多喷头3D打印机并行打印的方法与流程
本发明属于3d打印机技术领域，具体涉及一种多喷头3d打印机并行打印的方法。
背景技术：
3d打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（fdm：fuseddepositionmodeling）原理的3d打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3d打印机。
fdm打印机是通过将打印耗材熔融并挤成丝状后，由点到线再到面慢慢堆叠沉积成型的，因此和面成型的工艺的3d打印技术相比，其打印效率较低，特别是打印较大尺寸的模型时，时常需要数十小时才能完成，因此这就限制了该项技术应用于大尺寸打印机上。目前常见的提高打印效率的方法是增加单层层厚，而增加层厚后会导致打印精度变低，使得模型表面变得粗糙。因此通过简单增加层厚来提高效率并不是理想选择。
目前已有专利提出了通过多喷头并行打印来提高打印效率的结构和方法，如申请号为201510706198.x的发明专利《一种多喷头3d打印机及其协同打印方法》，其提供了一种通过多喷头并行打印来提高打印效率的方法，其给出的方法是通过将多喷头3d打印机的打印平台按喷头数量平均分成n个打印分区，之后先按单喷头的切片算法进行模型切片及路径规划，再对落入不同分区的路径进行重新规划，为了避免相邻两个喷头在并行打印过程中产生干涉，其采用的策略是将每个打印分区再一分为二，得到左右两个子分区。然后在打印时每个打印头均同步打印各自的左子分区或右子分区，待全部完成后，再一起切换到下一分区。
该方案优点在于其采用了多喷头并行打印的思路，从而提高了打印速度，并且其采用的切片算法与单喷头基本一致，只在整体切片完成后对落入不同分区的路径做二次分配，其避免相邻喷头干涉的方法是进一步等分子分区，实现所有喷头打印动作的同步，算法简单，易于实现。
但其缺点也十分突出，其采用直接对打印平台进行平均分区的方法，虽然易于操作，但其无法考虑到待打印模型每个截面的实际情况，这样就无法充分使用多喷头的打印资源，导致打印效率降低。例如打印一个截面为菱形的模型，如图1所示，按其描述的方法，假设菱形横跨3个分区，分别是第1分区11、第2分区12以及第3分区13，每一分区又被分为左右两个子分区，在打印的时候三个喷头分别打印第1左子分区111、第2左子分区121以及第3左子分区131。而由于在填充密度相同时，fdm打印机单层打印时间跟打印区域的截面积正相关，可以理解为近似的正比关系。因此不难理解第1左子分区111会首先打印完成，接着是第3子分区131，最后是第2子分区121。为了不产生干涉，打印机需要等三个左子分区均打印完成后，再一起开始打印三个右子分区，同样三个右子分区也不会同时打印完成。可以看出，三个喷头中有两个喷头会频繁出现闲置，并行打印的效率并不能得到充分发挥。
申请号为201410534951.7的发明专利申请《至少两个打印头的3d打印机的控制方法、打印方法》以及同一申请人提交的申请号为201410445615.5、201410445661.5、201410445664.9、201410445665.3的其他几个基于同一思路的发明专利申请中展示了另一种并行打印的控制方法。该类方案的核心思路是将打印截面等面积地划分出打印头数量2倍的分区。以双打印头为例，其划分出“田”字形的4个区域，位于4个区域中心交界位置的圆形区域是其所述的冲突区域，两个打印头先各自打对应的非冲突区域，之后由其中一个打印头打印中间圆形的冲突区域，这样就解决了多喷头干涉的问题。
