一种三维打印模型摆放所需支撑量快速估算方法技术

本发明专利技术公开了一种三维打印模型摆放所需支撑量快速估算方法，输入需要估算支撑量的三维模型文件以及支撑生成参数；设模型沿Z轴方生长，在XY平面内计算其最小轴平行包络矩形B；在B内以d为间距分别作X、Y轴的等距平行填充线，可得一系列网格单元和结点；过每个结点作竖直直线，计算直线和模型交点，记录各交点所在面片法线方向，并对每条直线上交点按Z坐标从小到大排序；考虑序号为奇数的交点，若交点对应的面片倾角小于临界值，则记录该点至其下最近点之间线段距离；对记录的线段长度进行累加，总长度乘以网格单元面积可得支撑量体积，输出支撑量。本方法能够快速估算模型所需的支撑量，尤其适合需要大量迭代的模型智能优化摆放计算。

Fast estimation method for supporting amount required by three-dimensional printing model

The invention discloses a three-dimensional printing model placed needed to support rapid estimation method, 3D model file input estimation support volume and the model parameters need to support generation; growth along the Z axis, calculate the minimum axis parallel rectangle B in XY plane; within B to D are equidistant spacing X Y, parallel to the axis of the filling line, had a series of grid units and nodes; each node as a vertical line, and the calculation of the linear model of intersection, the intersection of the normal direction of recording and the patch, the line intersection sorting according to Z coordinates from small to large; consider an odd number of intersection, if the intersection angle corresponding to the patch the record is less than the critical value, the point to the nearest distance between points of line; cumulative record of line length, total length multiplied by the grid unit area available support volume, output support Supporting capacity. The proposed method can quickly estimate the amount of support required by the model, especially suitable for the intelligent optimization of a large number of iterations.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三维打印计算机辅助设计与制造中的模型支撑优化领域，尤其涉及一种三维打印模型摆放所需支撑量快速估算方法。技术背景三维打印最早起源于19世纪末的照相雕塑和地貌成形技术，并在20世纪80年代得以发展和推广。自诞生之日起，三维打印便被人们定义为一项颠覆传统生产方式的革命性技术，已成为引领未来全球制造业发展趋势的关键词，是继蒸汽机、电力、互联网后最伟大的专利技术。经过30多年的发展，三维打印先后出现了多种不同工艺形式，如：光固化(SLA)、叠层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)、实体磨削固化(SGC)等。三维打印技术是一种典型的“增材”制造技术，针对不同的打印工艺，其原理大致相同，即在打印中，工件由打印材料(多为流体或粉末)在实体上逐层堆积固化而成，因此，三维打印也称为生长型制造或分层制造。从软件角度而言，三维打印前模型先后经历了计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)两个过程。三维打印实体模型一般在通用CAD软件里设计完成，如SolidWorks、CATIA等，并将实体模型保存成三角面片模型(如stl)。然后将面片模型导入三维打印专用CAM软件，如MagicsRP、Cura等，CAM软件输出一般为切片文件或G代码文件，其中，G代码文件可直接驱动三维打印机进行打印操作。