一种基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法

1.本发明属于增材制造技术领域，尤其是涉及基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法。


背景技术：

2.增材制造技术要求在打印过程中减少甚至避免支撑结构的产生，传统的沉积方向固定的打印模式，其打印能力较弱，对于具有复杂结构的零件，需要添加大量的支撑结构辅助成型，这会对成型的质量造成恶劣的影响，特别是金属增材制造领域，无支撑的打印模式已成为打印技术研究的重点领域。
3.对于复杂结构件，很难实现整体的无支撑分层。可考虑利用分割的思想，将复杂实体分解成多个可以一次成型的子实体。目前的方法中，利用面片信息虽然能够进行模型挂流区域的判断，但很难进一步规划出具体的分割面，因此可利用体素进行自支撑判断。而在分割过程中，主流的思想是仅将模型分解成自支撑区、挂流区，但自支撑区和挂流区交界处的打印质量一般较差，同时也会影响最终的自支撑判定结果，故需要进一步定义分区，实现模型整体的分割和增材制造路径规划。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，解决了传统增材制造过程中工件打印时局部区域的挂流问题。本发明使用体素化模型进行整体的分割，采用上下两层的逐个体素挂流关系判定实现整体自支撑区和挂流区的划分，同时利用构建八叉树和拟合打印基面进行过渡区的划分。将整个模型分割成多个相互分离的自支撑区、挂流区和过渡区。
5.本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
6.一种基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，包括以下步骤：
7.(1)利用规则的六面体单元实现stl模型的体素化，将所有的体素点都设置为待分割状态；
8.(2)根据打印基面，确定各体素点所属打印层；
9.(3)从打印基面开始，遍历各打印层，判断体素的自支撑情况，将模型分割为自支撑区和挂流区；
10.(4)将所有自支撑区中的体素点设置为已分割状态，如果挂流区中不存在体素点，则表示导入的待分割体素集已完成分割，并执行步骤(8)，反之，如果存在挂流区，则对于挂流区中的挂流体素，进行体素间的聚类分析，根据体素的空间位置关系将体素分割成相互分离的子挂流区；
11.(5)提取各子挂流区中与自支撑区体素集之间存在面面邻接关系的体素，构建各子挂流区的邻接体素集；
12.(6)根据邻接体素集，利用最小二乘法拟合得到各子挂流区的打印基面的法向量；
13.(7)根据打印基面和邻接体素集确定分割的过渡区，将过渡区中的体素设置为已分割状态，同时将过渡区体素从对应的子挂流区中剔除，并确定各子挂流区对应的打印基面在空间中的位置；
14.(8)如果不存在处于待分割状态的体素，则根据体素的分割结果和相应的打印基面生成最终的分层方案，反之，则寻找其余的待分割体素聚类，执行步骤(2)。
15.进一步地，步骤(2)中，各体素点所属打印层的计算方法具体为：计算各体素点到打印基面的距离，根据距离的大小进行打印层的划分。
16.进一步地，步骤(3)中，对于与打印基面直接接触的初始打印层，认为该层中的所有体素均能够自支撑；对于其余的打印层，需要与下层邻接打印层之间进行能否自支撑的判断，具体为：
17.将所有的下层体素的中心点都投影到打印基面上，依次提取当前层体素的中心点，并投影至打印基面上，判断当前层体素中心点的投影点的r邻域范围内是否存在下层体素中心的投影点；如果存在，则表明该体素属于自支撑体素，归入自支撑区，反之则属于挂流体素，归入挂流区；利用kd树加速邻域内投影点的搜索过程。
18.进一步地，步骤(4)中，对挂流区的进一步分割具体包括：
19.将体素用体素中心点进行表示，采用dbscan算法，对体素中心点集进行聚类分析，根据体素的空间位置关系将体素分割成相互分离的子挂流区，完成挂流区的进一步分割。
20.进一步地，步骤(5)中，利用八叉树数据结构实现自支撑区与挂流区的邻接体素搜索；首先利用八叉树结构存储自支撑区的所有体素，八叉树的每个叶节点对应一个自支撑区的体素；之后对各子挂流区，分别判断各挂流体素是否在自支撑八叉树叶节点的六邻域范围内，如果是，则表明该挂流体素为邻接体素。
21.进一步地，步骤(7)中，根据已经得到的打印基面法向量，预给定一个打印基面的位置，满足所有的挂流区体素均在打印基面的同一侧，且邻接体素点到打印基面距离的均值小于等于所有挂流体素点到打印基面距离的均值；计算邻接体素所属的打印层，将所有邻接体素所属的打印层定义为过渡区，将过渡区中的体素设置为已分割状态，同时所有过渡区中的体素都需要从挂流区中剔除；打印基面的位置确定为过渡区和挂流区的交界面。
22.进一步地，在判断当前层体素与下层之间的自支撑关系时，投影点的邻域半径r选为正六面体体素的边长值。
