一种复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法技术

本发明专利技术提出了一种复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法，本发明专利技术针对复杂非均质NURBS体参数化模型的三维打印技术，给出了切片及支撑点求解的算法。首先构建复杂NURBS体参数化模型，为控制点添加两组分材料信息构建HNURBS体参数化模型，实现模型材料信息连续可视化表达；对HNURBS体参数模型进行等参单元网格采样后与一系列平面进行求交运算，对求交结果进行拓扑信息重建，得到切片的截面信息；对相邻的两截面数据进行布尔运算，得到三维打印模型的支撑点添加位置。本发明专利技术解决了复杂HNURBS体参数化模型面向三维打印的切片及支撑求解问题。

A Method for Obtaining Slices and Support Points of Parametric Models of Complex Heterogeneous Bodies

The invention provides a method for obtaining slices and support points of complex heterogeneous parameterized model. The invention provides an algorithm for solving slices and support points of complex heterogeneous NURBS parameterized model for three-dimensional printing technology. Firstly, a complex NURBS volume parameterized model is constructed, and two components of material information are added to the control point to construct the HNURBS volume parameterized model, which realizes the continuous visualization of material information of the model. After sampling the HNURBS volume parameterized model with isoparametric element meshes, intersection operations are performed with a series of planes, and the intersection results are reconstructed with topological information to obtain the section information of adjacent slices. Boolean operation is performed on the cross-section data to obtain the position of the support points of the three-dimensional printing model. The invention solves the problem of slicing and supporting solution of complex HNURBS volume parametric model for three-dimensional printing.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法
本专利技术涉及快速成型
，尤其涉及一种复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法。
技术介绍
增材制造技术或3D打印技术诞生于20世纪80年代后期，采用材料堆积的方法来制造产品，因为其在复杂结构制造和快速成型方面的突出表现，被称为20世纪制造业领域的一项重大成果，并在生物医学、航空航天、建筑、科技文化等领域得到了快速发展及广泛的应用。目前三维打印产品材料设计方法一方面为由一种材料制造而成的均质产品，另一方面为由有限种材料分区域或体素构建的非均质产品，而针对两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的梯度功能材料研究较少。梯度功能材料因为梯度功能的涂覆型、连接型、整体型而在各个领域却具有十分广阔的应用前景。但目前三维打印技术面向的模型主要为以STL数据格式保存的B-Rep模型，由于STL数据结构只包含点与面的信息，因此在添加材料组分方面存在较大的困难。以NURBS作为基函数的体参数化模型实体表达方法，NURBS高阶连续性保证了存在许多有效且数值稳定的算法来产生和优化体参数模型，而且基于该模型的等几何分析方法具有强大的灵活性、优异的精确性和收敛性等优势，因此一经提出在各领域得到了应用及推进。体参数化模型的控制点控制模型的几何形状，为控制点添加材料特征，通过NURBS基函数实现模型材料和几何的并行设计，构成材料空间映射到实体域，从而完成非均质体参数化模型的构建，实现材料的连续性表达。三维打印过程是将三维模型离散为二维图形，再对二维图形进行累加的增材制造方式，切片处理为三维过程中非常重要的一步。随着产品材料组分和几何结构愈加复杂，在打印产品模型的悬空部位时，材料因悬在空中而无法融合，因此需要在切片前对物体模型悬空部位下方添加支撑结构或设计模型的自支撑结构，作为物体模型的一部分被打印机打印，这样在打印悬空部位时材料能够与下方的支撑结构凝结，从而完成三维打印。由于复杂非均质体参数化模型的构建较为困难，故现有的切片及支撑求解算法也基本为面向B-Rep模型，针对非均质NURBS体参数化模型的研究很少。
技术实现思路
为克服现有技术中的问题，本专利技术提出了一种复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法，包括如下步骤：S100：构建材料连续表达的HNURBS体参数模型，并实现所述HNURBS体参数模型的材料信息连续可视化表达；S200：将HNURBS体参数模型划分为等参数线网格单元；S300：得到所述等参数线网格单元的切片截面；S400：重建轮廓拓扑信息，并拟合出各切片截面的轮廓；S500：根据轮廓的拓扑关系树结构对各切片截面之间的轮廓进行布尔运算，获取该切片截面点上的支撑点。本专利技术提出的所述复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法中，所述构建材料连续表达的HNURBS体参数模型包括：S101：构建复杂NURBS体参数化模型；S102：对控制点赋予材料信息；S103：根据参数域与实体域的映射关系，构建材料连续表达的HNURBS体参数模型。本专利技术提出的所述复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法中，所述实现所述HNURBS体参数模型的材料信息连续可视化表达包括：S104：通过灰度值来表示不同的材料组分，实现HNURBS体参数模型的材料信息连续可视化表达。本专利技术提出的所述复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法中，所述将HNURBS体参数模型划分为等参数线网格单元包括：S201：根据NURBS体参数理论，对参数域则沿u,v,w方向，平均细分为n,m,l等分；S202：构成的新的节点向量空间U',V',W'，将HNURBS体参数模型划分为等参数线网格单元。本专利技术提出的所述复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法中，所述拟合出各切片截面的切片截面轮廓包括：S301：以不同方向切平面与所述等参数线网格单元求交得到含有材料、几何信息截面点；S302：根据各截面点与截面几何中心的角度进行排序，得到所述等参数线网格单元的切片截面。本专利技术提出的所述复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法中，所述得到所述等参数线网格单元的切片截面包括：S401：重建所述切片截面的拓扑信息；S402：根据切片截面的连通域，筛选等参数线网格单元截面点及边界；S403：建立以截面点作为关键码边界两顶点作为值的哈希表；S404：根据哈希表拟合出当前层切片截面的切片截面轮廓。本专利技术提出的所述复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法中，所述获取该切片截面点上的支撑点包括：S501：对每一个切片截面中轮廓的封闭区域进行编号；S502：通过判断切片截面轮廓的包含关系，以每个轮廓作为一个节点，构建拓扑关系树结构；S503：对所有节点按照奇偶层次关系分组，对子树内相邻两层切片截面的轮廓进行布尔运算确定截面连通区域，获得该切片截面点支撑点。本专利技术提出的所述复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法中，所述对子树内进行布尔运算包括：父子节点之间的差运算，满树时兄弟节点之间的交运算，非满树时兄弟节点之间的并集运算，以及子树树根之间的并集运算。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：通过含有材料信息的控制点，构建HNURBS体参数化模型，通过多个HNURBS体参数化模型粘合在一起，组成结构形状复杂的HNURBS体参数化模型，对模型进行等参数线网格单元划分；对等参数线线网格单元与平面求交得到截面数据，截面数据拟合得到三维打印切平面，最后根据相邻两层截面数据的布尔运算求解得出支撑点。本专利技术获取方法为基于HNURBS体参数化模型的三维打印快速成型技术提供了支持。附图说明图1为NURBS体参数模型参数域与实体域的映射关系。图2为多片体参数化模型参数域与物理域的映射及控制点共享关系。图3为沿等参数线划分体参数化模型。图4为平面与等参数线网格单元截面形状。图5为等参数线网格单元边分组。图6为平面与线段的交点。图7为等参数线网格单元截面点坐标。图8为凸多边形点排序。图9为切片截面点排序结果。图10为HNURBS体参数化模型截面拟合。图11为构建截面边界轮廓。图12为多片体参数化模型的边界轮廓。图13a为单连通区域边界轮廓。图13b为单连通区域边界构建的哈希表。图14a为多连通区域边界轮廓。图14b为多连通区域边界构建的哈希表。图15a为切片截面中轮廓的封闭区域及其编号示意图。图15b为切片截面中轮廓的封闭区域示意图。图15c为切片截面中轮廓的关系树结构。图16a为图15c中第一颗满子树父子差运算后进行兄弟交运算得到的结果。图16b为图15c中第二颗非满子树中父子差运算后进行兄弟并运算得到的结果。图16c为图15c中每颗子树进行并集运算后求解得到的截面区域。图17为截面点坐标转换。图18为判断点是否在截面区域内。图19为构建的HNURBS体参数化模型。图20为不同位置截面轮廓。图21为Block模型相邻两层之间的支撑点求解过程。图22为HNURBS体参数化模型的切片及支撑点求解。图23为复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法的流程示意图。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术提出的复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法进行更详细的描述，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法，其特征在于，包括如下步骤：S100：构建材料连续表达的HNURBS体参数模型，并实现所述HNURBS体参数模型的材料信息连续可视化表达；S200：将HNURBS体参数模型划分为等参数线网格单元；S300：得到所述等参数线网格单元的切片截面；S400：重建轮廓拓扑信息，并拟合出各切片截面的轮廓；S500：根据轮廓的拓扑关系树结构对各切片截面之间的轮廓进行布尔运算，获取该切片截面点上的支撑点。

