本發(fā)明涉及一種基于模型面積變化率的自適應(yīng)分層處理方法，屬于計算機集成制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)，是一種快速成型制造技術(shù)，又叫增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing)，主要是利用塑料絲、金屬粉末、光敏樹脂、細胞等為原材料，通過計算機或者掃描儀獲取三維數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口或者無線等方式傳給3D打印機，3D打印機經(jīng)過高溫融化、激光照射、化學(xué)劑凝固等方式對原材料進行分層加工、層層疊加的方式制造出實體模型。3D打印機又被稱為萬能制造機，《經(jīng)濟學(xué)人》雜志2012年將3D打印技術(shù)稱為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”。目前3D打印技術(shù)已被應(yīng)用到航空航天、建筑、工業(yè)設(shè)計、教育、醫(yī)療、服裝、汽車等各個領(lǐng)域。

3D打印存在多種原理技術(shù)，其中熔融沉積成形技術(shù)由于其簡單方便及相對較低的成本，使得基于熔融沉積成形技術(shù)的3D打印機使用最廣。熔融沉積型(Fused Deposition Modeling)三維打印技術(shù)是3D打印技術(shù)的一種，主要使用ABS、PLA等材料，基本原理，如圖1所示，是加熱噴頭在計算機的控制下，將熱塑性聚合物材料加熱熔化,使其在熔融狀態(tài)下從噴嘴擠出,靠高溫擠出絲材的自粘結(jié)性逐層堆積成形。其打印過程包括以下步驟，如圖2所示，首先使用建模、掃描等方式獲取模型，將模型導(dǎo)入切片軟件；根據(jù)模型形狀，設(shè)置相應(yīng)支撐、填充、打印層高等參數(shù)，對模型進行切片；切片后得到3D打印機可以讀取的gcode文件進行打?。坏玫酱蛴嵨锬Ｐ?，對其進行去支撐、底座，有的需要拋光處理等后期處理而得到最終需要的實體模型。其中切片處理環(huán)節(jié)直接決定了模型的成型時間、所需耗材、成型效果，是打印過程中尤為重要的環(huán)節(jié)。

切片過程即模型切片路徑生成的過程，如圖3所示。目前市場上有多個3D打印切片軟件，其中Cura、Sli3r、Makeware等運用較多，這些軟件的核心技術(shù)都在切片處理模塊，即切片引擎。而目前這些切片軟件都是對模型進行同一層厚的均勻切片，這使得在打印過程中產(chǎn)生了成型速度和成型精度的矛盾，當(dāng)對模型細節(jié)較高，需要打印高精度時，需減小模型層厚的設(shè)置，使得打印的層數(shù)增加，導(dǎo)致模型成型耗時增加；當(dāng)需要快速獲得實體模型時，不得不減少模型的成型時間，減少成型時間即要增大層厚的設(shè)置，使得模型成型后表面粗糙，精度無法保證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種基于模型面積變化率的自適應(yīng)分層處理方法，在保證了模型細節(jié)特征的同時，又提高了模型的成型速度，有效的提高了打印所需時間，還極大的節(jié)省了打印材料。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明的一種基于模型面積變化率的自適應(yīng)分層處理方法，包括以下幾個步驟：

步驟A1：導(dǎo)入STL模型，根據(jù)所述STL模型中三角面片的頂點和面片法矢量信息建立STL模型的拓撲結(jié)構(gòu)；

步驟A2：以打印機能打印的最高精度對所述STL模型進行均勻分層切片，獲得封閉的二維多邊形輪廓層，并求出切片后每層多邊形的面積；

步驟A3：獲取每層多邊形的面積，并對每層多邊形的面積進行求導(dǎo)得出所述STL模型的面積變化率diff_area；

步驟A4：根據(jù)打印機能打印的精度值(一般打印機能打印的精度是高中低三個精度，所以設(shè)置2個閾值，高>Threshold[2]>中>Threshold[1]>低)設(shè)定相應(yīng)面積變化率的閾值為Threshold[i]，將步驟A3中求得的面積變化率diff_area的絕對值與閾值Threshold[i]進行比較，得出所述STL模型沿打印方向的打印精度分布情況；

步驟A5：計算所述STL模型打印所需的分層層厚數(shù)據(jù)，并使用四舍五入法進行處理，生成自適應(yīng)分層層厚數(shù)據(jù)；

步驟A6：切片引擎讀入步驟A5得到的自適應(yīng)分層層厚數(shù)據(jù)，對所述STL模型進行自適應(yīng)層厚切片，從而得到打印所需的gcode文件。