该方案的最大缺陷在于，其只考虑到喷头的物理尺寸，而将驱动喷头运动的x、y轴运动机构理想化为宽度为0的一条线，分区方案中并未考虑可能由运动机构造成的冲突区域，因此该方案若要实施的话，其喷头的驱动机构只能是类似串联机械手这类结构，并且摆放位置还有诸多限制。因此实现复杂、成本高，实用性并不理想。
如上分析，可以看出现有技术中多喷头并行打印的方案并不是非常理想。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多喷头3d打印机并行打印的方法，通过采用基于打印截面划分分区的方法，并结合打印时间预估算法及分区算法，使得各喷头组件的打印产能得到充分利用，极大地提高了大尺寸3d打印的效率。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
提出一种多喷头3d打印机并行打印的方法，包括以下步骤：
（1）获取并分析模型文件，在需要的地方添加支撑结构。
（2）将模型文件切片并生成每一打印层的截面，所述截面按类型、填充方式、填充率、材料、打印丝宽或打印速度的不同进行区分，并分别记录对应截面，所述类型是指该区域是模型部分或支撑部分，填充方式指内部填充的样式，常见的填充方式有线条填充、方格填充、三角填充、六边形填充、立体填充等，填充率指某一区域填充材料所占面积与该区域面积的比值。
（3）将所述截面整体分割成k个分区，所述k个分区沿x轴方向依次排列，并选取k个喷头组件，分别规划每个喷头组件的打印路径，使打印过程中各喷头组件之间不会出现干涉，所述k≤t且k为正整数，所述t为喷头组件数量。现有技术中的分区方法是按面积平均分区。
（4）k个喷头组件按照各自规划好的路径同时进行打印。
需要说明的是，所述分区沿x轴方向依次排列是为叙述方便，基于实施例中的多喷头打印机结构而言，并非限定具体实施时一定要按x轴方向排列分区。
优选的，所述截面整体划分成k个分区的方法是采用计算各分区预估打印时间或相对打印时间，所述相对打印时间是指利用与打印时间成正比或近似成正比的参数值作为打印时间，如打印速度相同时，打印时间近似和打印路径长度成正比，因此比较路径长度即可间接知道两者打印时间之间的关系。利用各分区的预估打印时间或相对打印时间，即可判断比较出不同分区方式之间哪种分区方式的总打印时间最少。
理想情况下总打印时间最少的分区方式是，利用上全部的喷头组件，并且每个喷头组件均能够实现满负荷工作，但实际情况在于当分区过小时，相邻喷头组件之间就可能会频繁出现干涉，为避免干涉，多个喷头组件就需要分时打印冲突区域，这样喷头组件的打印产能就会出现闲置，导致总的打印时间变长。因此确定分区数量k需要根据打印截面的实际情况而定，找出采用不同分区数量时各种分区方式中的最优方案。
计算预估打印时间最精确的做法是先规划打印路径，再按设置的打印速度、打印机的加速度等参数结合主板的运动控制算法，计算走完整个路径需要的时间。
优选的，因为上述计算法方法计算量很大，会导致切片时间变得非常长。为简化计算，可以通过计算与打印时间呈近似线性比例关系的参数来估算打印时间。忽略掉打印动作中的加减速等情况，将各运动路径均理想化为匀速运动，则可以发现打印时间t与路径长度l成正比，而与运动速度v成反比，即t=l/v。结合打印丝宽度b、填充率a以及分区面积s，可以发现分区中的实际打印面积sp=s·a=l·b，因此可以推出t=(s·a)/(v·b)。
通常为兼顾打印质量与打印效率，模型打印速度要低于支撑打印速度，模型外圈打印速度低于内部打印速度，一般情况下模型材料与支撑材料的填充率也不相同，另外通常打印丝宽度b与喷嘴直径正相关，喷嘴直径越大打印出来的丝也就越宽，因此进一步考虑到整个分区中，不同子区域的填充率a、打印速度v以及打印丝宽b均可能不同，则更通用化的公式是
