一种基于切片文件的三维打印均匀壁厚抽壳方法技术

本发明专利技术公开了一种基于切片文件的三维打印均匀壁厚抽壳方法，包括：输入模型切片文件，确定抽壳影响层数；对某一切片上的某一轮廓多边形中的一个采样点及其法线作竖直平面；用该平面截当前切片以下和以上的切片，计算并连接有效交点得到一条壁线；对壁线在进行偏置，得到偏置壁线；计算偏置壁线和当前水平面交点并将其添加至轮廓多边形对应的抽壳多边形；按以上步骤遍历所有切层上所有轮廓多边形，消除抽壳多边形上自相交环并调整其方向和原始轮廓多边形方向相反，将其添加至当前层轮廓多边形中，得到一系列抽壳切片并最终输出。本发明专利技术对当前切片轮廓法向壁线进行偏置，能够获得壁厚均匀的抽壳多边形轮廓；且可在打印设备中设置或修改抽壳壁厚值。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括：输入模型切片文件，确定抽壳影响层数；对某一切片上的某一轮廓多边形中的一个采样点及其法线作竖直平面；用该平面截当前切片以下和以上的切片，计算并连接有效交点得到一条壁线；对壁线在进行偏置，得到偏置壁线；计算偏置壁线和当前水平面交点并将其添加至轮廓多边形对应的抽壳多边形；按以上步骤遍历所有切层上所有轮廓多边形，消除抽壳多边形上自相交环并调整其方向和原始轮廓多边形方向相反，将其添加至当前层轮廓多边形中，得到一系列抽壳切片并最终输出。本专利技术对当前切片轮廓法向壁线进行偏置，能够获得壁厚均匀的抽壳多边形轮廓；且可在打印设备中设置或修改抽壳壁厚值。【专利说明】
本专利技术涉及三维打印实体模型抽壳方法，尤其涉及。
技术介绍
三维打印是20世纪80年代发展起来的一项颠覆传统生产方式的革命性技术，又叫快速原型、增材制造等。三维打印首先通过通用计算机辅助设计(CAD)软件建模；然后将得到的模型文件导入计算机辅助制造(CAM)软件。在CAM软件里，模型一般需经历缺陷修复、支撑生成、切片生成等过程，最终将三维实体模型转化为一系列二维切片输出。切片文件包含了指导三维打印设备运动的信息，三维打印设备读取切片文件并完成打印过程。切片文件由一系列平面轮廓在建造方向上层叠而成。每层切片又由若干顺、逆时针多边形轮廓组成，这些轮廓围成了当前层上的打印区域。输入三维打印CAM软件的模型一般表示成实心实体。一方面，打印时，如果在每一层切片轮廓内扫描填充，必然非常耗时、耗材；在满足工件强度要求的前提下，为了节省打印时间和材料，可对实体模型进行抽壳操作，得到原始模型的壳体模型。另一方面，实际工程应用对壳体模型也有一定的需求，如熔模铸造，为了避免烧铸过程中出现涨壳现象，通常将铸模原型做成壳体结构。进一步地，在熔模铸造中，如果铸模原型壳体厚度不均匀，铸件在固化过程中可能因为收缩不均匀而损毁。因此，以实际工程应用为背景的三维打印对抽壳操作提出的要求是生成壁厚尽量均匀的壳体模型。现有三维打印实体模型的抽壳方法主要有三种:一是针对原始CAD模型进行抽壳，二是针对切片文件进行抽壳，三是结合切片文件和原始CAD模型进行抽壳。针对第一种方法，Lam等提出了一种基于次边界八叉树结构的偏置方法来获得原始模型的缩减模型，缩减模型加上原始模型即为抽壳模型(参见Lam Tff, Yu KM, CheungKM, Li CL, Octree reinforced thin—shell rapid prototyping, Journal of MaterialsProcessing Technology, 1997.63 (1- 3): 784-787)。Li 等通过 AutoCAD 软件直接对CSG (constructive solid geometry)格式的实体模型进行偏置操作，得到原始模型的薄壁模型(参见 Li CL, Yu KM, Lam Tff, Implementation and evaluation of thin-shellrapid prototype, Computers in Industry, 1998.35(2): 185-193)。考虑到直接计算三维模型的完美偏置曲面难度较大，Koc等提出将三维曲面偏置过程中产生的复杂的自相交问题转化到二维平面中消除，他们首先用顶点偏置法得到原始模型的粗糙偏置模型，然后用水平面去截该偏置模型，在二维平面内消除偏置截交曲线上的自相交问题，从而得到完美的抽壳切片(参见 Koc B, Lee YS, Non-uniform offsetting and hollowingobjects by using biarcs fitting for rapid prototyping processes, Computers inIndustry, 2002.47(I):1-23)。