一种曲面分层3D打印路径规划方法及系统

一种曲面分层3d打印路径规划方法及系统
技术领域
1.本发明属于3d打印前处理技术领域，尤其涉及一种曲面分层3d打印路径规划方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.目前，传统制造技术普遍存在工作环境差、工序多且复杂、模具制造周期长、构件迭代困难，少批量加工成本高等问题。
4.而增材制造技术作为一项不同于传统制造技术的先进制造技术，无需提前加工产品模具，只需通过3d打印机使三维的cad数据直接打印成为三维模型构件，其相较与传统制造方法具有生产周期更短，小批量生产经济成本低等诸多优点。
5.目前，增材制造中平面分层制造因其工艺简单制造方便在3d打印中应用较为普遍，技术更为成熟。
6.平面分层制造通过打印机喷头在平面上沿单一方向逐层堆叠材料，形成打印构件，但因其在单一方向逐层堆叠会导致打印丝材发生中断不连续，当打印薄截面、微弯曲(壳型)等构件时使得打印构件强度降低，甚至打印失败，极大的影响了3d打印的发展，如在连续纤维复合材料3d打印领域中采用平面分层制造导致连续纤维难以在空间曲面上自由分布，无法连续可控的铺设，极大程度降低了连续纤维复合材料构件的强度；在微纳增材制造电路3d打印领域，打印一些微小非平面结构时采取平面分层打印结果往往不尽人意，当在打印电路板上具有导电电子轨道等弯曲塑料部件时平面分层制造会导致电路的连续性在层中间中断，严重影响打印结果。
7.同时因平面分层制造时沿单一方向逐层堆叠，会导致最终打印构件表面光洁度较差出现“阶梯效应”等问题，特别是在打印一些曲面结构以及薄壳结构时“阶梯效应”更为明显，打印出的构件表面质量较差，加工效率低，而且出现打印构件强度要求无法满足，出现翘曲变形问题；这导致平面分层制造在打印曲面结构中显得乏力。


