǎn)均為輸入輪廓與內(nèi)輪廓的中間點(diǎn)、或者內(nèi)輪廓與內(nèi)輪廓的中間點(diǎn)；以t/2為半徑的圓生成包絡(luò)線，包絡(luò)線與輸入輪廓內(nèi)切，待填充區(qū)域的僅由內(nèi)輪廓定義的部分、以中線上的點(diǎn)作為包絡(luò)線的圓心，將待填充區(qū)域與包絡(luò)線覆蓋的區(qū)域做布爾加運(yùn)算、求得的區(qū)域的內(nèi)輪廓即修正后的內(nèi)輪廓ci-in。

本發(fā)明使用最小壁厚和最小成形傾斜角計(jì)算出內(nèi)輪廓，將內(nèi)輪廓和輸入輪廓圍成的區(qū)域作為待填充區(qū)域，內(nèi)輪廓內(nèi)部的區(qū)域無(wú)需填充，而非如現(xiàn)有技術(shù)中有輸入輪廓定義的區(qū)域作為待填充區(qū)域，使用最小壁厚和最小成形傾斜角參與計(jì)算待填充區(qū)域，使得待填充區(qū)域既能夠被順利加工，也能夠充分發(fā)揮材料的自支撐能力，在保證了工件的可成形性。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：以輸入輪廓與內(nèi)輪廓定義的區(qū)域作為切片層的填充區(qū)域，在保證了可成形性的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)體模型的內(nèi)部填充區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，減少了工件的內(nèi)部填充體積，提高了成形效率、減少了成形材料的耗費(fèi)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

圖2為最小成形傾斜角示意圖，(a)是切片后的倒金字塔形模型，(b)是最小成形傾斜角。

圖3生成第一內(nèi)輪廓ci的流程示意圖。

圖4為生成第二內(nèi)輪廓ci2的流程示意圖。

圖5是生成第二內(nèi)輪廓的示意圖，(a)是將當(dāng)前切片層的第一內(nèi)輪廓向內(nèi)迭代偏置一次的示意圖，(b)是將上一切片層的內(nèi)輪廓向內(nèi)偏置投影的示意圖。

(a)-圖5(b)為本發(fā)明生成ci2的兩種情況示意圖；

圖6為一個(gè)實(shí)施例模型以及進(jìn)行內(nèi)部?jī)?yōu)化后的結(jié)果示意圖，(a)是實(shí)施例使用的待成形件模型，(b)是待成形件模型切片后的示意圖，(c)是使用本發(fā)明優(yōu)化后的待成形件模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；(d)是(c)的一個(gè)縱截面示意圖。

圖7是實(shí)施例模型的填充路徑示意圖，(a)是未使用本發(fā)明優(yōu)化的填充路徑示意圖，(b)是使用本發(fā)明優(yōu)化后的填充路徑示意圖。

圖8是一條以上內(nèi)輪廓定義的填充區(qū)域由包絡(luò)線進(jìn)行修整的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，以下實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本方明的限定。

圖1所示為本發(fā)明面向3d打印技術(shù)的內(nèi)部填充優(yōu)化方法的流程圖。以附圖6(a)中的模型為例，來(lái)闡明內(nèi)部填充優(yōu)化方法。

步驟1：輸入待成形件模型和待成形件的最小壁厚t，確定待加工實(shí)體的成形方位與切片層厚t；成形方位如圖6(a)所示，層厚設(shè)定為0.2mm；

步驟2：獲取待成形件的最小成形傾斜角θ，其中t為切片層厚，l為上層相對(duì)下層能成形的最長(zhǎng)突出部分的長(zhǎng)度，如圖2(b)所示；

最小成形傾斜角θ是在不添加支撐結(jié)構(gòu)的前提下，使用具體的3d打印工藝與材料加工的結(jié)構(gòu)中傾斜面與水平面的最小夾角。如圖2(a)所示的一個(gè)倒立金字塔模型。待成形件的最小壁厚t是對(duì)模型內(nèi)部填充進(jìn)行優(yōu)化之后，壁厚在強(qiáng)度要求允許下的最小值，在實(shí)施例定為5mm。

步驟3：對(duì)待成形件模型進(jìn)行切片，獲得二維切片集合；根據(jù)步驟1設(shè)定的層厚t對(duì)模型進(jìn)行切片，利用一組間隔為t的相互平行的平面集合與模型相交，輸出相交的二維輪廓集合，最頂部層片編號(hào)為1，越往下編號(hào)逐漸增加，最底層編號(hào)為[h/t],其中h為模型的高度，[]為取整符號(hào)。本例中模型高度70mm，切片后一共有350層，故最底層編號(hào)為350。

步驟4：按照從上到下的順序依次根據(jù)各層的輸入輪廓ci獲得內(nèi)輪廓ci-in，具體步驟如圖3所示，闡述如下；

步驟4-1：確定當(dāng)前層片ci所處的位置，判斷是否滿足以下兩式

其中，[t/t]為10，[h/t]為350。通過(guò)判斷i的值進(jìn)行如下處理

如果判斷結(jié)果為是，則表明第i層處于模型頂部或底部，為了滿足最小壁厚值，這些層需要實(shí)體填充而不可以進(jìn)行優(yōu)化。則該層的偏移輪廓ci-offset與內(nèi)輪廓ci-in均為空，結(jié)束步驟4。如果判斷結(jié)果為否，進(jìn)入步驟4-2；