优选的，当v与b参数相同或相近，又或差异部分占比较小时，可近似认为所有分区中这两个参数都相同，此时结合上述公式可以发现，此时打印时间与截面的实际打印面积成正比，因此可以通过计算各分区实际打印面积值作为相对打印时间，通过相对打印时间同样可以判断出不同分区方式中打印时间最短的方案。实际打印面积计算公式为
优选的，要避免多喷头组件之间的干涉，需要在路径规划时使相邻喷头组件不会同时出现在冲突区域，为了简化路径规划算法，可以将每个分区中再划分出沿x轴方向排列的左右两个子分区，所述分别规划k个喷头组件的打印路径的方法是规划所有喷头组件先打印同一侧的子分区，待所有喷头组件完成该侧分区打印后再同步开始打印另一侧子分区。比如先同时打印左子分区，待所有左子分区都打印完成后，再一起开始打印右子分区。这种方式的思路是不同分区同步打印各自分区中同一侧的子分区，利用另一侧的子分区将相邻喷头组件隔开，使每一侧子分区打印时相邻喷头组件之间不存在冲突区域。
为了满足同一侧子分区打印时，不存在冲突区域，所述分区数量k满足wmin≥d。所述wmin为除两端的两个子分区外的其他所有子分区在x轴上投影宽度w中的最小值，这里所说的w是指对应子分区在x轴上的投影中不与其他相邻子分区重叠的区域，所述d为两个喷头组件距离最近时打印各自子分区会用到的所有喷嘴在x轴上投影距离的最大值。需要说明的是，当截面积非常小使得k=1，此时因为只用一个喷头组件打印，直接按单喷头方式进行打印，因此就无需计算wmin。容易理解，d是两个喷头组件打印时不出现冲突区域的最小间隔距离，为了计算方便，也可以简单的认为喷头组件中的所有喷嘴均会用到，此时d就变成了完全由打印机机械结构决定的常量。
因为位于两端的子分区，均仅有一侧有相邻子分区，所以他们不需要用来隔离相邻的喷头组件，因而其宽度w就不受限制。
优选的，要达到最高的打印效率，最佳状态是各个同侧的子分区同时完成打印，再一起开始另一侧子分区的打印。但因为要满足上述子分区的最小宽度要求，则不一定能够实现所有子分区打印时间的均分，要使总的打印时间最短，就需要使得所有左子分区预估打印时间中的最大值与所有右子分区预估打印时间中的最大值两者之和最小。因此可以按一定的步进值，列出所有可能的分区方式，并找到各种分区方式中两者之和最小的分区方式。
穷举所有分区方式并比较的计算量较大，为了提高效率，可以先按较大步进值进行全范围的分区比较，找到最优分区方式的大致位置，之后再按较小的步进值在当前的分区位置附近进一步查找最优的分区方式。
虽然通过穷举所有分区方式，可以不受打印截面具体情况的影响，非常精确的找到最优的分区方式，但这种方式需要进行大量的运算，在平台运算速度不足时，可以按预估打印时间平均划分分区，并将k个分区均划分出左右两个子分区，使同侧子分区打印时间相等，并且满足wmin≥d；分区数k取满足上述条件及k≤t的最大整数值。
相较于按一定步进值穷举所有分区方式，这种方式的计算量大为减少，但这种方式简单的采用按预估打印时间平均划分的方法，会出现分区数量取k时，wmin>d，若此时k<t，则喷头组件的产能并不能发挥到极限。此时可以压缩各分区大小，使得wmin=d，多出来的面积由第k+1个喷头组件再进行打印，这样就可以将打印机的产能发挥到极限。实际操作时，先按前述方法得到分区数k，判断是否满足k<t且wmin>d，若满足则按k+1进行分区，使得wmin=d且除两端的两个分区外的其他所有分区打印时间相同，两端的两个分区的预估打印时间小于等于其他分区的预估打印时间。当两端的两个分区如果其划分子分区前的宽度w≤d，则不再划分子分区，例如当最右端的分区宽度w≤d，则可将最右端分区整个都认为是其左子分区，其右子分区的宽度为0。
优选的，为了提高相邻分区或子分区分界处的搭接强度，相邻分区或子分区之间的分界线为曲线或者折线，使得两个分区在交界面处相互交错，提高搭接强度。