技术实现要素：

8.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供了一种曲面分层3d打印路径规划方法及系统，其能够直接根据曲面结构规划路径，解决了连续纤维难以在空间曲面上自由分布等问题，实现连续纤维复合材料在曲面上可控分布打印，也为在曲面结构上进行电路可控打印提供了一种很好的解决方案；同时解决了平面分层打印表面光洁度差“阶梯效应”，打印构件强度降低，打印出现翘曲变形等问题。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.本发明的第一个方面提供一种曲面分层3d打印路径规划方法，包括如下步骤：
11.对待打印的具有曲面结构的构件进行三维建模，生成对应构件的三维实体模型；
12.对构件的三维实体模型进行解析得到三角面片点坐标；
13.根据待打印构件的结构，采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，得到变换后的三维实体模型；
14.对变换后的三维实体模型进行分层切片及路径规划，将完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构，生成曲面打印路径。
15.本发明的第二个方面提供一种曲面分层3d打印路径规划系统，包括：
16.三维建模模块，其用于对待打印的具有曲面结构的构件进行三维建模，生成对应构件的三维实体模型；
17.三维实体模型解析模块，其用于对构件的三维实体模型进行解析得到三角面片点坐标；
18.投影变换模块，其用于根据待打印构件的结构，采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，得到变换后的三维实体模型；
19.打印路径规划模块，其用于对变换后的三维实体模型进行分层切片及路径规划，将完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构，生成曲面打印路径。
20.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
21.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法中的步骤。
22.本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
23.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法中的步骤。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.1、本发明采用曲面分层方式有效解决了平面分层时零件构建只能沿着固定单一方向进行打印，提高了零件的力学性能，解决了平面分层制造薄截面、微弯曲(壳型)零件时强度无法满足问题，进一步提高了3d打印曲面结构的机械性能。
26.2、本发明能够直接根据曲面结构规划路径，解决了连续纤维难以在空间曲面上自由分布等问题，实现连续纤维复合材料在曲面上可控分布打印，也为在曲面结构上进行电路可控打印提供了一种很好的解决方案；并解决了平面分层打印表面光洁度差“阶梯效应”，打印构件强度降低，打印出现翘曲变形等问题。
27.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1为本发明实施例一针对曲面结构3d打印路径规划方法流程图；
30.图2为本发明实施例一曲面薄壳结构指定曲面到任意给定平面投影变换示意图；
31.图3为本发明实施例一曲面薄壳结构在任意给定平面路径规划示意图；
32.图4为本发明实施例二弯曲表面非薄壳结构模型的三维示意图；
33.图5为本发明实施例二弯曲表面非薄壳结构模型的投影变换正视示意图；
34.图6为本发明实施例二弯曲表面非薄壳结构模型的三维变换示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
36.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
37.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
38.术语解释
39.stl(stereolithography,立体光刻)是由3d systems软件公司创立、原本用于立体光刻计算机辅助设计软件的文件格式。它有一些事后诸葛的字头语如“标准三角语言(standard triangle language)”、“标准曲面细分语言(standard tessellation language)”、“立体光刻语言(stereolithography language)”和“(立体光刻曲面细分语言)”。许多套装软件支持这种格式，它被广泛用于快速成型、3d打印和计算机辅助制造(cam)。stl文件仅描述三维物体的表面几何形状，没有颜色、材质贴图或其它常见三维模型的属性。stl格式有文本和二进码两种型式。文本型式因具有很好的可读性并且可以直接读取而较常见。
40.stl档描述原始非结构化三角网格由表面单位法线和由右手定则排序的顶点用三维三角形笛卡儿坐标系。stl坐标必须是正数，没有尺度信息，且计量单位为任意的。
41.正如本发明背景技术中提及的，现有技术曲面结构打印在平面分层制造时出现“阶梯效应”，打印表面质量差、加工效率低、出现翘曲变形及提高打印构件机械性能等问题。
42.本发明提供了一种曲面分层3d打印路径规划方法，通过对想要打印的构件进行三维建模，生成构件的stl模型，通过stl模型解析出三角面片点的坐标，选定具有曲面结构三维实体进行投影变换，基于进行的投影变换规则实现模型的三维实体变换，在变换后的三维实体模型中采用传统平面分层切片算法进行路径规划，最后将采用传统平面分层算法完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构完成曲面结构路径规划。为后续增材制造曲面结构3d打印技术的发展提供了一种方法与思路。
43.实施例一
44.参照图1，本实施例提供一种曲面分层3d打印路径规划方法，包括如下步骤：
45.本实施例所述待打印的具有曲面结构构件可以为曲面薄壳构件也可以为具有曲面结构的非薄壳构件。
46.针对待打印的曲面结构构件为曲面薄壳构件时，其3d打印路径规划方法具体包括如下步骤：
47.s1：对待打印的曲面薄壳构件进行三维建模，生成对应构件的三维实体模型；
48.s1中，可以利用计算机辅助设计cad软件对待打印的曲面结构构件进行三维建模；例如autodesk inventor、solidworks、中望3d、catia、pro/e、onespace、autocad或ug nx等。
49.如图2所示，对待打印的曲面结构构件进行的三维建模。
50.s2：对构件的三维实体模型进行解析得到三角面片点坐标；
51.针对s1在cad软件中生成的曲面结构模型导入到具有导出模型stl文件功能的计算机辅助制造cam软件中进行三角面片切片生成stl三角面片文件。
52.例如，ug nx、pro/nc、catia、mastercam、surfcam、space-e、camworks、worknc、tebis、hypermill、powermill、gibbs cam、featurecam、topsolid、solidcam、cimatron、vx、esprit、gibbscam或edgecam等。
53.s3：解析stl文件获取曲面三角面片的各个点的坐标；
54.对构件的曲面结构三维模型进行三角面片切片导出生成stl文件，解析获取曲面三角面片的各个坐标；
55.s4：根据待打印构件的结构，采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，得到变换后的三维实体模型；
56.本实施例中，可以根据一定投影变换规则实现模型的三维实体变换；投影变换可以根据打印具体结构选择合适投影变换规则来进行模型的三维实体变换。
57.例如，本实施例针对具有曲面结构的模型通过s1、s2以及s3上述步骤获取曲面结构三角面片(stl)文件并解析获得曲面三角面片的各个坐标值；
58.所述采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，具体包括：