步驟A2中，切片后每層多邊形面積的計算方法如下：

步驟A21：以最高精度對所述STL模型進行均勻分層切片，獲得封閉的二維多邊形輪廓層，設(shè)三角網(wǎng)格曲面為M＝(v_i,v_j,…v_n)，M中的任意頂點為v_i＝(x_i,y_i,z_i)，獲取所述STL模型的成型方向的最大高度為Height，所述STL模型打印的最高精度為PrecisionMax，則所述STL模型需分成的層數(shù)LayerCount＝Height/PrecisionMax，設(shè)LayerZ表示當(dāng)前切面的距離打印平臺的高度；對所述STL模型進行均勻切片，讓Z＝LayerZ平面與各三角面片求交；求得各切面與三角面片的交點后，對每一層構(gòu)建多邊形，得到二維多邊形輪廓層；

步驟A22：根據(jù)得到的二維多邊形輪廓層，對每一層多邊形進行面積計算，求得的面積數(shù)組為area_layers。

步驟A3中，所述面積變化率的計算方法如下：

在matlab中，設(shè)各層面積數(shù)組area_layers為一組輸入信號，為了表示所述STL模型在成型方向上形狀的變化，對輸入信號進行求導(dǎo)運算，即可得到面積變化率diff_area。

步驟A4中，所述STL模型沿打印方向的打印精度分布情況具體通過如下比較規(guī)則得到：

①當(dāng)diff_area＝0時，表示所述STL模型在該對應(yīng)高度處面積并未發(fā)生改變，則表示此部分模型形狀穩(wěn)定，未發(fā)生變化，此時采用低精度(打印機的打印精度在軟件進行切片設(shè)置時一般都是有三種精度：高精度、中精度、低精度)進行打??；

②當(dāng)|diff_area|<＝Threshold時，表示所述STL模型在此處面積發(fā)生了變化，但是面積變化的程度不是非常巨大，此時采用中精度進行打??；

③當(dāng)|diff_area|>Threshold時，表示所述STL模型在此處面積發(fā)生了變化，且面積變化的程度巨大，此時采用高精度進行打印。

步驟A5中，所述自適應(yīng)分層層厚數(shù)據(jù)的生成方法如下：

步驟A51：設(shè)thickness_diff_area[i]為高精度分層下第i層打印所需的層厚，segment_layer_count為第segmentN分割部分的切片層數(shù)，current_layer_count表示已經(jīng)遍歷過的前segmentN-1個部分的總層數(shù)；

步驟A52：讓thickness_diff_area[i]與thickness_diff_area[i-1]進行比較，如果相等，則表示當(dāng)前層與上一層使用同一層厚進行切片，判斷i是否為最后一層，若是，則轉(zhuǎn)向步驟A55，執(zhí)行步驟A55后結(jié)束循環(huán)；若不是，則轉(zhuǎn)向步驟A53；如果不相等，則表示當(dāng)前層與上一層使用不同層厚進行切片，轉(zhuǎn)步驟A54；

步驟A53：繼續(xù)讀取thickness_diff_area[i+1]，此時i＝i+1，轉(zhuǎn)向步驟A52；

步驟A54：第segmentN分割部分以精度PrecisionMax切片的總層數(shù)segmentN_heigh應(yīng)為當(dāng)前層數(shù)減去前segmentN-1個部分的總層數(shù)，即segmentN_heigh＝i-current_layer_count，則第segmentN分割部分的切片層數(shù)

segment_layer_count＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)/thickness_diff_area[i-1]，其中，PrecisionMax表示精度為PrecisionMax，

segmentN_heigh表示以精度PrecisionMax切片的總層數(shù)，轉(zhuǎn)步驟A55；

步驟A55：當(dāng)前第segmentN分割部分并不能正好被設(shè)置的層厚值剛好平分，所以在求第segmentN分割部分的切片層數(shù)

segment_layer_count時可能會有余數(shù)remainder存在，求得：

remainder＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)-thickness_diff_area[i-1]*segment_layer_count；

測試時使用了三種精度作為自適應(yīng)切片的分層參考，設(shè)三種精度為H>M>L，對余數(shù)進行處理有如下規(guī)則：

①如果remainder>(H-M)/2，則對第segmentN分割部分添加一層H精度的層；

②如果remainder>(M-L)/2，則對第segmentN分割部分添加一層L精度的層；

③如果remainder>L/2，說明余數(shù)很小，可直接舍棄；

令segmentN＝segmentN+1，接著遍歷下一層，并轉(zhuǎn)步驟A52；

步驟A56：設(shè)thickness_distribute為自適應(yīng)分層層厚數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟A54和步驟A55得到各分割部分的自適應(yīng)分層層數(shù)及精度，將其存入數(shù)組thickness_distribute，并將其寫入到test.txt中。

