一种基于3D打印路径的支撑优化打印方法与流程

本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种基于3d打印路径的支撑优化打印方法。

背景技术：

3d打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3d打印技术可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期，在工业设计、建筑、工程和施工(aec)、汽车，航空航天等领域都有着重要应用。

然而，现有的fdm3d打印机由于其层层叠加的本质，在打印空洞以及悬臂时都需要进行支撑结构的打印以支撑下一层材料的打印。在打印过程中打印支撑额外增加了打印一个零件的总时间，且所有的支撑在打印完成后，都必须人工去除，浪费了材料。因此，进一步对3d打印支撑方法进行改进和优化，有效减少打印时的支撑使用，节约耗材，对3d打印技术具有重要的推进作用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有3d打印技术在打印空洞以及悬臂部件时需进行支撑结构打印且目前支撑打印普遍存在耗材高、费时长等的问题，提出一种基于打印路径规划的支撑优化打印方法，可有效减少3d打印支撑的使用以减少耗材并提高打印效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于3d打印路径的支撑优化打印方法，它包括如下步骤：

1)根据待打印产品需求，确定打印参数，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t(最大间隔打印距离)；

2)根据待打印产品的结构特征，将需要进行支撑的平面结构投影于直角坐标系中，获取需要支撑部分的总体轮廊和需要进行支撑的支撑平面信息；

3)根据所得支撑平面的轮廊信息并结合对应的悬空高度信息，计算轮廊部位需打印支撑的轮廊支撑体积vcontour，其中vcontour＝scontourdnozzle，scontour为轮廊部位需打印支撑的总面积，dnozzle为打印喷头的直径；

4)设定支撑平面中3d打印路径方向与直角坐标系中的水平方向的夹角为打印路线角度θ；

5)计算总内部支撑体积：在支撑平面中，沿设定的3d打印路径方向分别找到最左和最右的两个端点a和d，在支撑平面内从a点开始沿打印路径方向按照距离t在支撑平面内间隔制作n个垂直于打印路径方向的直线段li，i取1～n，直至ln与d点的距离小于等于t，设定直线段li为第一层支撑，每个第一层支撑分别由根第二层支撑柱来支撑，根据第一层支撑长度、第二层支撑柱数量和第二层支撑柱高度hnm计算得总内部支撑体积vinterior；

6)计算沿打印路径方向打印时所需总支撑体积为v＝vcontour+vinterior；

7)改变打印路线角度θ值，计算最小总支撑体积vmin及对应的打印路径角度θmin，其中0°≤θ＜180°；

8)按对应的打印路径方向打印所需支撑结构。

上述方案中，所述待打印产品为含有悬臂结构，且悬臂结构待支撑面为平面的产品。

优选的，步骤3)中轮廊切线方向与3d打印路径方向平行的部位无需打印支撑。

上述方案中，所述scontour的计算方法为：其中xb为支撑平面的轮廊周长，其中轮廊周长不计入与3d打印路径方向平行部位的长度，xc取值为0，f1(x)为支撑平面轮廊在y-z平面展开后的轮廊函数(为待打印的平面结构轮廊的高度函数)，f2(x)为支撑平面轮廊在其对应的底部有材料部位或直至打印平台上的投影轮廊在y-z平面展开后的函数(带打印的平面结构的轮廊进行投影对应的下方产品结构或打印平台的高度函数)。

上述方案中，所述

上述方案中，所述最小总支撑体积vmin的计算方法见图1；其中sum值的设定应远大于待打印物体的总体积，且其中dnozzle数值随实际采用的3d打印机规格进行调整。

上述方案中，步骤1)中所述待打印产品需求为打印温度、打印层厚度、冷却风扇速度等影响参数中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明首次提出一种基于3d打印路径的支撑结构优化打印方法，首先根据打印参数条件确定可打印的最大桥梁长度，然后根据待支撑部位的结构特征及设定的打印路径方向，计算所需支撑体积最小时对应的打印路径方向并确定所需支撑打印方案；本发明结合具体的打印条件并对打印路线进行优化，进一步优化支撑打印方案，在保证打印质量的基础上，可显著降低所需支撑打印量，有效减少3d打印支撑的使用量并提高打印效率；同时，由于本方法采用最大桥梁长度作为支撑，支撑与被支撑平面的接触面积显著降低，可有效减少支撑对被支撑平面的表面质量破坏且更易于剥离支撑。

附图说明

图1为最小总支撑体积vmin的实施算法示意图。

图2为本发明实施例中所述支撑优化打印方法的总支撑体积计算的流程示意图。

图3为本发明实施例所述支撑优化打印方法中根据打印参数确定最大桥梁长度t的试验结果。

图4为本发明应用例1中待打印产品的结构示意图，其中(a)为3d视图，(b)为主视图，(c)为俯视图；模型尺寸如图所标示，单位为mm。

图5为本发明应用例1中，(a)cura15.04方法中的线性支撑，(b)cura15.04方法中的网格支撑，(c)本发明所述支撑优化打印方法的支撑结构示意图。

图6为本发明应用例1中，分别利用(a)cura15.04方法中的线性支撑，(b)cura15.04方法中的网格支撑，(c)本发明所述支撑优化打印方法的支撑结构所得产品去除支撑后的表面质量示意图。

图7为本发明应用例1中，分别利用(a)cura15.04方法中的线性支撑，(b)cura15.04方法中的网格支撑，(c)本发明所述支撑优化打印方法的支撑结构所得最终产品的结构示意图。