59.s401：如图3所示，将获取的曲面三角面片的各个坐标值利用竖直投影(平行于坐标轴)投影到给定的任意平面(ax+by+cz+d＝0)上；
60.s402：将待打印构件三维实体模型上的坐标投影至该平面获得投影坐标
61.s403：计算该平面的法向量即并计算曲面结构模型上任意一点到该给定平面的距离
62.s404：计算该平面的法向量进而可计算出曲面结构模型上的点到给定任意平面上的向量以及两点间距离，获得投影坐标值；
63.基于该平面的法向量得到打印构件上的坐标pi与其投影至平面上的pj的向量为可解出又根据两点间距离公式
得出
64.最终可得出曲面投影坐标值最终可得出曲面投影坐标值
65.根据此投影规则将曲面结构模型进行三维投影变换形成三维实体模型。
66.需要说明的是，所述投影变换规则不唯一，需根据要打印的三维实体模型采取不同的变换规则来进行具体的三维实体投影变换。
67.s5：对变换后的三维实体模型进行分层切片及路径规划，将完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构，生成曲面打印路径。
68.s5中，对变换后的三维实体模型进行分层切片采用传统的平面分层算法，或，通过3d打印切片路径生成软件中采用传统的平面分层算法，进行三维实体的路径规划，比如replicatorg、repetierh、cura、xbuilder、maker bot、slic3r或simplify3d等；例如，所述传统的平面分层算法可以采用zigzag路径填充算法进行路径填充，使用目前最为普遍的打印方法，此处不做赘述。
69.s6：将采用传统平面分层算法完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构完成曲面结构路径规划。
70.针对待打印的曲面结构构件为具有弯曲非薄壳结构时，其3d打印路径规划方法和曲面薄壳构件的3d打印路径规划方法一致；
71.其也是以三维模型为输入，将模型导出为stl文件并解析三角面片坐标，通过任意给定投影平面将具有弯曲表面非薄壳结构模型进行空间投影三维实体变换，通过空间投影三维实体变换出新三维实体模型，然后在变换后的三维实体模型中进行传统的平面切片算法进行路径规划，路径规划完成后进行反变换，反变换为原始三维实体模型完成打印路径规划。
72.具体步骤如下：
73.1)对要打印的具有弯曲非薄壳结构模型进行三维建模，通过现有的计算机辅助设计cad软件对要打印的弯曲非薄壳结构模型进行三维建模如示意图4所示；
74.2)导出并解析弯曲非薄壳三维模型的stl文件；
75.3)通过空间投影三维实体变换将具有上表面为弯曲的三维实体结构模型变换为上表面为平面的三维实体结构模型，对应变换过程如示意图5所示，形成变换后的三维实体如示意图6所示；
76.4)在变换后的三维实体模型中采用传统平面分层算法进行切片及路径规划；
77.5)将路径规划完成后的三维实体模型进行反变化，变换为原始三维实体模型完成曲面结构路径规划。
78.上述方案的优势在于，实现了曲面结构可控打印，解决了曲面结构模型的3d打印“阶梯效应”，提高打印构件表面质量，有效解决加工效率低，打印出现翘曲变形以及采用平面分层制造打印曲面构件强度不满足等问题。
79.实施例二
accessmemory，ram)等。
94.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种曲面分层3d打印路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：对待打印的具有曲面结构的构件进行三维建模，生成对应构件的三维实体模型；对构件的三维实体模型进行解析得到三角面片点坐标；根据待打印构件的结构，采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，得到变换后的三维实体模型；对变换后的三维实体模型进行分层切片及路径规划，将完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构，生成曲面打印路径。2.如权利要求1所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法，其特征在于，在生成对应构件的三维实体模型后，获取三维模型的stl文件，通过解析stl文件获取曲面结构的三角面片的各个点坐标。3.如权利要求1所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法，其特征在于，所述采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，具体包括：将获取的曲面三角面片的各个坐标值利用竖直投影投影到给定的任意平面上；将待打印构件三维实体模型上的坐标投影至该平面获得投影坐标；基于该投影坐标以及该平面的法向量计算待打印构件三维实体模型上任意一点到该给定平面的距离；进而计算出待打印构件三维实体模型上的点到给定任意平面上的向量以及两点间距离公式，获得投影坐标值。4.如权利要求1所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法，其特征在于，所述待打印的具有曲面结构的构件为曲面薄壳构件或具有弯曲表面非薄壳结构。5.如权利要求1所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法，其特征在于，所述对变换后的三维实体模型进行分层切片及路径规划采用平面分层算法和zigzag路径填充算法进行路径填充。6.一种曲面分层3d打印路径规划系统，其特征在于，包括：三维建模模块，其用于对待打印的具有曲面结构的构件进行三维建模，生成对应构件的三维实体模型；三维实体模型解析模块，其用于对构件的三维实体模型进行解析得到三角面片点坐标；投影变换模块，其用于根据待打印构件的结构，采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，得到变换后的三维实体模型；打印路径规划模块，其用于对变换后的三维实体模型进行分层切片及路径规划，将完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构，生成曲面打印路径。7.如权利要求6所述的一种曲面分层3d打印路径规划系统，投影变换模块中，所述采用对应的投影变换规则，依据三角面片点坐标将面离散化为点，对构件的三维实体模型进行空间投影变换，具体包括：将获取的曲面三角面片的各个坐标值利用竖直投影投影到给定的任意平面上；将待打印构件三维实体模型上的坐标投影至该平面获得投影坐标；基于该投影坐标以及该平面的法向量计算待打印构件三维实体模型上任意一点到该
给定平面的距离；进而计算出待打印构件三维实体模型上的点到给定任意平面上的向量以及两点间距离公式，获得投影坐标值。8.如权利要求6所述的一种曲面分层3d打印路径规划系统，其特征在于，所述待打印的具有曲面结构的构件为曲面薄壳构件或具有弯曲表面非薄壳结构。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法中的步骤。10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的一种曲面分层3d打印路径规划方法中的步骤。

技术总结
本发明属于3D打印前处理技术领域，提供了一种曲面分层3D打印路径规划方法级系统，具体包括：对打印的具有曲面结构的构件进行三维建模；获取具有曲面结构模型的三角面片文件；解析三角面片(STL)文件的三角面片坐标；对曲面结构模型进行投影变换实现模型的三维实体变换；在变换后的三维实体模型中采用传统平面分层算法进行三维实体的路径规划；将采用平面分层算法完成路径规划后的三维实体模型反变换为原三维实体结构完成曲面路径规划。本发明采用曲面分层方式有效解决了平面分层时零件构建只能沿着固定单一方向进行打印，提高了零件的力学性能，解决了平面分层制造薄壁、微弯曲(壳型)等具有弯曲特征构件时强度无法满足问题。题。题。


技术研发人员：侯章浩 郅定兴 刘鹏 贺金 郭政显 丁浩林 杨乐怡 兰红波
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/7/21