针对工件模型上的某些危险结构，如内部空洞、悬臂梁等，三维打印CAM软件一般会自动识别并生成支撑。如果不添加支撑，这些结构将在打印过程中坍塌，甚至一开始便无法打印成形。三维打印中，材料本身具有一定的自支撑性，模型上的危险结构一般通过检测模型上各三角面片和水平面夹角来判断。如果该夹角小于给定的临界角，说明当前面片趋向水平，需要对其添加支撑；反之则无需添加支撑。浙江大学金育安提出直接使用切片文件识别模型上需要添加支撑的部位，对相邻切片上下两层多边形进行布尔减运算，得到的区域就是需要添加支撑的部位(参见：金育安,基于挤出成型的增材制造过程规划与运动控制方法研究[D].浙江大学博士论文,2016)。根据所处位置不同，支撑可分为内部支撑和外部支撑，其中内部支撑用于支持模型内部空洞，外部支撑用于支持模型外部悬臂结构。打印完成后，通常需要将外部支撑去除。一方面，由于支撑结构和工件表面直接接触，在去除支撑过程中，可能在工件外表面留下印记，影响其表面纹理及光洁度；另一方面，模型上支撑生成、去除过程必将导致打印材料浪费，延长打印时间，增加工序。为了获得表面质量较好的工件，同时节省打印材料及时间，提高经济效益，三维打印中模型支撑量应尽量减少。模型所需支撑量和模型在工作台上摆放角度直接相关。以某模型上一个水平悬臂梁为例，当模型旋转90度后，水平悬臂梁变成竖直柱子，原来需要添加支撑的结构无需再添加支撑。据此，可运用智能优化算法(如遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等)对模型摆放角度进行迭代优化，从而获得使得支撑量最小的摆放方式。无论是哪种优化算法，在其运算过程中，都需要反复(上千万次级别)计算模型在某一角度放置下的支撑量。三维打印中，常规的支撑量计算方法是在模型生成G代码后对代码文件中进行解析，对尺寸较大的模型，考虑到CAM软件生成G代码可能需要消耗较长时间，相应地，支撑量计算也需较长时间。因此，常规的支撑量计算方法不适用于支撑量迭代优化，针对模型的一种特定摆放，这一过程亟需一种能够高效计算模型支撑量的方法。综上所述，三维打印中减少模型支撑量可以节省打印时间，提高材料利用率，因此有必要对支撑量进行优化，而优化过程需要一种能够快速计算模型支撑量的方法。目前，现有技术只能通过解析G代码获得模型所需的支撑量，但这种方法效率不高，且计算速度随着模型尺寸增加而变慢。依靠现有技术无法实现模型支撑量快速计算。
技术实现思路
为弥补现有技术在三维打印模型所需支撑量计算中的不足，提高支撑量计算速度，本专利技术提供一种三维打印模型摆放所需支撑量的快速估算方法。本专利技术方法不需依赖三维打印CAM软件，无需生成G代码，直接对模型进行处理，具有计算速度快的优点，尤其适合应用在三维打印模型摆放及支撑优化上。一种三维打印模型摆放所需支撑量快速估算方法，包括如下步骤：步骤1：输入需要估算支撑量的三维模型文件以及支撑生成参数；步骤2：设模型沿坐标系Z轴方向生长，在XY平面内找出模型的最小轴平行包络矩形B；步骤3：在矩形B内以d为间距分别作X轴、Y轴的等距平行填充线，得到一系列网格单元，记网格结点集合为{Cij|i∈[0,Nx),j∈[0,Ny)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维打印模型摆放所需支撑量快速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：输入需要估算支撑量的三维模型文件以及支撑生成参数；步骤2：设模型沿坐标系Z轴方向生长，在XY平面内找出模型的最小轴平行包络矩形B；步骤3：在矩形B内以d为间距分别作X轴、Y轴的等距平行填充线，得到一系列网格单元，记网格结点集合为{Cij|i∈[0,Nx),j∈[0,Ny)}，简记为{Cij}，其中Nx、Ny分别表示X填充线数量、Y填充线数量，元素Cij则表示第i条X填充线和第j条Y填充线交点；步骤4：过集合{Cij}中每个网络结点，作一系列平行于Z轴的竖直直线，快速计算各条直线和模型交点，同时记录各交点所在面片法线方向，并对每条直线上各交点按Z坐标从小到大排序；步骤5：对每条直线上的交点，仅考虑序号为奇数，从1开始的交点，根据交点对应的面片法线方向判断面片倾角是否小于临界值，如果小于则说明该面片需要支撑，此时记录该点至其下最近点之间线段距离；步骤6：对记录的线段长度进行累加，总长度乘以网格单元面积可得支撑量体积，输出支撑量。

【技术特征摘要】
1.一种三维打印模型摆放所需支撑量快速估算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：输入需要估算支撑量的三维模型文件以及支撑生成参数；步骤2：设模型沿坐标系Z轴方向生长，在XY平...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅建中，徐冠华，杨波，徐月同，
申请(专利权)人：苏州紫金港智能制造装备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32