本發(fā)明涉及3d打印，尤其是涉及基于fdm打印的懸空表面無支撐高質(zhì)量的打印路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、fdm打印技術(shù)，即熔融沉積建模（fused?deposition?modeling），是3d打印中最常用且廣泛應(yīng)用的技術(shù)之一。其原理是通過加熱噴嘴將熱塑性材料熔化，然后按照計(jì)算機(jī)文件設(shè)定的路徑和擠出量，將材料逐層或沿特定路徑沉積，最終形成三維物體。通過控制機(jī)器軸的運(yùn)動，fdm可以制造出復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，在3d打印切片軟件中打印懸空結(jié)構(gòu)，通常需要增加支撐或?qū)⒛Ｐ偷膽铱詹糠终{(diào)整為漸變懸挑表面。增加支撐會導(dǎo)致材料浪費(fèi)、表面缺陷、打印時間延長等問題。并且，由于噴嘴頻繁回抽和跨越模型，增加了失敗的可能性。而調(diào)整模型會在大懸空面積或大懸挑角度時，顯著改變原始設(shè)計(jì)，難以滿足設(shè)計(jì)需求。

3、此外，對于頂蓋幾何結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的逐層打印方法難以應(yīng)對小曲率或平面頂蓋的情況，導(dǎo)致材料無法有效堆積或?qū)娱g粘接不良，進(jìn)而影響表面質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供基于fdm打印的懸空表面無支撐高質(zhì)量的打印路徑規(guī)劃方法，通過一條連續(xù)擠出的路徑實(shí)現(xiàn)高效、表面質(zhì)量高、無支撐的懸空表面的制造，有效減少材料的損耗、瑕疵的產(chǎn)生以及打印失敗的概率，通過參數(shù)化的自動控制機(jī)器參數(shù)與擠出路徑，以簡單的打印形式降低制作難度、時間與經(jīng)濟(jì)成本。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了基于fdm打印的懸空表面無支撐高質(zhì)量的打印路徑規(guī)劃方法，包括以下步驟：

3、s1、表面預(yù)處理：幾何性質(zhì)分類與基準(zhǔn)參照方法使用判定；

4、s2、確定基準(zhǔn)參照：確定表面內(nèi)路徑規(guī)劃的基準(zhǔn)參照；

5、s3、表面轉(zhuǎn)換曲線：得到初始路徑曲線；

6、s4、曲線銜接：將多條初始路徑轉(zhuǎn)換一條連續(xù)路徑；

7、s5、路徑優(yōu)化；

8、s6、打印程序生成：自編g-code文件的制作與打印數(shù)據(jù)的參數(shù)化。

9、優(yōu)選的，s1包括以下步驟：

10、s11、算法端輸入懸空表面幾何體；

11、s12、識別幾何體屬性是否為mesh或nurbs，若不是，則根據(jù)rhino-common的api將懸空表面幾何體的屬性轉(zhuǎn)換為nurbs或mesh；

12、s13、檢查懸空表面幾何體表面的完整性，即是否存在破面或殘缺，若是，則對表面修補(bǔ)完整；

13、s14、根據(jù)懸空表面幾何體的特征與表面幾何屬性選擇基準(zhǔn)參照所選定的子程序方法，具體為：

14、判斷幾何表面的裸露邊界數(shù)量是否大于等于3條，若是，則判斷幾何表面的外輪廓邊是否為四條邊界且?guī)缀误w屬性為nurbs曲面；若否，則判斷幾何體屬性是否為nurbs曲面；

