一种无支撑外固定支具打印方法与流程

1.本发明涉及医用设备技术领域，具体为一种无支撑外固定支具打印方法。


背景技术：

2.医用的外固定支具主要起到固定病人损伤肢体部分的作用，从而减少损伤肢体部位的运动，有利于患者损伤部位的康复。随着3d打印在医学领域应用的不断发展，通过3d打印外固定模型能够有效减少由以前的石膏或者夹板固定所带来的缺点，包括石膏固定部位无法清洗、夹板固定的松紧程度需要凭借医生的经验等。这些因素都使得石膏和夹板的使用受到了限制，推动了3d打印外固定支具在医学领域应用的发展。
3.对具有悬垂结构的模型，通常是通过现有的3d打印切片软件进行切片，生成支撑结构完成模型的打印，但是会增加打印时间以及打印后需要进行后处理，降低模型表面质量。因此需要实现医用外固定支具的无支撑打印来解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种无支撑外固定支具打印方法，以解决上述背景技术中提出的目前在对具有悬垂结构的3d模型打印过程中存在的打印时间长，打印出来的支具质量低并且后处理工作量大问题。
5.为实现上述目的，本实施例以四轴多轴无支撑3d打印切片方法为例进行说明，本发明提供如下技术方案：一种无支撑外固定支具打印方法包括以下步骤：
6.步骤s1、导入需要进行无支撑打印的支具模型，并调整支具模型空间位置以及裁剪多余部分，便于后续进行无支撑打印；
7.步骤s2、计算模型顶面与底面的夹角θ，以θ角为参考值，用户以交互方式移动和旋转分割面，记录旋转角度β，β值根据θ值来调整，但保证(θ-β)＜45
°
；确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据.
8.步骤s3、将支具模型沿打印机旋转中心点o旋转角度β，再沿z轴方向进行水平切片，得到旋转后的切片点集；
9.步骤s4、对切片点集进行优化，调整步长，改善路径点集质量，得到最终的gcode文件。
10.进一步的，步骤s2中，包括以下步骤：
11.步骤s201、计算底面与顶面所在平面法向量夹角θ，计算模型顶面所在平面法向量n1，底面法向量为n2＝(0，0，1)，由向量点乘法计算两法向量之间的夹角θ＝cos-1(n1*n2/|n2|)，用户交互式选择旋转角度β，β值根据θ值来调整，但保证(θ-β)＜45
°
；
12.步骤s202、根据旋转角度β确定平面法向量n＝(-sinβ，0，cosβ)，再根据交互得到的平面中心点，由点法式确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据。
13.进一步的，步骤s3中，包括以下步骤：
14.步骤s301、将保留的模型沿打印机旋转中心o进行旋转角度β，不改变模型的拓扑关系，将模型所有点进行旋转，设旋转前某点pi，计算旋转后对应点p’i，其中，p’i.x＝pi.x*cosβ+pi.z*sinβ，p’i.z＝pi.z*cosβ-pi.x*sinβ，p’i.y＝p.y；
15.步骤s302、计算旋转后模型的aabb包围盒尺寸{xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax}，由切片层高h、包围盒最大z值和最小z值计算得到切片层数num＝(zmax-zmin)/h；
16.步骤s303、对模型进行num次切片，切片平面法向量为(0,0,1)，中心点为((xmin+xmax)/2，(ymin+ymax)/2，(zmin+i*h))，i表示第i次切片，由点法式确定切片平面位置。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.该动态切片算法的医用固定支具无支撑3d打印方法，通过对悬垂结构的模型进行切片算法处理，并在切片之前对模型进行预处理，即通过计算底面与顶面所在平面法向量夹角选择3d打印机的旋转角度，根据旋转角度β确定平面法向量，再根据交互得到的平面中心点，由点法式确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据，这样从统一模型本身实现了对悬垂结构的无支撑打印，无需进行后处理，降低了打印时间，提高了打印质量。可以在不对3d打印机结构进行大幅改进的前提下，实现高效的无支撑打印。
附图说明
19.图1为本发明一种无支撑外固定支具打印方法的流程图；
20.图2为本发明导入的支具模型；
21.图3为实现无支撑打印的切片路径点集。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.请参阅图1至图3，本实施例以四轴无支撑打印为例进行说明。本发明提供一种技术方案：步骤s1、导入需要进行无支撑打印的支具模型，并调整模型空间位置以及裁剪多余部分，便于后续进行无支撑打印；
24.步骤s2、计算模型顶面与底面的夹角θ，以θ角为参考值，用户以交互方式移动和旋转分割面，记录旋转角度β，β值根据θ值来调整，但保证(θ-β)＜45
°
，确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据；
25.步骤s3、将模型沿打印机旋转中心点o旋转角度β，再沿z轴方向进行水平切片，得到旋转后的切片点集；
26.步骤s4、对切片点集进行优化，调整步长，改善路径点集质量，得到最终的gcode文件。
27.进一步的，步骤s2中，包括以下步骤：