近一步的，相邻打印层之间的分区或子分区的分界线也不在垂直方向投影面上重合，即相邻打印层截面垂直投影到同一平面后，两者各自的分界线是错开的，使得模型各层的分界线分布在一定范围内，而不是集中在一起，提高打印模型整体的强度。
需要说明的是，上述方法中所提到的如平均划分分区、打印时间最少、打印时间相等都是该方法的理论最优解，实际操作中，因为计算平台计算能力的限制，往往并不会去找寻绝对的平均、最少或者相等，比如当一种分区方式使各分区之间的预估打印时间之间的最大偏差小于1%，就可以近似认为他们是相等的，因为要消除1%的偏差需要花费大量的算力，但最终的打印效率提升却很小，因此找寻绝对的最优解并不经济。操作中，可以按方法中所述的最优解为目标，设置允许的最大偏差，当小于最大允许偏差时，就认为已经实现最优解了。
本发明与现有技术相比，通过采用基于打印截面的分区方法，实现分区后各喷头组件工作量的优化分配，并进一步提出通过计算各分区的预估打印时间，使分区后的总打印时间最少，充分利用打印机的产能，提高了打印机整体的打印效率。同时提出打印时间预估算法以及分区算法，加入对截面填充率、打印速度、打印丝宽等参数的计算，可以适应截面中包含多种速度、多种填充率的打印情况，使得分区更加精确，打印效率更高。
附图说明
图1为现有技术中并行打印分区示意图。
图2为多喷头3d打印机的运动结构示意图。
图3为打印件模型三维图。
图4为打印件模型添加支撑后的前视图。
图5为打印件模型切片后其中一层打印层截面。
图6为打印件模型截面分区后的示意图。
图7为多喷头3d打印机喷头部分的前视示意图。
图8为满填充矩形截面分区示意图。
图9为截面分区分界线的几种形式示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明多喷头3d打印机并行打印的方法做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。
多喷头3d打印机并行打印的方法实施例：
图2展示的是具有多个独立喷头组件的运动结构示意图，x轴导轨21上设有多根y轴导轨22，多个喷头组件23安装在各自对应的y轴导轨22的滑块上，多根y轴导轨22均可在x轴导轨21上独立运动，本实施例将基于该结构阐述多喷头并行打印的方法。
本实施例给出的多喷头并行打印的方法，包括：
（1）获取模型文件，并对模型文件进行分析，在需要增加支撑的地方添加相应的支撑结构；
（2）将模型文件进行切片，生成每一打印层的截面。每一打印层截面按类型、填充率、材料、打印丝宽或打印速度等参数的不同分成若干区域，对每个区域进行单独记录；
（3）按打印截面的实际大小，将打印截面整体分割成k个分区，所分的k个分区沿x轴方向依次排列，并选取k个喷头组件，分别规划每个喷头组件的打印路径，使打印过程中各喷头组件之间不会出现干涉，分区数量k不能超过喷头组件数量t；
（4）k个喷头组件按照各自规划好的路径同时进行打印。
下面以图3所示的模型为例，详细说明各步骤的实施细节。
首先获取并分析模型文件，如图4所示，该模型为倒u形结构，模型31的顶部横梁下方为悬空结构，因此打印时需要在顶部横梁下方添加支撑结构32。
打印模型添加完支撑结构后，就可以进行切片。图5为模型切片后其中一层的打印层截面。按类型分可将截面分为模型部分（包括模型壁外圈311、模型壁内圈312、模型填充313）以及支撑部分321；按填充率可分为100%填充部分（包括模型壁外圈311、模型壁内圈312）、50%填充部分（包括模型内部填充313）、10%填充部分（包括支持部分321）；因为该例中仅使用一种模型材料和一种支撑材料，因此按材料划分结果与按类型划分相同；本例中所有区域的打印丝宽均为0.4mm，因此不需按打印丝宽划分；按打印速度划分，可以分为40mm/s打印速度部分（包括模型壁外圈311）、70mm/s打印速度部分（包括模型壁内圈312、模型内部填充313）以及80mm/s打印速度部分（包括支撑部分321），综合上述各参数的划分结果，使得每个区域内各项参数相同，该截面最终可以分为模型壁外圈311、模型壁内圈312、模型内部填充313以及支撑部分321共四个区域。