23.进一步地，dbscan算法中邻域半径设为正六面体体素边长的1.2倍，最少点数目设为6。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.本发明利用体素实现整体打印模型的自支撑判断，利用体素中心点的邻域搜索判定，高效地将整体模型初步分割为自支撑区和挂流区。考虑到当模型结构相对复杂时，挂流区与自支撑区的交界面中体素会呈现不规则分布，无法利用更新后的打印基面对挂流区实施进一步的自支撑判断。因此，本发明提出了一种过渡区的定义和相应的划分方法，利用体素中心点的聚类关系和体素间的邻接位置关系在挂流区中进一步分割出过渡区。过渡区可以保证自支撑区与挂流区邻接区域的稳定打印和体素自支撑判定的持续稳定进行。
附图说明
26.图1为本发明实施例的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法流程示意图。
27.图2为本发明实施例选取的工件模型示意图。
28.图3为本发明实施例首次自支撑判断后的聚类分析结果示意图。
29.图4为本发明实施例最终的分割结果示意图。
30.图5为本发明实施例最终的分层结果示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
32.如图1所示，一种基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，包括以下步骤：
33.步骤1，获取待加工的模型文件，利用规则的六面体单元实现stl模型的体素化，将所有的体素点都设置为待分割状态。
34.在该实施例中，待加工的模型文件如图2所示。体素的尺寸为0.2mm*0.2mm*0.2mm，
35.步骤2，根据打印基面，确定各体素点所属打印层。
36.该实施例中，设定打印层厚度为0.2mm，计算各体素点到打印基面的距离，以此确定各体素点所属打印层。对于初始的体素模型，打印基面为打印基板的上表面。
37.步骤3，从打印基面开始，遍历各打印层，判断体素的自支撑情况，将模型分割为自支撑区和挂流区。
38.对于与打印基面直接接触的初始打印层，可认为该层中的所有体素均能够自支撑；对于其余的打印层，需要与下层邻接打印层之间进行能否自支撑的判断。该判断主要基于重力沉积效应，在增材制造过程中，下层的已成型部分要能够为当前打印层的待打印部分提供有效的支撑，才能保证打印过程的稳定进行；如果无法提供有效的底部支撑，当前打印层中的待打印部分就会产生挂流现象，进而影响成型质量。具体的判断方式为：
39.将所有的下层体素的中心点都投影到打印基面上，依次提取当前层体素的中心点，并投影至打印基面上，判断当前层体素中心点的投影点的r邻域范围内是否存在下层体素中心的投影点。如果存在，则表明该体素属于自支撑体素，归入自支撑区；反之则属于挂流体素，归入挂流区。利用kd树加速邻域内投影点的搜索过程。
40.作为其中一种实施方式，邻域半径r一般由体素的尺寸、材料的自支撑能力决定，一般可选为正六面体体素的边长值。在该实施例中，r为0.2mm。
41.步骤4，将所有自支撑区中的体素点设置为已分割状态，如果挂流区中不存在体素点，则表示导入的待分割体素集已完成分割，并执行步骤8。反之，如果存在挂流区，则对于挂流区中的挂流体素，进行体素间的聚类分析，根据体素的空间位置关系将体素分割成相互分离的子挂流区。
42.在实际打印过程中，如果挂流区中的各部分体素在空间上不连续，为保证打印路径的连续性和打印方向的合理规划，需要对挂流区进行进一步的分割。
43.作为其中一种实施方式，用体素的中心点表示挂流区中的挂流体素，对体素中心
点集进行聚类分析，将体素分割成空间上相互分离的子挂流区。
44.在该实施例中，采用dbscan算法，邻域半径设为正六面体体素边长的1.2倍，最少点数目设为6。
45.首次聚类分析后，可将整体模型分为1个自支撑区，2个子挂流区。首次自支撑判断后的聚类分析结果如图3所示。
46.步骤5，提取各子挂流区中与自支撑区体素集之间存在面面邻接关系的体素，构建各子挂流区的邻接体素集。
47.作为其中一种实施方式，对自支撑区中的所有体素信息建立八叉树的数据存储结构，八叉树的每个叶节点对应一个自支撑区的体素。利用八叉树提取各子挂流区中与自支撑区中的体素集之间存在面面邻接关系的体素，之后对各子挂流区，分别判断各挂流体素是否在自支撑八叉树叶节点的六邻域范围内，如果是，则表明该挂流体素为邻接体素，从而构建各子挂流区的邻接体素集。
48.步骤6，根据邻接体素集，利用最小二乘法拟合得到各分割子挂流区的打印基面的法向量。
49.步骤7，根据打印基面和邻接体素集确定分割的过渡区，将过渡区中的体素设置为已分割状态，同时将过渡区体素从对应的子挂流区中剔除，并确定各子挂流区对应的打印基面在空间中的位置。
50.作为其中一种实施方式，根据已经得到的打印基面法向量，预给定一个打印基面的位置，满足所有的挂流区体素均在打印基面的同一侧，且邻接体素点到打印基面距离的均值小于等于所有挂流体素点到打印基面距离的均值。计算邻接体素所属的打印层，将所有邻接体素所属的打印层定义为过渡区，将过渡区中的体素设置为已分割状态，同时所有过渡区中的体素都需要从挂流区中剔除。打印基面的位置确定为过渡区和挂流区的交界面。
51.步骤8，如果不存在处于待分割状态的体素，则根据体素的分割结果和相应的打印基面生成最终的分层方案。反之，则寻找其余的待分割体素聚类，执行步骤2。