15、若幾何表面的外輪廓邊為四條邊界且為nurbs曲面，則采用子程序方法s2-1，否則采用子程序方法s2-2；

16、若幾何表面的裸露邊界數(shù)量小于3且?guī)缀误w屬性為nurbs曲面，則采用子程序方法，s2-3，否則采用子程序方法s2-4。

17、優(yōu)選的，所述子程序方法s2-1具體為：以uv區(qū)間作為四邊nurbs基準(zhǔn)參照；

18、所述子程序方法s2-2具體為：以外輪廓線作為各式nurbs基準(zhǔn)參照；

19、所述子程序方法s2-3具體為：以nurbs表面isocurve結(jié)構(gòu)線作為基準(zhǔn)參照；

20、所述子程序方法s2-4具體為：以mesh表面weft經(jīng)緯線作為基準(zhǔn)參照。

21、優(yōu)選的，所述子程序方法s2-1具體包括以下步驟：

22、s2-11、判斷nurbs曲面是否剪裁，若是，則將已裁剪的nurbs曲面拓?fù)溥€原成未裁剪曲面狀態(tài)并復(fù)制記錄已裁剪nurbs曲面的邊界uv值，隨后獲取未裁剪曲面的uv區(qū)間（u0，u1）、（v0，v1）；若否，則直接獲取未裁剪曲面的uv區(qū)間（u0，u1）、（v0，v1）；

23、s2-12、根據(jù)uv區(qū)間值將該未裁剪曲面展平為長度為u1-u0，寬度為v1-v0的二維平面矩形形狀；

24、s2-13、以s2-12得到的二維平面矩形的邊界作為基準(zhǔn)參照；

25、所述子程序方法s2-2具體包括以下步驟：

26、s2-21、獲取非四邊nurbs曲面的所有外輪廓邊；

27、s2-22、將所有輪廓邊組合連接成閉合曲線，作為基準(zhǔn)參照；

28、所述子程序方法s2-3具體包括以下步驟：

29、s2-31、重設(shè)nurbs表面結(jié)構(gòu)線isocurve的u方向與v方向，即設(shè)與xy平面不相交的閉合線為u方向，而表面結(jié)構(gòu)線延長后與xy平面相交的為v方向；

30、s2-32、提取nurbs表面(u0，v0)、(u1，v0)、(u0，v1)與(u1，v1)四條結(jié)構(gòu)曲線作為基準(zhǔn)參照；

31、所述子程序方法s2-4具體包括以下步驟：

32、s2-41、判斷懸空表面幾何體的幾何表面是否為四邊網(wǎng)格mesh，若是，則根據(jù)weft提取網(wǎng)格表面所有線段并按經(jīng)緯方向各自組合；若否，則將幾何表面進(jìn)行四邊網(wǎng)格式的重建；

33、s2-42、設(shè)與xy平面不相交的閉合線為u方向緯線，而線延長后與xy平面相交的為v方向經(jīng)線；

34、s2-43、提取mesh表面(u0，v0)、(u1，v0)、(u1，v0)與(u1，v1)四條經(jīng)緯多段線作為基準(zhǔn)參照。

35、優(yōu)選的，s3具體為獲取多圈初始四邊偏移曲線，其具體包括以下步驟：

36、s3-11、根據(jù)s2-13獲取的邊界得到矩形的最短邊界段長度l1；

37、s3-12、根據(jù)打印機(jī)配置設(shè)定打印線寬w1，根據(jù)長度l1與w1計(jì)算初始路徑曲線需要打印floor(n1=l1/2/w1)圈；