为简化计算，也可以将面积占比较小或相互间差异不大的参数区域与相近区域进行合并。如模型壁外圈311与模型壁内圈312只是打印速度上的差异，且模型壁外圈311一般只有单条丝，其对整个截面占比很小，因此可将模型壁外圈311与模型壁内圈312合并，按模型壁内圈312的参数进行计算，对最终影响较小。如果模型壁相对于模型整体面积占比很低时，甚至也可以将模型壁外圈311、模型壁内圈312、模型内部填充313三者不作区分，计算时按面积占比最大的模型内部填充313的参数进行计算。
之后将切片后的截面进行分区，总打印时间最少的分区方法是使得分区后所有喷头组件的预估打印时间相等，这样整个打印过程中，各喷头组件都处于满负荷工作状态，因而打印机整体的产能最高。如图6所示，以3喷头组件打印机为例，将截面分为3个分区，分别是第1分区41、第2分区42、第3分区43，并使得3个分区的预估打印时间基本相等。如图所示，411为第1分区模型壁外圈，412为第1分区模型壁内圈，413为第1分区模型内部填充，421为第2分区模型壁外圈，422为第2分区模型壁内圈，423为第2分区模型内部填充，424为第2分区支撑部分，431为第3分区模型壁外圈，432为第3分区模型壁内圈，433为第3分区模型内部填充。
本实施例中，各分区的预估打印时间通过公式
分区时，在计算能力允许的情况下，可采用二分法，逐次调整分区位置，逼近偏差为零的理想分区状态，以使各喷头组件产生空闲的几率降到最低。
该截面中一共存在3种打印速度，分别是模型壁外圈311的打印速度40mm/s，模型壁内圈312和模型内部填充313的打印速度70mm/s，以及支撑部分321的打印速度80mm/s。40mm/s的区域仅为模型壁外圈一圈打印丝，而80mm/s的支撑部分321因为其填充密度仅10%，实际打印面积相对较小，加之其与模型主体部分70mm/s的打印速度相差不大，因此在计算能力不充裕时，可忽略这两个区域打印速度的差异，近似认为实际打印面积与预估打印时间成正比，因此可直接按实际打印面积值作为相对打印时间值参与到后续计算，例如要求打印时间相等可以转换成要求实际打印面积相等。可按公式
直接使用3个喷头组件并行打印3个分区时，需要考虑相邻喷头组件之间的干涉问题，路径规划比较复杂。为了简化并行打印时的路径规划，可以将上述分区中再各自分成左右两个子分区。如图6所示，第1分区41被分成第1左子分区41a和第1右子分区41b，同样的，第2分区42被分成第2左子分区42a和第2右子分区42b，第3分区43被分成第3左子分区43a和第3右子分区43b。
划分子分区，需要尽量使得各同侧的子分区的打印时间相等，这样所有喷头组件可以用大致相同的时间打完同一侧的子分区。在所有喷头组件打印完成后，再同步开始另一侧子分区的打印。
之前的分区方法适用于一般情况，但在打印截面较小时，则需要考虑当前的分区是否能够满足三个喷头组件同时打印而不产生干涉。
在进行干涉判断之前，需要首先确认相邻喷头组件在打印时不会出现运动冲突区域的最小间隔距离d。如图7所示，本例中第1分区41只需要打印模型材料，因此只会用到t11喷嘴，第2分区42需要打印模型与支撑两种材料，因此其用到了t21与t22两个喷头。如图所示，当两个喷头组件相距最近时，t11喷嘴与t22喷嘴在x轴上投影距离是所有用到的喷嘴中投影距离的最大值d。为了简化判断流程，也可以不考虑喷嘴是否使用到，将所有喷嘴中投影距离的最大值作为d。