52.该实施例最终的分割结果如图4所示，分层结果如图5所示。
53.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用规则的六面体单元实现stl模型的体素化，将所有的体素点都设置为待分割状态；(2)根据打印基面，确定各体素点所属打印层；(3)从打印基面开始，遍历各打印层，判断体素的自支撑情况，将模型分割为自支撑区和挂流区；(4)将所有自支撑区中的体素点设置为已分割状态；如果挂流区中不存在体素点，则表示导入的待分割体素集已完成分割，并执行步骤(8)，反之，如果存在挂流区，则对于挂流区中的挂流体素，进行体素间的聚类分析，根据体素的空间位置关系将体素分割成相互分离的子挂流区；(5)提取各子挂流区中与自支撑区体素集之间存在面面邻接关系的体素，构建各子挂流区的邻接体素集；(6)根据邻接体素集，利用最小二乘法拟合得到各子挂流区的打印基面的法向量；(7)根据打印基面和邻接体素集确定分割的过渡区，将过渡区中的体素设置为已分割状态，同时将过渡区体素从对应的子挂流区中剔除，并确定各子挂流区对应的打印基面在空间中的位置；(8)如果不存在处于待分割状态的体素，则根据体素的分割结果和相应的打印基面生成最终的分层方案，反之，则寻找其余的待分割体素聚类，执行步骤(2)。2.根据权利要求1中所述的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，步骤(2)中，各体素点所属打印层的计算方法具体为：计算各体素点到打印基面的距离，根据距离的大小进行打印层的划分。3.根据权利要求1中所述的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，步骤(3)中，对于与打印基面直接接触的初始打印层，认为该层中的所有体素均能够自支撑；对于其余的打印层，需要与下层邻接打印层之间进行能否自支撑的判断，具体为：将所有的下层体素的中心点都投影到打印基面上，依次提取当前层体素的中心点，并投影至打印基面上，判断当前层体素中心点的投影点的r邻域范围内是否存在下层体素中心的投影点；如果存在，则表明该体素属于自支撑体素，归入自支撑区，反之则属于挂流体素，归入挂流区；利用kd树加速邻域内投影点的搜索过程。4.根据权利要求1中所述的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，步骤(4)中，对挂流区的进一步分割具体包括：将体素用体素中心点进行表示，采用dbscan算法，对体素中心点集进行聚类分析，根据体素的空间位置关系将体素分割成相互分离的子挂流区，完成挂流区的进一步分割。5.根据权利要求1中所述的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，步骤(5)中，利用八叉树数据结构实现自支撑区与挂流区的邻接体素搜索；首先利用八叉树结构存储自支撑区的所有体素，八叉树的每个叶节点对应一个自支撑区的体素；之后对各子挂流区，分别判断各挂流体素是否在自支撑八叉树叶节点的六邻域范围内，如果是，则表明该挂流体素为邻接体素。
6.根据权利要求1中所述的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，步骤(7)中，根据已经得到的打印基面法向量，预给定一个打印基面的位置，满足所有的挂流区体素均在打印基面的同一侧，且邻接体素点到打印基面距离的均值小于等于所有挂流体素点到打印基面距离的均值；计算邻接体素所属的打印层，将所有邻接体素所属的打印层定义为过渡区，将过渡区中的体素设置为已分割状态，同时所有过渡区中的体素都需要从挂流区中剔除；打印基面的位置确定为过渡区和挂流区的交界面。7.根据权利要求3中所述的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，在判断当前层体素与下层之间的自支撑关系时，投影点的邻域半径r选为正六面体体素的边长值。8.根据权利要求4中所述的基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，其特征在于，dbscan算法中邻域半径设为正六面体体素边长的1.2倍，最少点数目设为6。

技术总结
本发明公开一种基于自支撑判定和过渡区划分的模型分割打印方法，属于增材制造技术领域。本发明利用体素判断模型各打印层间的自支撑情况，并利用空间位置上的聚类分析将整体模型初步分割成自支撑区和挂流区。考虑到挂流区与自支撑区的交界面中体素会呈现不规则分布，无法利用更新后的打印基面对挂流区实施进一步的自支撑判断，本发明给出了一种过渡区的划分方法，利用八叉树识别得到的邻接体素集和拟合得到的打印基面共同实现过渡区的划分。利用本发明的分割打印方法，实现了模型基于重力效应的分割，并提高了自支撑区与挂流区邻接区域增材制造的稳定性。增材制造的稳定性。增材制造的稳定性。


技术研发人员：童郑人 孙扬帆 沈洪垚 吴凯 杨华勇 谢海波 王柏村 张威 丁红钦
受保护的技术使用者：浙江大学高端装备研究院
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/16