本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)集成制造領(lǐng)域，具體涉及一種提高懸垂體模型成型質(zhì)量的自適應(yīng)掃描速度方法。

背景技術(shù)：

3d打印技術(shù)是一項(xiàng)綜合型應(yīng)用技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、機(jī)械控制、工業(yè)設(shè)計(jì)與材料學(xué)等多種學(xué)科，隨著各學(xué)科研究的發(fā)展與深入，3d打印技術(shù)也得到了進(jìn)一步突破。3d打印屬于增材制造，主要以3d數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)成型材料逐層累加的方式制造實(shí)體，可以在無(wú)模具、無(wú)工具的條件下打印出幾乎任意復(fù)雜的零部件。其高柔性實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作的高度一體化，免去了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件制造的開(kāi)模環(huán)節(jié)，縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，避免了人力、財(cái)力和物力上的浪費(fèi)，對(duì)推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展具有重要意義。

fdm是“fuseddepositionmodeling”的英文縮寫(xiě)，是一種熔融沉積型三維打印技術(shù)。在當(dāng)前三維打印技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展中，fdm三維打印技術(shù)已然成為應(yīng)用較為廣泛的一種3d打印技術(shù)，其工作原理是：自下向上，分層制造，逐層疊加。絲狀固體材料經(jīng)過(guò)高溫噴頭擠出后呈現(xiàn)液態(tài)，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭按照已設(shè)定好的打印路徑進(jìn)行掃描，每一層噴頭遍歷過(guò)的位置都被熔融狀態(tài)的材料覆蓋，該層結(jié)束后，縱向的平臺(tái)系統(tǒng)下降一個(gè)層厚的高度，繼續(xù)掃描覆蓋，不斷重復(fù)掃描完成材料累積過(guò)程。

成型質(zhì)量是fdm成型技術(shù)的核心問(wèn)題。在實(shí)際的模型打印過(guò)程中，為了確保懸垂區(qū)域的打印質(zhì)量和成型的穩(wěn)定性，會(huì)在懸垂區(qū)域底部添加支撐結(jié)構(gòu)，后期再進(jìn)行去支撐處理。這樣不僅增加了材料消耗和成本，還延長(zhǎng)了模型的成型時(shí)間，并且去支撐處理會(huì)對(duì)模型的表面質(zhì)量造成負(fù)面影響。3d打印的大部分輸入模型都屬于懸垂體結(jié)構(gòu)模型，這種模型局部特征明顯，主要分為難成型區(qū)域和可成型區(qū)域。在模型的可成型懸垂區(qū)域，可以通過(guò)對(duì)掃描速度的控制來(lái)達(dá)到不加支撐也能夠較好的成型。實(shí)際應(yīng)用中，若能夠通過(guò)調(diào)節(jié)掃描速度來(lái)實(shí)現(xiàn)不加支撐的打印，對(duì)fdm三維打印技術(shù)的推廣是非常有益的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了保證懸垂部位的成型質(zhì)量，基于掃描速度因子對(duì)成型質(zhì)量的影響分析，本發(fā)明目的在于提供一種提高懸垂體模型成型質(zhì)量的自適應(yīng)掃描速度方法，提出在模型的可成型懸垂區(qū)域，通過(guò)調(diào)節(jié)掃描速度來(lái)保證其質(zhì)量，并通過(guò)分層切片處理得到一系列二維輪廓多邊形，并根據(jù)二維輪廓多邊形的每個(gè)相交線段的數(shù)據(jù)信息求出各自的掃描速度，以保證整個(gè)模型的成型質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種提高懸垂體模型成型質(zhì)量的自適應(yīng)掃描速度方法，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)stl模型中三角面片的頂點(diǎn)和面片法矢量信息建立其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

步驟2、對(duì)stl模型進(jìn)行分層切片處理，獲得封閉的二維多邊形輪廓層。并根據(jù)每層二維輪廓中各線段所屬的三角面片的法矢量信息，判斷出每層二維輪廓中的可成型懸垂段；