针对第二种方法，Ganesan等提出了一种用NURBS曲线表示的切片轮廓的直接偏置方法，获取原始轮廓曲线的抽壳偏置曲线；但该方法在切片上均匀偏置，无法在三维空间获得壁厚均匀的抽壳模型(参见GanesanM, Fadel GM, Hollowing rapid prototyping partsusing offsetting techniques, Proceedings of the Fifth International Conferenceon Rapid Prototyping, 1994.University of Dayton)。针对第三种方法，Zhang等提出对二维切片轮廓进行不等距偏置，对轮廓上的某一点，其偏置距离由该点在原始CAD模型上对应面片的倾斜程度决定，并给出了偏置距离的计算公式，该方法理论上能够获得壁厚均匀的抽壳模型(参见Zhang Z1DingY, Hong J, A new hollowing process for rapid prototype models, Rapid PrototypingJournal, 2004.10(3):166-175)。根据上述文献分析可知，现有技术可能存在的不足之处有:一、直接对CAD模型进行偏置计算困难，不易实现，且抽壳模型一旦获得，壳壁厚度在打印设备中难以修改；二、现有关于直接对切片文件进行抽壳的文献较少，而仅有的技术难以获得壁厚均匀的抽壳模型。
技术实现思路
为了解决现有方法在针对三维打印基于切片文件直接抽壳技术中存在的不足，本专利技术提供了，该方法在偏置过程中考虑了上、下层切片位置对当前层抽壳点位置的影响，因此能够获得壁厚均匀的一系列抽壳点。本方法基本思想是在当前层切片轮廓的法向构造竖直平面，用该竖直平面去截各相关水平切片轮廓，得到一条 截交壁线，然后在该水平面内对该壁线进行偏置并计算偏置曲线和当前层切片的交点，从而获得抽壳点。，包括如下步骤:步骤1、输入待打印模型的切片文件，以及所需的抽壳壁厚t ;从切片文件中提取切片层厚值h，计算抽壳影响层数值;t、h、均为大于零的实数；步骤2、针对第i层切片Li上的第j个轮廓多边形Ej,对轮廓多边形Ej上的第k个采样点pk，设采样点Pk处法向量为nk，过采样点Pk沿Hk方向作竖直平面a k ;其中1、k和j为大于零的自然数，且i值小于等于总的切片层数，j小于等于第i层切片Li上的轮廓多边形总数，k小于等于第j个轮廓多边形总的采样点数；步骤3、用竖直平面a k分别去截第i层切片Li以下和以上的层切片，即第1-?层到1+?层切片，计算得到每层切片上的一个有效交点；从采样点Pk开始向上或向下分别连接这些有效交点，得到一条壁线Ck ；步骤4、在竖直平面α,内对壁线Ck向nk所指的那一侧进行偏置，偏置距离为t，得到壁线Ck的偏置壁线(fv;其中t为大于零的实数；步骤5、计算偏置壁线G和第i层水平面的交点Hk，交点Hk为采样点Pk对应的抽壳点；将交点Hk添加至轮廓多边形对应的抽壳多边形爲；更新k值，跳至步骤2直至Ej上所有采样点被遍历；其中第i层水平面为第i层切片Li所在的平面；若交点Hk不存在，则直接更新k值，跳至步骤2直至上所有采样点被遍历；步骤6、消除以上得到的抽壳多边形乓上的自相交环，并调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于切片文件的三维打印均匀壁厚抽壳方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、输入待打印模型的切片文件，以及所需的抽壳壁厚t；从切片文件中提取切片层厚值h，计算抽壳影响层数值nr；其中t、h和nr为大于零的实数；步骤2、针对第i层切片Li上的第j个轮廓多边形Ej，对轮廓多边形Ej上的第k个采样点Pk，设采样点Pk处法向量为nk，过采样点Pk沿nk方向作竖直平面αk；其中i、k和j为大于零的自然数；步骤3、用竖直平面αk分别去截第i层切片Li以下和以上的nr层切片，即第i‑nr层到i+nr层切片，计算得到每层切片上的一个有效交点；从采样点Pk开始向上或向下分别连接这些有效交点，得到一条壁线Ck；步骤4、在竖直平面αk内对壁线Ck向nk所指的那一侧进行偏置，偏置距离为t，得到壁线Ck的偏置壁线其中t为大于零的实数；步骤5、计算偏置壁线和第i层水平面的交点Hk，交点Hk为采样点Pk对应的抽壳点；将交点Hk添加至轮廓多边形Ej对应的抽壳多边形更新k值，跳至步骤2直至Ej上所有采样点被遍历；其中第i层水平面为第i层切片Li所在的平面；若交点Hk不存在，则直接更新k值，跳至步骤2直至Ej上所有采样点被遍历；步骤6、消除以上得到的抽壳多边形上的自相交环，并调整抽壳多边形方向使其和轮廓多边形Ej方向相反；将抽壳多边形添加至当前第i层切片Li中；更新j值，跳至步骤2直至当前层所有原始轮廓多边形被遍历；步骤7、更新i值，跳至步骤2直至切片文件中所有切片被遍历；输出均匀壁厚的抽壳切片文件。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：傅建中，林志伟，贺永，沈洪垚，付国强，赖金涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33