38、s3-13、將矩形邊界偏移n1圈曲線作為初始路徑曲線；

39、s4具體為處理多圈四邊偏移曲線后連成一條連續(xù)曲線，其具體包括以下步驟：

40、s4-11、獲取s3-13的多圈平面偏移四邊閉合曲線；

41、s4-12、每圈曲線的四個邊中任取兩個相鄰邊；

42、s4-13、根據(jù)s3-12設(shè)定的打印線寬w1，按照g0曲率分別延長和縮短兩個相鄰邊w1長度；

43、s4-14、將所有處理完成的曲線首尾相連成一條連續(xù)曲線，并作為用于優(yōu)化的初始連續(xù)路徑；

44、s5具體為優(yōu)化由多圈二維平面的等距偏移線構(gòu)成的初始連續(xù)路徑，其具體包括以下步驟：

45、s5-11、獲取二維平面內(nèi)的s4-14中生成的一條連續(xù)曲線；

46、s5-12、分析曲線的曲率后根據(jù)g0不連續(xù)性提取不連續(xù)點(diǎn)位；

47、s5-13、在若干個不連續(xù)點(diǎn)位處創(chuàng)建半徑為r1的球體；

48、s5-14、將球體與連續(xù)曲線相交并求連續(xù)曲線對若干球體的布爾運(yùn)算差集；

49、s5-15、設(shè)定一個圓弧擬合混接的凸起值b1并將布爾運(yùn)算后斷開的曲線首尾之間用圓弧擬合的方式混接成一條曲線；

50、s5-16、根據(jù)該連續(xù)曲線在二維平面形狀內(nèi)的uv值拓?fù)溆成浠貛缀伪砻嫔希?/p>

51、s5-17、得到一條在四邊幾何表面上的優(yōu)化過后的連續(xù)路徑曲線。

52、優(yōu)選的，s3具體為獲取多圈初始多邊偏移曲線，其具體包括以下步驟：

53、s3-21、將s2-22獲取的閉合曲線，根據(jù)g0不連續(xù)性拆分成若干段輪廓邊；

54、s3-22、采用平均法計(jì)算幾何表面的各個網(wǎng)格頂點(diǎn)的坐標(biāo)值，求得幾何表面的中心點(diǎn)c2；

55、s3-23、計(jì)算中心點(diǎn)c2與各輪廓邊的測地距離d0，d1......di；

56、s3-24、比較s3-23得到的測地距離并得到最短測地距離di；

57、s3-25、根據(jù)打印機(jī)配置設(shè)定打印線寬w2，根據(jù)最短測地距離di與打印線寬w2計(jì)算出初始路徑曲線需要打印(n2=di/2/w2)圈；

58、s3-26、將作為基準(zhǔn)參照的輪廓邊在幾何表面上偏移成n2圈曲線，作為初始路徑曲線；

59、s4具體為處理多圈多邊偏移曲線后連成一條連續(xù)曲線，其具體包括以下步驟：

60、s4-21、獲取s3-26的多圈偏移的閉合曲線；

61、s4-22、每圈曲線任取兩個相鄰邊；

62、s4-23、根據(jù)s3-25設(shè)定的打印線寬w2，延兩鄰邊的端點(diǎn)切向量，分別延長和縮短兩個相鄰邊w2長度的測地距離至相應(yīng)的點(diǎn)位；