①根據(jù)所有層厚值得到模型的切片總層數(shù)n和所有的切片平面高度值z(mì)i(i＝1,2,....,n)，其中分層方向是沿著的z軸正方向；

②讀取一個(gè)新的三角面片，求出其在z坐標(biāo)上的最小值z(mì)min和最大值z(mì)max，在所有的分層高度zi中找出與三角面片相交的m個(gè)切平面zj(j＝1,2,…m)；

③取出其中一個(gè)新的切平面，利用求交運(yùn)算，求取該切片平面與三角面片的相交線段并按層存儲(chǔ)此線段。根據(jù)相交線段的法矢量信息求出cosθ＝nz，其中θ為單位法矢量與z軸正方向的夾角。若相交線段的cosθ值屬于(0,-1/2],則是可成型懸垂段。

④判斷與此三角面片相交的m個(gè)切片面是否求交完畢。若求交完畢，則轉(zhuǎn)到下一步；若未求交完畢，轉(zhuǎn)至第③步；

⑤判斷是否所有的三角面片都處理完畢，若是，則獲得了所有按層存儲(chǔ)的相交線段，轉(zhuǎn)至下一步；若不是，則轉(zhuǎn)至第②步；

⑥取出第i層中的所有相交線段，根據(jù)三角面片之間的相鄰關(guān)系，將相交線段按序依次加入到第i層二維多邊形(第一次執(zhí)行時(shí)令i＝1)；

⑦判斷i是否等于n，若等于，說(shuō)明獲得了所有層的二維輪廓多邊形，則算法結(jié)束；若不等于，則執(zhí)行i＝i+1，并轉(zhuǎn)到第⑦步。

步驟3、根據(jù)每層的切片數(shù)據(jù)求出每層二維輪廓的掃描速度；

①第i層二維輪廓中，非可成型懸垂段段采用原始的掃描速度v0，第j個(gè)可成型懸垂段的掃描速度vi_j通過(guò)下式求出。

其中，nxy為單位法矢量在水平方向的分量，nx為單位法矢量的x分量，ny單位法矢量的y分量。

②求出所有的掃描速度后，分別求出掃描速度中的最大值max{vi_j}、最小值min{vi_j}。其中vmax、vmin為熔融沉積成型系統(tǒng)所能承受的掃描速度最大值與最小值。然后將求得的所有掃描速度vi_j線性歸一化到成型系統(tǒng)能夠承受的范圍內(nèi)。

步驟4、獲得所有層的掃描速度后，由切片引擎生成通用的gcode文件，供3d打印機(jī)讀取并打印。

為了保證懸垂部位的成型質(zhì)量，基于掃描速度因子對(duì)成型質(zhì)量的影響分析，提出在模型的可成型懸垂區(qū)域，不添加支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)掃描速度來(lái)保證其質(zhì)量。本發(fā)明通過(guò)分層切片處理得到一系列二維輪廓多邊形，并根據(jù)二維輪廓多邊形的每個(gè)相交線段的數(shù)據(jù)信息求出各自的掃描速度，以保證整個(gè)模型的成型質(zhì)量和模型的穩(wěn)定成型，不僅改善了打印的效果，還極大的節(jié)省了打印材料的消耗。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所涉及的方法總體流程圖；

圖2(a)是自適應(yīng)掃描速度的三維模型示意圖；

圖2(b)是自適應(yīng)掃描速度的若干切片層示意圖；

圖2(c)是自適應(yīng)掃描速度的層二維輪廓示意圖；

圖3是分層切面與三角面片相交示意圖；

圖4是相交線段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖5是自適應(yīng)掃描速度的算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，算法流程如圖5所示。

一種提高懸垂體模型成型質(zhì)量的自適應(yīng)掃描速度方法，如圖1至圖5所示，包括以下步驟：

步驟a1、根據(jù)stl模型中三角面片的頂點(diǎn)和面片法矢量信息建立其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；所述的描述拓?fù)湫畔⒌臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

步驟a2、對(duì)stl模型進(jìn)行分層切片處理，獲得封閉的二維多邊形輪廓層。每層二維輪廓都是有一系列相交線段組成，根據(jù)求出的各線段所屬的數(shù)據(jù)信息，判斷出每層二維輪廓多邊形中的可成型懸垂段；

步驟a21、根據(jù)所有層厚值得到模型的切片總層數(shù)n和所有的切片平面高度值z(mì)i(i＝1,2,....,n)，其中分層方向是沿著的z軸正方向；