确定分区数量k的方法是，先确定截面总宽度wt，并判断喷头数量t与wt/(2d)的大小关系，并取k为两者中的较小值进行分区。
分区时首先按预估打印时间平均分区，再将各分区划分左右两个子分区，使得所有同侧子分区的预估打印时间相等并且wmin最大，wmin是指除两端的两个子分区外的其他所有子分区宽度的最小值，当各子分区与相邻子分区的分界处在x轴上投影存在重叠时，以各子分区非重叠区域的宽度计为其宽度w。
之后判断wmin与d的关系，当wmin≥d，则完成分区，若wmin<d则取k=k-1，并重复进行上述分区操作，直到wmin≥d。当打印截面很小时，取k=2还无法满足上述条件，则取k=1，此时按单喷头方式打印，因此也无需计算wmin。
但这种确定分区数量k的方法无法找到最优的分区方式，原因在于其总是要求按预估打印时间平均划分各分区，这样只会在wmin=d时为最优解，因此如果按此方法分区完之后wmin>d，且还有空余喷头组件时，可使分区数量k增加1，并重新分区，使wmin=d，除两端的两个分区外，中间其余分区预估打印时间相同，当两端的两个分区如果其划分子分区前的宽度w≤d，则不再划分子分区，例如当最右端的分区宽度w<d，则可将最右端分区整个都认为是其左子分区，其右子分区的宽度为0。
举例说明，如图8所示，假设打印100%填充的长方形截面，打印速度与丝宽均相同，容易理解此时打印宽度与打印时间成正比，设d=100mm，当截面总宽度为540mm时，按此方法分区，取k=2，每个子分区宽度均为135mm，每个喷头组件需要打印的宽度为270mm，参考图中的a分区方案，其中阴影区域为各分区的左子分区，非影响区域为各分区的右子分区；而如果取wmin=d进行分区，则可取k=3,除最右侧的右子分区宽度为40mm外，其余子分区宽度均为100mm，因此单个喷头组件需要打印的最大宽度为200mm，参考图中的b分区方案。可以看出b分区方案才是该截面的最优分区方式。
当打印截面为异形结构或者填充密度非常不均匀时，上述分区方法就不一定能够很好的找到最优分区方式了，这种情况下可以通过按一定步进穷举所有的分区可能性，并通过计算找到所有左子分区预估打印时间中的最大值与所有右子分区预估打印时间中的最大值两者之和最小的分区方式。操作时，可以先按较大的步进值找到其中最优的分区方式，之后再按较小的步进值在当前分区位置附近进一步搜索最优分区方式。这种方式可以很好的实现各种截面的最优分区，但缺点在于其需要的计算量非常大，因此可根据实际情况选择采用哪种分区方式。
为了增强分界处的搭接强度，这里将分区或子分区之间的分界线设计为相互交错的曲线或折线形式，如图9所示，图中给出了几种采用折线和曲线的分界线的形式，其中形式1与形式2为折线分界线，形式3与形式4为曲线分界线，相较而言曲线分界线整体更加平滑，结构上也不易出现应力集中点，因此更优，从拼合效果上看形式2与形式4采用倒扣结构，可以使两个分区拼合更加可靠。两个分区相互嵌入到对方内部一定深度，这样可以使分区或子分区的分界线处的连接强度更高，使打印出的模型不会因为分区而导致在分界面处强度明显降低。
同时上下层各自的分界线也是相互错开的，使各层的分界线不完全重合，这样就使得模型的脆弱点不会集中在一起，从而使拆分打印后模型的整体强度能够与常规单喷头打印的模型的强度大致相当。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
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