图8为本发明应用例1中打印产品悬臂结构的不同打印路径示意图。

图9为本发明应用例2中待打印产品的结构示意图。

图10为本发明应用例2中，(a)cura15.04方法中的线性支撑，(b)cura15.04方法中的网格支撑，(c)本发明所述支撑优化打印方法的支撑结构示意图。

图11为本发明应用例2中，分别利用(a)cura15.04方法中的线性支撑，(b)cura15.04方法中的网格支撑，(c)本发明所述支撑优化打印方法的支撑结构所得最终产品的结构示意图及其去除支撑后的表面质量示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种基于3d打印路径的支撑优化打印方法，其中对应的总支撑体积计算流程示意图见图2，具体包括如下步骤：

1)根据待打印产品需求，确定打印参数，根据打印参数进行打印试验(试验结果见图3)，确定可打印的最大桥梁长度t(最大间隔打印距离)，由图3可以看出不同打印参数变化时对最大桥梁长度t的影响；

2)根据待打印产品的结构特征，并将需要进行支撑的平面结构投影于直角坐标系中，并使该平面结构的长度方向平行于水平方向x轴，获取需要支撑部分的总体轮廊和需要进行支撑的支撑平面信息area(support)，且分别标出支撑平面轮廊中的端点或拐点a、b、c、d、e、f、g；

3)根据所得支撑平面的轮廊信息并结合对应的悬空高度，计算轮廊部位需打印支撑的轮廊支撑体积vcontour，其中vcontour＝scontourdnozzle，scontour为轮廊部位需打印支撑的总面积，dnozzle为打印喷头的直径，其中xb为b点的横坐标(不计入与3d打印路径方向平行部位的长度的轮廊周长)，xc为c点的横坐标(0)，f1(x)为支撑平面轮廊在y-z平面展开后的轮廊函数，f2(x)为支撑平面轮廊在其对应的底部有材料部位或直至打印平台上的投影轮廊在y-z平面展开后的函数；

4)设定支撑平面中3d打印路径方向与直角坐标系中的水平方向的夹角为打印路线角度θ；

5)计算总内部支撑体积：在支撑平面中，沿设定的3d打印路径方向分别找到最左和最右的两个端点a和d，在支撑平面内从a点开始沿打印路径方向按照距离t在支撑平面内间隔制作n个垂直于打印路径方向的直线段li，i取1～n，直至ln与d点的距离小于等于t，设定直线段li为第一层支撑，每个第一层支撑分别由根第二层支撑柱来支撑，根据第一层支撑长度、第二层支撑柱数量和第二层支撑柱高度hnm计算得总内部支撑体积vinterior，

6)计算沿打印路径方向打印时所需总支撑体积为v＝vcontour+vinterior；

7)改变打印路线角度θ值，计算最小总支撑体积vmin及对应的打印路径角度θmin，其中0°≤θ＜180°，计算流程示意图见图2；

8)按最小总支撑体积vmin对应的打印路径方向打印所需支撑结构。

将上述支撑优化打印方法应用于具体产品支撑打印，具体优化结果如下：

应用例1

1)输入待打印产品的三维模型(见图4)，根据待打印产品需求，确定打印参数(打印温度190℃，打印层厚度0.2mm，冷却风扇速度255rpm，打印速度20mm/s)，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t＝2mm；

2)将待打印产品模型和支撑体积为v的计算方法输入图1所示算法，求得最终的最优打印路径方案并生成对应的支撑结构，其中轮廊中线段方向与3d打印路径方向平行的部位无需打印第一层支撑；

3)将所得最优支撑结构和产品一起进行打印，得最终产品。

将传统cura15.04提供的线性和网格支撑与本应用例所述支撑优化打印方法进行对比，采用的支撑结构示意图、产品去除支撑后的表面质量示意图和最终产品结构示意图分别见图5～7，所需支撑使用量分别为2.1g、2.3g和0.4g(本应用例)。

上述结果表明：本发明所述支撑结构优化方法采用路径规划基于最大可打印桥梁长度的方式，可显著降低支撑材料消耗，且支撑和被支撑平面间的接触少，支撑表面的痕迹也最少，有利于提升打印质量且易于剥离支撑。

图8和图9分别为本应用例中打印产品悬臂结构的不同打印路径示意图及其中两种打印路径对应的支撑方案，可以看出不同的打印路径下会生成不同的支撑结构并对应不同的支撑打印体积，本发明提出一种基于打印路径规划的支撑优化打印方案，可在保证打印质量的基础上，显著降低所需支撑打印量，为3d打印技术提供了一条全新思路。

应用例2

1)输入待打印产品的三维模型(见图9)，根据待打印产品需求，确定打印参数(打印温度190℃，打印层厚度0.2mm，冷却风扇速度255rpm，打印速度30mm/s)，根据打印参数进行打印试验，确定可打印的最大桥梁长度t＝1.8mm；

2)将待打印产品模型和支撑体积为v的计算方法输入图1所示算法，求得最终的最优打印路径方案并生成对应的支撑结构，其中轮廊中线段方向与3d打印路径方向平行的部位无需打印支撑；

3)将所得最优支撑结构和产品一起进行打印，得最终产品。

将传统cura15.04提供的线性和网格支撑与本应用例所述支撑优化打印方法进行对比，采用的支撑结构示意图、产品去除支撑后的表面质量示意图和最终产品结构示意图分别见图10～11，所需支撑使用量分别为5.2g、6.1g和1.9g(本应用例)。

上述结果表明：本发明所述支撑结构优化方法采用路径规划基于最大可打印桥梁长度的方式，可显著降低支撑材料消耗，且支撑和被支撑平面间的接触少，支撑表面的痕迹也最少，有利于提升打印质量且易于剥离支撑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。