步驟a22、讀取一個(gè)新的三角面片，求出其在z坐標(biāo)上的最小值z(mì)min和最大值z(mì)max，在所有的分層高度zi中找出與三角面片相交的m個(gè)切平面zj(j＝1,2,…m)；

步驟a23、取出其中一個(gè)新的切平面，利用求交運(yùn)算，求取該切片平面與三角面片的相交線段并按層存儲(chǔ)此線段。根據(jù)相交線段的法矢量信息求出cosθ＝nz，其中θ為單位法矢量與z軸正方向的夾角。若相交線段的cosθ值屬于(0,-1/2],則是可成型懸垂段。

步驟a24、判斷與此三角面片相交的m個(gè)切片面是否求交完畢。若求交完畢，則轉(zhuǎn)到下一步；若未求交完畢，轉(zhuǎn)至a23；

步驟a25、判斷是否所有的三角面片都處理完畢，若是，則獲得了所有按層存儲(chǔ)的相交線段，轉(zhuǎn)至下一步；若不是，則轉(zhuǎn)至a22；

步驟a26、取出第i層中的所有相交線段，根據(jù)三角面片之間的相鄰關(guān)系，將相交線段按序依次加入到第i層二維多邊形(第一次執(zhí)行時(shí)令i＝1)；

步驟a27、判斷i是否等于n，若等于，說(shuō)明獲得了所有層的二維輪廓多邊形，則算法結(jié)束；若不等于，則執(zhí)行i＝i+1，并轉(zhuǎn)到a27。

步驟a3、根據(jù)每層二維輪廓多邊形的切片數(shù)據(jù)求出每層二維輪廓的掃描速度，并對(duì)所有的掃描速度進(jìn)行歸一化處理，使得掃描速度值在打印系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)；進(jìn)一步包括以下步驟：

步驟a31、第i層二維輪廓中，其他段采用原始的掃描速度v0，第j個(gè)可成型懸垂段的掃描速度vi_j通過(guò)下式求出。

步驟a32、求出所有的掃描速度后，分別求出掃描速度中的最大值max{vi_j}、最小值min{vi_j}。其中vmax、vmin為熔融沉積成型系統(tǒng)所能承受的掃描速度最大值與最小值。然后將求得的所有掃描速度vi_j線性歸一化到成型系統(tǒng)能夠承受的范圍內(nèi)。

步驟a4、獲得所有層的掃描速度后，由切片引擎生成通用的gcode文件，供3d打印機(jī)讀取并打印。

步驟a3、根據(jù)每層的切片數(shù)據(jù)求出每層二維輪廓的掃描速度；

步驟a4、獲得所有層的掃描速度后，由切片引擎生成通用的gcode文件，供3d打印機(jī)讀取并打印。

本發(fā)明中，步驟a23包括以下內(nèi)容：

①求交運(yùn)算

通過(guò)分層平面與三角面片的兩個(gè)交點(diǎn)來(lái)表示相交線段，設(shè)分層平面高度為h，分層平面與三角面片的交線的兩個(gè)頂點(diǎn)分別為p(xp，yp，zi),p(xq，yq，zi),zi為第i層切片的切片高度，于步驟a21中求得。設(shè)三角面片的三點(diǎn)坐標(biāo)分別為p1(x1，y1，z1)、p2(x2，y2，z2)、p3(x3，y3，z3)，如圖3所示，則點(diǎn)p、q可以通過(guò)以下公式求得。

令則：

xp＝x1+k(x2-x1)

yp＝y(tǒng)1+k(y2-y1)

xq＝x3+k(x2-x3)

yq＝y(tǒng)3+k(y2-y3)

②求出相交線段后要進(jìn)行存儲(chǔ)，curaengine中是按層存儲(chǔ)該三角面片所有的相交線段。通過(guò)建立相交線段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)按層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)分層切片處理的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示。

參見(jiàn)圖4，相交線段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

本發(fā)明方法是基于掃描速度對(duì)成型質(zhì)量的影響分析，從優(yōu)化掃描速度的角度，方便有效的保證了懸垂體結(jié)構(gòu)模型的可成型懸垂部位的成型質(zhì)量。

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)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。