步驟4-2：從第層到第層依次將各切片層的輸入輪廓ci向內(nèi)偏移距離t、生成偏置輪廓ci-offset，其中ci表示第i個(gè)切片層的輸入輪廓，ci-offset表示第i個(gè)切片層的偏置輪廓，h表示待成形件模型的高度，t表示最小壁厚，t表示切片層厚；

步驟4-3：根據(jù)壁厚要求t生成內(nèi)輪廓ci-in1，具體步驟如下；

步驟4-3-1：確定第i層的影響層集合；影響層集合由正下方與正上方若干連續(xù)層片組成，影響層集合為{ci-[t/t],ci-[t/t]+1...ci...ci+[t/t]-1,ci+[t/t]},一共有2[t/t]+1層，本實(shí)施例中由于[t/t]＝10，則影響層集合為{ci-10,ci-9...ci...ci+9,ci+10}，一共有21層。

步驟4-3-2：對(duì)所有影響層的偏置輪廓ci-offset定義的區(qū)域進(jìn)行布爾運(yùn)算，求得交集區(qū)域的輪廓即為該層的內(nèi)輪廓ci-in1；

步驟4-4：根據(jù)最小成形傾斜角θ生成內(nèi)輪廓ci-in2，具體步驟如圖4所示，具體闡述如下：

步驟4-4-1：判斷當(dāng)前層的內(nèi)輪廓ci-in1是否為空，如果判斷結(jié)果為是，則結(jié)束步驟4-4；如果判斷結(jié)果為否，進(jìn)入步驟4-4-2；

步驟4-4-2：判斷當(dāng)前層的上方層c(i-1)-in是否為空，如果判斷結(jié)果為是，則進(jìn)入步驟4-4-3；如果判斷結(jié)果為否，進(jìn)入步驟4-4-4；

步驟4-4-3：將內(nèi)輪廓ci-in1向內(nèi)迭代偏置，偏置距離為t×cotθ，其中t為切片層厚，θ為可成形最小傾斜角，迭代的終止條件是偏置得到多邊形內(nèi)切圓的半徑小于t×cotθ；將該偏置輪廓作為第i層的內(nèi)輪廓ci-in2。具體如圖5(a)所示；

步驟4-4-4：將輪廓c(i-1)-in向內(nèi)偏置，偏置距離為t×cotθ，然后將其投影至第i層，得到第i層的內(nèi)輪廓ci-in2。具體如圖5(b)所示；

步驟4-5：將ci-in1與ci-in2進(jìn)行布爾交運(yùn)算獲得內(nèi)輪廓ci-in；

步驟4-6：對(duì)ci與ci-in進(jìn)行布爾差集運(yùn)算獲得當(dāng)前層的填充區(qū)域，判斷當(dāng)前切片層的填充區(qū)域是否具有厚度小于最小壁厚t的部位，若有，則修正和調(diào)整內(nèi)輪廓ci-in使填充區(qū)域的所有部位的厚度均大于t，以修正和調(diào)整后的內(nèi)輪廓作為當(dāng)前內(nèi)輪廓；將當(dāng)前內(nèi)輪廓與輸入輪廓做布爾差集運(yùn)算、獲得的結(jié)果作為當(dāng)前切片層的填充區(qū)域。

對(duì)內(nèi)輪廓進(jìn)行修正與調(diào)整，具體方法如下：

步驟4-6-1：如果待填充區(qū)域中出現(xiàn)厚度小于t的區(qū)域，對(duì)該厚度小于t的區(qū)域進(jìn)行判斷，如果該厚度小于t的區(qū)域由一條封閉的內(nèi)輪廓定義，則進(jìn)入步驟步驟4-6-2；如果該厚度小于t的區(qū)域由一條以上的內(nèi)輪廓定義，則進(jìn)入步驟4-6-3；

步驟4-6-2：將該厚度小于t的區(qū)域向外迭代偏置，直至其內(nèi)切圓半徑大于t為止；

步驟4-6-3：生成待填充區(qū)域a的中線輪廓cz，中線輪廓cz由待填充區(qū)域a的中線簇形成，中線簇由輸入輪廓ci和內(nèi)輪廓ci-in之間的中線組成，中線上的任意一點(diǎn)均為輸入輪廓ci與內(nèi)輪廓ci-in的中間點(diǎn)、或者內(nèi)輪廓ci-in與內(nèi)輪廓ci-in的中間點(diǎn)；以t/2為半徑的圓r生成包絡(luò)線，包絡(luò)線與輸入輪廓ci內(nèi)切，待填充區(qū)域a的僅由內(nèi)輪廓ci-in定義的部分、以中線上的點(diǎn)作為包絡(luò)線的圓心，將待填充區(qū)域a與包絡(luò)線覆蓋的區(qū)域做布爾加運(yùn)算、求得的區(qū)域的內(nèi)輪廓即修正后的內(nèi)輪廓ci-in，如圖8所示。

步驟5：所有切片層的填充區(qū)域依次序共同組成填充路徑，將填充路徑輸出為3d打印路徑文件。內(nèi)部?jī)?yōu)化后的結(jié)果如圖6(c)和圖6(d)所示，圖6(d)為圖(c)的一個(gè)截面，生成的填充路徑如圖7所示，其中圖7(b)為采用本發(fā)明提出的優(yōu)化方法后的填充路徑，圖7(a)為未采用本發(fā)明優(yōu)化后生成的填充路徑。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明還可以有各種更改和變化。在不脫離本發(fā)明原理的前提下，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。