讀入test.txt，將其作為所述STL模型切片時的層厚數(shù)據(jù)，執(zhí)行切片引擎進行切片，得到自適應(yīng)切片生成的gcode文件，該gcode文件可導(dǎo)入3D打印機中進行打印。

本發(fā)明通過對模型在成型方向上面積的變化來反應(yīng)模型的形狀的變化，根據(jù)面積變化率的大小來確定模型在該處需要打印的層厚值，有效的解決了3D打印時模型成型精度與速度的問題，即精度高則速度慢，而速度快則精度低的問題，本發(fā)明設(shè)計的方法在保證了模型細節(jié)特征的同時，又提高了模型的成型速度，有效的提高了打印所需時間，還極大的節(jié)省了打印材料。

附圖說明

圖1是FDM技術(shù)的打印原理(圖中，1-1表示熱熔材料，1-2表示噴頭，1-3表示可移動平臺)；

圖2是FDM技術(shù)的打印過程；

圖3是切片路徑生成的過程；

圖4是本實施例中的模型；

圖5是本實施例的面積曲線；

圖6是本實施例的面積變化率曲線；

圖7是本實施例的打印精度分布情況；

圖8是模型分層層厚的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

圖9是邊界余數(shù)處理方法圖；

圖10是本實施例的自適應(yīng)分層后得到的gcode文件。

具體實施方式

為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。

參見圖4，實施步驟如下：A1：通過建模、掃描等方式獲取一個stl格式的三維模型，獲取模型的三角面片的頂點和面片法矢量信息，建立其拓撲結(jié)構(gòu)。

A2：以最高精度對模型進行無填充、無支撐、無偏置的均勻分層切片，獲得封閉二維多邊形輪廓層，并求出切片后每層多邊形的面積，如圖5所示為本實施例模型的面積曲線。

A3：獲取每層多邊形的面積，并對其求導(dǎo)得出模型的面積變化率，如圖6所示為本實施例模型的面積變化率曲線。

A4：根據(jù)模型的面積變化率與打印精度的關(guān)系，設(shè)定面積變化率的閾值，將面積變化率與閾值進行比較，得出模型沿打印方向的打印精度分布情況，如圖7所示。

A5：計算得出模型打印所需的分層層厚數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖8所示，具體執(zhí)行過程如下：

A51：設(shè)thickness_diff_area[i]為高精度分層下第i層打印所需的層厚，segment_layer_count為第segmentN分割部分的切片層數(shù)，current_layer_count表示已經(jīng)遍歷過的前segmentN-1個部分的總層數(shù)。

A52：讓thickness_diff_area[i]與thickness_diff_area[i-1]進行比較，如果相等，則表示當(dāng)前層與上一層使用同一層厚進行切片，判斷i是否為最后一層，若是，則轉(zhuǎn)步驟A55，執(zhí)行步驟A55后結(jié)束循環(huán)；若不是，則轉(zhuǎn)步驟步驟A53。如果不相等，則表示當(dāng)前層與上一層使用不同層厚進行切片，轉(zhuǎn)步驟A54。

A53：繼續(xù)讀取thickness_diff_area[i+1]，轉(zhuǎn)步驟A52。

A54：第segmentN分割部分以高精度PrecisionMax切片的總層數(shù)segmentN_heigh應(yīng)為當(dāng)前層數(shù)減去前segmentN-1個部分的總層數(shù)，即segmentN_heigh＝i-current_layer_count，則第segmentN分割部分的切片層數(shù)segment_layer_count＝(segmentN_heigh*PrecisionMax)/thickness_diff_area[i-1]，轉(zhuǎn)步驟A55；

A55：使用四舍五入的方法對精度分界處進行處理，如圖9所示，處理規(guī)則如下：

本方法測試時使用了三種精度作為自適應(yīng)切片的分層參考，設(shè)三種精度為H>M>L，對余數(shù)進行處理有如下規(guī)則：

①如果remainder>(H-M)/2，則對第segmentN分割部分添加一層H精度的層；

②如果remainder>(M-L)/2，則對第segmentN分割部分添加一層L精度的層；

③如果remainder>L/2，說明余數(shù)很小，可直接舍棄。

A56：生成自適應(yīng)分層層厚數(shù)據(jù)：根據(jù)步驟A54和步驟A55得到各分割部分的自適應(yīng)分層層數(shù)及精度，將其存入數(shù)組thickness_distribute，并將其寫入到test.txt中。

A6：切片引擎讀入分層層厚數(shù)據(jù)，對模型進行自適應(yīng)層厚切片，得到打印所需的gcode文件，如圖10所示本實施例的自適應(yīng)分層后得到的gcode文件，該文件可導(dǎo)入3D打印機中進行打印。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。