63、s4-24、重建s4-23已調(diào)整長度的曲線；

64、s4-25、將所有處理完成的曲線首尾相連成一條連續(xù)曲線，作為用于優(yōu)化的初始連續(xù)路徑；

65、s5具體為優(yōu)化由多圈沿幾何表面的等距偏移線構(gòu)成的初始連續(xù)路徑，其具體包括以下步驟：

66、s5-21，獲取幾何表面中s4-25生成的連續(xù)曲線并分析曲率變化；

67、s5-22、在g0至g3間選定曲率連續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)；

68、s5-23、根據(jù)選定的曲線不連續(xù)性在幾何表面上提取gn不連續(xù)點(diǎn)位；

69、s5-24、分析若干不連續(xù)點(diǎn)位在連續(xù)曲線上的參數(shù)位置；

70、s5-25、依據(jù)若干點(diǎn)位的參數(shù)位置在對應(yīng)點(diǎn)位處創(chuàng)建相對半徑的球體；

71、s5-26、將若干球體與連續(xù)曲線相交并求曲線對若干球體的布爾運(yùn)算差集；

72、s5-27、根據(jù)設(shè)定相對擬合凸起值b2，將斷開的曲線首尾之間根據(jù)凸起值b2進(jìn)行相對圓弧擬合混接；

73、s5-28、混接部分曲線映射至幾何表面上；

74、s5-29、將斷開的曲線與圓弧擬合混接的曲線組合成一條連續(xù)路徑曲線。

75、優(yōu)選的，s3具體為獲取多條nurbs表面結(jié)構(gòu)曲線，其具體包括以下步驟：

76、s3-31、根據(jù)打印精度提取v0至v1區(qū)間若干條v方向結(jié)構(gòu)曲線；

77、s3-32、統(tǒng)計(jì)v方向所有結(jié)構(gòu)曲線長度并得到長度區(qū)間[l3a，l3b]；

78、s3-33、根據(jù)噴嘴口徑輸入可擠出的層高區(qū)間[h3a，h3b]，計(jì)算ceiling(l3b/h3b)與floor(l3a/h3a)并比較其數(shù)值的大小；

79、s3-34、得到u方向結(jié)構(gòu)曲線的數(shù)量區(qū)間[n3a，n3b]并從區(qū)間中任取一值；

80、s3-35、提取nurbs表面的u方向n3個閉合結(jié)構(gòu)曲線作為初始路徑曲線；

81、s4具體為處理多條nurbs表面的u方向結(jié)構(gòu)曲線后連接成一條連續(xù)曲線，其具體包括以下步驟：

82、s4-31、獲取從nurbs表面isocurve提取的多條u方向結(jié)構(gòu)曲線；

83、s4-32、依據(jù)精度將多條u方向結(jié)構(gòu)曲線設(shè)定若干數(shù)量相同的等距點(diǎn)；

84、s4-33、轉(zhuǎn)秩多組等距點(diǎn)；

85、s4-34、設(shè)定每組的第n個數(shù)據(jù)與次組的第n+1個數(shù)據(jù)為同一數(shù)組并以此類推，依設(shè)定的等距點(diǎn)組的序列關(guān)系逆轉(zhuǎn)秩；

86、s4-35、按矩陣內(nèi)順序扁平化為一維數(shù)組；

87、s4-36、按順序?qū)⒁痪S數(shù)組內(nèi)所有點(diǎn)連接成一條連續(xù)曲線，并作為用于優(yōu)化的初始連續(xù)路徑；

88、s5具體為優(yōu)化由多條nurbs表面u方向結(jié)構(gòu)曲線構(gòu)成的初始連續(xù)路徑，其具體包括以下步驟：

89、s5-31、獲取nurbs表面中s4-36生成的連續(xù)曲線；

90、s5-32、將連續(xù)曲線原來因銜接而脫離nurbs表面的區(qū)域以垂直表面投影的形式拉回至表面上；

91、s5-33、提取s4-32中若干組等距點(diǎn)的每組起始點(diǎn)；

92、s5-34、采集起始點(diǎn)在曲線上的最近投影點(diǎn)；

93、s5-35、將曲線在最近投影點(diǎn)位置分?jǐn)嚅_若干段；

94、s5-36、提取位置最底層的曲線并垂直地投影至xy平面上；

95、s5-37、將xy平面投影線與分?jǐn)嚅_的若干段曲線按從低至高的位置排列順序。

96、優(yōu)選的，s3具體為獲取多條mesh表面結(jié)構(gòu)多段線，其具體包括以下步驟：

97、s3-41、根據(jù)打印精度提取v0至v1區(qū)間若干條v方向多段經(jīng)線；

98、s3-42、統(tǒng)計(jì)v方向所有經(jīng)線長度并得到長度區(qū)間[l4a，l4b]；

99、s3-43、根據(jù)噴嘴口徑輸入可擠出的層高區(qū)間[h4a，h4b]，計(jì)算ceiling(l4b/h4b)與floor(l4a/h4a)并比較其數(shù)值的大??；