28.步骤s201、计算底面与顶面所在平面法向量夹角θ，计算模型顶面所在平面法向量n1，底面法向量为n2＝(0，0，1)，由向量点乘法计算两法向量之间的夹角θ＝cos-1(n1*n2/|n2|)，用户交互式选择旋转角度β，β值根据θ值来调整，但保证(θ-β)＜45
°
；
29.步骤s202、根据旋转角度β确定平面法向量n＝(-sinβ，0，cosβ)，再根据交互得到的平面中心点，由点法式确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据。
30.进一步的，步骤s3中，包括以下步骤：
31.步骤s301、将保留的模型沿打印机旋转中心o进行旋转角度β，不改变模型的拓扑关系，将模型所有点进行旋转，设旋转前某点pi，计算旋转后对应点p’i，其中，p’i.x＝pi.x*cosβ+pi.z*sinβ，p’i.z＝pi.z*cosβ-pi.x*sinβ，p’i.y＝p.y；
32.步骤s302、计算旋转后模型的aabb包围盒尺寸{xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax}，由切片层高h、包围盒最大z值和最小z值计算得到切片层数num＝(zmax-zmin)/h；
33.步骤s303、对模型进行num次切片，切片平面法向量为(0,0,1)，中心点为((xmin+xmax)/2，(ymin+ymax)/2，(zmin+i*h))，i表示第i次切片，由点法式确定切片平面位置。
34.工作原理：该动态切片算法的医用固定支具无支撑3d打印方法，通过对悬垂结构的模型进行切片算法处理，并在切片之前对模型进行预处理，即通过计算底面与顶面所在平面法向量夹角选择3d打印机的旋转角度，根据旋转角度β确定平面法向量，再根据交互得到的平面中心点，由点法式确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据，这样从3d模型本身实现了对悬垂结构的无支撑打印，无需进行后处理，降低了打印时间，提高了打印质量。可以在不对3d打印机结构进行大幅改进的前提下，实现高效的无支撑打印。实现了对现有硬件性能的深度挖潜。
35.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种无支撑外固定支具打印方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、导入需要进行无支撑打印的支具模型，并调整支具模型空间位置以及裁剪多余部分，便于后续进行无支撑打印；步骤s2、计算模型顶面与底面的夹角θ，以θ角为参考值，用户以交互方式移动和旋转分割面，记录旋转角度β，β值根据θ值来调整，但保证(θ-β)＜45
°
，确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据；步骤s3、对分割面以上部分模型，将支具模型沿打印机旋转中心点o旋转角度β，再沿z轴方向进行水平切片，得到旋转后的切片点集；步骤s4、对切片点集进行优化，调整步长，改善路径点集质量，得到最终的gcode文件。2.根据权利要求1所述的一种无支撑外固定支具打印方法，其特征在于，所述步骤s2中，包括以下步骤：步骤s201、计算底面与顶面所在平面法向量夹角θ，计算模型顶面所在平面法向量n1，底面法向量为n2＝(0，0，1)，由向量点乘法计算两法向量之间的夹角θ＝cos-1
(n1*n2/|n2|)，用户交互式选择旋转角度β，β值根据θ值来调整，但保证(θ-β)＜45
°
；步骤s202、根据旋转角度β确定平面法向量n＝(-sinβ，0，cosβ)，再根据交互得到的平面中心点，由点法式确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据。3.根据权利要求1所述的一种无支撑外固定支具打印方法，其特征在于，所述步骤s3中，包括以下步骤：步骤s301、将保留的支具模型沿打印机旋转中心o进行旋转角度β，不改变支具模型的拓扑关系，将模型所有点进行旋转，设旋转前某点pi，计算旋转后对应点p’i，其中，p’i.x＝pi.x*cosβ+pi.z*sinβ，p’i.z＝pi.z*cosβ-pi.x*sinβ，p’i.y＝p.y；步骤s302、计算旋转后模型的aabb包围盒尺寸{xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax}，由切片层高h、包围盒最大z值和最小z值计算得到切片层数num＝(zmax-zmin)/h；步骤s303、对模型进行num次切片，切片平面法向量为(0,0,1)，中心点为((xmin+xmax)/2，(ymin+ymax)/2，(zmin+i*h))，i表示第i次切片，由点法式确定切片平面位置。

技术总结
本发明公开了一种无支撑外固定支具打印方法，包括：导入初始支具模型、选择切割面切割模型、完成切片和打印等步骤，通过对悬垂结构的模型进行切片算法处理，并在切片之前对模型进行预处理，即通过计算底面与顶面所在平面法向量夹角选择3D打印机的旋转角度，根据旋转角度β确定平面法向量，再根据交互得到的平面中心点，由点法式确定分割面位置，将分割面以下模型进行去除，保留上部模型数据，这样使3D模型本身实现了对悬垂结构的无支撑打印，无需进行后处理，降低了打印时间，提高了打印质量。提高了打印质量。提高了打印质量。


技术研发人员：石志良 刘朋 黄加涛
受保护的技术使用者：武汉必盈生物科技有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/15