【技术特征摘要】
1.一种复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法，其特征在于，包括如下步骤：S100：构建材料连续表达的HNURBS体参数模型，并实现所述HNURBS体参数模型的材料信息连续可视化表达；S200：将HNURBS体参数模型划分为等参数线网格单元；S300：得到所述等参数线网格单元的切片截面；S400：重建轮廓拓扑信息，并拟合出各切片截面的轮廓；S500：根据轮廓的拓扑关系树结构对各切片截面之间的轮廓进行布尔运算，获取该切片截面点上的支撑点。2.根据权利要求1所述的复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法，其特征在于，所述构建材料连续表达的HNURBS体参数模型包括：S101：构建复杂NURBS体参数化模型；S102：对控制点赋予材料信息；S103：根据参数域与实体域的映射关系，构建材料连续表达的HNURBS体参数模型。3.根据权利要求2所述的复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法，其特征在于，所述实现所述HNURBS体参数模型的材料信息连续可视化表达包括：S104：通过灰度值来表示不同的材料组分，实现HNURBS体参数模型的材料信息连续可视化表达。4.根据权利要求1所述的复杂非均质体参数化模型的切片及支撑点获取方法，其特征在于，所述将HNURBS体参数模型划分为等参数线网格单元包括：S201：根据NURBS体参数理论，对参数域则...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈龙，何文彬，韩文瑜，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31