100、s3-44、得到u方向緯線可的數(shù)量區(qū)間[n4a，n4b]并從區(qū)間中任取一值；

101、s3-45、提取mesh表面的u方向n4個閉合結(jié)構(gòu)多段線作為初始路徑曲線；

102、s4具體為處理多條mesh表面的緯線u方向結(jié)構(gòu)多段線后連接成一條連續(xù)多段線，其具體包括以下步驟：

103、s4-41、獲取從mesh表面weft提取的多條緯線u方向結(jié)構(gòu)多段線；

104、s4-42、依據(jù)精度將多條緯線u方向結(jié)構(gòu)多段線設(shè)定若干數(shù)量相同的等距點(diǎn)；

105、s4-43、轉(zhuǎn)秩多組等距點(diǎn)；

106、s4-44、設(shè)定每組的第n個數(shù)據(jù)與次組的第n+1個數(shù)據(jù)為同一數(shù)組并以此類推，依設(shè)定的等距點(diǎn)組的序列關(guān)系逆轉(zhuǎn)秩；

107、s4-45、按矩陣內(nèi)順序扁平化為一維數(shù)組；

108、s4-46、按順序?qū)⒁痪S數(shù)組內(nèi)所有點(diǎn)連接成一條連續(xù)多段線，并作為用于優(yōu)化的初始連續(xù)路徑；

109、s5具體為優(yōu)化由多條mesh表面緯線u方向結(jié)構(gòu)多段線構(gòu)成的初始連續(xù)路徑，其具體包括以下步驟：

110、s5-41、獲取mesh表面中s4-36生成的連續(xù)多段線；

111、s5-42、將連續(xù)多段線原來因銜接而脫離mesh表面的區(qū)域以垂直表面投影的形式拉回至表面上；

112、s5-43、提取s4-42中若干組等距點(diǎn)的每組起始點(diǎn)；

113、s5-44、采集起始點(diǎn)在多段線上的最近投影點(diǎn)；

114、s5-45、將多段線在最近投影點(diǎn)位置分?jǐn)嚅_若干段；

115、s5-46、提取位置最底層的多段線并豎直地投影至xy平面上；

116、s5-47、將xy平面投影線與分?jǐn)嚅_的若干段曲線按從低至高的位置排列順序。

117、優(yōu)選的，s6具體包括以下步驟：

118、s61、將路徑曲線按打印精度需求轉(zhuǎn)換成若干個等距點(diǎn)；

119、s62、運(yùn)算出所有等距點(diǎn)在幾何表面上的uv值；

120、s63、根據(jù)打印機(jī)配置設(shè)定的打印線寬wn與所有的等距點(diǎn)uv值運(yùn)算出各點(diǎn)位的相對擠出值；

121、s64、設(shè)定機(jī)器參數(shù)，包括調(diào)整擠出比率、調(diào)整打印速度和調(diào)整打印溫度；

122、s65、將機(jī)器參數(shù)結(jié)合幾何路徑制作的參數(shù)轉(zhuǎn)譯生成g-code文件，在三維可視化軟件中進(jìn)行可視化的機(jī)器沿著表面路徑曲線移動與擠出控制的模擬；

123、s66、檢查打印路徑與機(jī)器或與路徑其它部分之間是否發(fā)生碰撞，或者產(chǎn)生空隙，若有，重新在機(jī)器參數(shù)部分中調(diào)整參數(shù)直至沒有碰撞和空隙，則執(zhí)行打印文件。

124、因此，本發(fā)明采用上述基于fdm打印的懸空表面無支撐高質(zhì)量的打印路徑規(guī)劃方法，有益效果如下：

125、（1）本發(fā)明基于rhinoceros-grasshopper參數(shù)化建模軟件，通過自主編程實(shí)現(xiàn)自動識別幾何體屬性、參數(shù)調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)合理的路徑規(guī)劃，隨后生成3d打印機(jī)可識別的g-code文件，通過一條連續(xù)擠出的路徑實(shí)現(xiàn)高效、表面質(zhì)量高、無支撐的懸空表面的制造，有效減少材料的損耗、瑕疵的產(chǎn)生以及打印失敗的概率。

126、（2）本發(fā)明通過參數(shù)化的自動控制機(jī)器參數(shù)與擠出路徑，以簡單的打印形式降低制作難度、時間與經(jīng)濟(jì)成本，具備顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

127、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。