三维打印方法及系统与制造工艺

本发明属于三维打印领域，特别涉及一种三维打印方法及系统。

背景技术：
借助于计算机控制和快速成型材料等技术的发展，三维打印成为当前工业设计、制造行业的热门话题，通过计算机控制喷头，现有技术已可以成功地将计算机虚拟设计的三维数字模型打印成真实的物品。三维打印是一个将虚拟模型通过逐层打印构造成实体物品的过程，在将虚拟转化为现实时需要面对虚拟设计中所未考虑的实际物理性质的影响，典型地如物体的重力、重心、体积、各方向长度以及打印环境等因素，都可能影响成品的实际效果。在三维打印时，起始打印方向对成品率有较大影响，对于不太规则的物体，打印过程中重力会逐渐产生作用影响物体的稳定性，因而打印方向不对可能会造成打印失败和浪费材料等结果。例如，在打印如图1所示的物体时，如果选择了左侧方案为打印方向，则物体打印过程中重心稳定，效果最佳；如果选择了右侧方案为打印方向，则因为重心不稳很难保证模型和打印平板的贴合，打印很可能会失败。为解决上述问题，现有技术一般会在用户选定模型后再让用户选择起始打印方向。在人工设定的情况下，打印方向的选择很需要经验，专业的工程师一般可以根据经验选择一个合适的打印方向；越有经验的工程师，选择的方向越理想，从而可得到更好的打印效果。然而，个人消费者用户一般没有很多三维打印经验，特别是初学者，经验更少，往往使用默认的模型打印方向，既Z轴向上。通常专门针对三维打印而设计的模型为了方便打印，设计完成的默认方向已经是最优方向；但是，更多的三维数字模型本身并不是为三维打印所设计的，因此很多时候三维打印方向未必为最优方向，大大影响了三维打印的成品率。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种三维模型预处理的三维打印技术，在向三维打印机输出三维形体时，通过分析和处理三维数字模型，确定合适的打印方向；采用本发明的技术方案可大幅优化三维打印效果。根据本发明的一个方面，提供了一种三维打印方法，包括步骤：读取模型数据，确定模型形状，按默认打印方向预置模型；判断在当前打印方向下模型是否超出打印体积和/或模型是否需要支撑；若模型超出打印体积，则遍历旋转角度筛选边界距离最小的打印方向作为实际打印方向；若模型需要支撑，则利用支撑系统生成算法筛选支撑体积最小且底面积较大的打印方向作为实际打印方向；若上述两种情况均不存在，则以默认打印方向作为实际打印方向；按照实际打印方向重新配置模型数据，控制喷头按照实际打印方向进行三维打印。基于上述方法，优选地，所述遍历旋转角度筛选包括步骤：在默认打印方向下将模型的中心平移到打印体积的中心；进行边界检查，定义第一目标函数为在打印空间以外的模型点到打印空间矩形边界的距离，计算默认打印方向下第一目标函数值；以二分法调整旋转角度进行遍历，分别计算各旋转角度下的第一目标函数值；若在遍历过程中出现第一目标函数值为0的情况，则直接以当前旋转角度对应方向作为实际打印方向；若遍历结束也无第一目标函数值为0的情况，则以第一目标函数值最小的旋转角度缩小模型并以其对应方向作为实际打印方向。基于上述方法，优选地，所述利用支撑系统生成算法筛选包括步骤：定义第二目标函数为需要生成的支撑体积，读取模型的各个三角形，判断其是否满足作为底面的条件；若某三角形可作为底面，则将该三角形及其法矢量加入备选打印方向集合；对于备选打印方向集合中的每个打印方向按底面积大小排序，随后计算每个打印方向第二目标函数值，以第二目标函数值最小的作为实际打印方向。基于上述方法，优选地，三角形面满足作为底面的条件包括：以三角形所在的面为xy平面，以三角形法矢量的反向为z轴，以三角形中心为原点，建立坐标系，将模型旋转至该坐标系下；如果模型全部点的z值都不小于0，那么此三角形可以作为底面。基于上述方法，优选地，所述每个打印方向按底面积大小排序包括：对于每个打印方向，计算属于这个方向的三角形面积之和作为该方向的底面积并以此排序。基于上述方法，优选地，所述以二分法调整旋转角度进行遍历包括：预设模型的初始旋转角度和最小旋转角度，预设当前旋转角度为初始旋转角度；遍历时，每次按当前旋转角度的大小旋转模型，计算旋转后的第一目标函数值并与旋转前第一目标函数值比较，选择值较小的作为新的方向；在新的方向的基础上继续旋转模型，直至遍历完当前旋转角度下的所有方向；若未出现第一目标函数值为0的情况，在将当前旋转角度的值乘以1/2后重复上述遍历；若在上述遍历过程中出现第一目标函数值为0的情况、或者当前旋转角度小于最小旋转角度，则结束遍历输出第一目标函数值为0或最小的方向。基于上述方法，优选地，所述方法中，预设可接受的最小底面积值，该最小面积值由支撑是否牢固决定，小于此值的底面积不予考虑。根据本发明的另一个方面，还同时提供了一种三维打印系统，包括：预置模块，用于读取模型数据，确定模型形状，按默认打印方向预置模型；判断模块，用于判断在当前打印方向下模型是否超出打印体积和/或模型是否需要支撑；旋转优化模块，用于在模型超出打印体积时，遍历旋转角度筛选边界距离最小的打印方向作为实际打印方向；支撑优化模块，用于在模型需要支撑时，利用支撑系统生成算法筛选支撑体积最小且底面积较大的打印方向作为实际打印方向；默认打印模块，用于在上述两种情况均不存在时，以默认打印方向作为实际打印方向；打印控制模块，用于按照实际打印方向重新配置模型数据，控制喷头按照实际打印方向进行三维打印。基于上述系统，优选地，所述旋转优化模块包括：平移模块，用于在默认打印方向下将模型的中心平移到打印体积的中心；检查模块，用于进行边界检查，定义第一目标函数为在打印空间以外的模型点到打印空间矩形边界的距离，计算默认打印方向下第一目标函数值；遍历模块，用于以二分法调整旋转角度进行遍历，分别计算各旋转角度下的第一目标函数值；第一输出模块，用于在遍历过程中出现第一目标函数值为0的情况时，直接以当前旋转角度对应方向作为实际打印方向；或者在遍历结束也无第一目标函数值为0的情况时，以第一目标函数值最小的旋转角度缩小模型并以其对应方向作为实际打印方向。基于上述系统，优选地，所述支撑优化模块包括：...