一种基于轮廓特征的三维打印变填充方法与流程

本发明涉及一种三维打印模型的模型打印方法，尤其涉及一种基于轮廓特征的三维打印变填充方法。

背景技术

三维打印技术，是快速成型技术的一种，它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，通常采用数字技术材料打印机来实现。目前，三维打印技术在模具制造、工业设计等领域得到了广泛的应用。

熔融沉积成型(fdm)三维打印成型技术是一种基于喷射技术，从喷嘴喷吐熔融材料，按照一定路径逐层堆积成型的技术。切片软件是三维打印系统处理模型的核心，负责模型实体打印之前的数据处理工作，通过将模型分层切片，按层生成模型的打印轨迹。打印喷嘴会根据切片软件生成的路径数据和进给料数据进行运动和喷涂。

填充是三维打印模型的内部结构，其作用是为模型提供支撑，以达到必要的结构强度。目前，模型内部填充的样式主要分为线性填充、网格填充、轴填充、十字形填充等。然而无论选择哪种填充图案，在单一填充率下，若其填充率较低，则所得模型强度较差，随着填充率的增加，填充扫描线间距减小，打印所得模型内部填充丝料增多，但打印时间也随之增长，效率随之下降。

现有熔融沉积三维打印机其填充打印均采用单一填充算法，即打印时模型各切片层的填充率、填充类型及扫描角度均相同。相同填充类型和填充率的打印方式，适用于结构简易、无强度要求的模型，但对于一些有局部强度要求的模型而言，采用较低的填充率可能使一些细节结构处强度无法得到保证，如果采用较高的填充率虽然可以提高强度，却会大大延长模型整体打印时间。

因此，亟待解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种即可保障模型结构强度又可减少模型成型时间的基于轮廓特征的三维打印变填充方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种基于轮廓特征的三维打印变填充方法，包括如下步骤：

(1)、构建stl格式的三维模型；

(2)、将三维模型导入到切片软件中，通过切片软件对三维模型进行分层切片得到三维模型每一层的截面轮廓信息；

(3)、将切片层填充区域划分为采用低填充率打印的固态填充区域和采用高填充率打印的非固态填充区域，设定模型非固态填充区域的参数值；

(4)、按层逐一遍历每层的切片区域，判断每一层切片区域是否存在非固态填充区域；若存在则根据该切片区域的轮廓特征，按类型构造非固态填充区域，并集形成切片层的总非固态填充区域；

(5)、按层将构造后的总非固态填充区域，采用高填充率进行打印，对于固态填充区域采用低填充率进行打印。

其中，所述步骤(3)中非固态填充区域参数值包括面积阈值s阈、长度阈值l阈和角度阈值εθ。

优选的，所述步骤(4)中所述非固态填充区域的类型包括细长区域的扩展区域、奇异顶点的突变区域和小面积区域的多切片层扩充区域。

进一步，所述步骤(4)中判断和构造非固态填充区域的具体方法包括如下步骤：

(4.1)、判别并构造切片区域中的细长区域，得到构造后的细长区域的扩展区域；

(4.2)、判别切片区域中的小面积区域；

(4.3)、判断切片层轮廓线中是否存在奇异顶点，若存在则构造奇异顶点的突变区域；

(4.4)、判别该切片层的小面积区域是否需要在相邻切片层进行小面积区域扩充构造，若需要则进行小面积区域扩充构造得到小面积区域的多切片层扩充区域；

(4.5)、按层将构造后的细长区域的扩展区域、奇异顶点的突变区域和小面积区域的多切片层扩充区域并集形成切片层的总非固态填充区域。

再者，所述步骤(4.1)中判别并构造切片区域中的细长区域的具体方法包括如下步骤：

(4.1.1)、运用交叉扫描线算法对切片层进行两次交叉方向的扫描，首先设置其中一组扫描线与x轴正向的夹角为0°，设置两组扫描线夹角为90°，设置扫描线的间距；采用一组扫描线对切片层进行扫描，得到每一条扫描线与切片层轮廓的交点，交点两两连线计算填充区域内的交线段长度，比较交线段长度与长度阈值l阈大小，若交线段小于长度阈值l阈，则交线段所在区域为细长区域，记录交线段位置；判断是否已进行两次扫描，若只扫描一次，则变换另一组扫描线再次扫描；否则根据记录的交线段位置构造细长区域；

(4.1.2)、采用正多边形区域构造法对细长区域的两个边界进行扩展构造，用正六边形对细长区域的两个边界进行扩展构造，其中设定两边界为其对应六边形的中心，六边形对角线与该边界所在直线重合，当扫描线平行于坐标轴时，可计算得到两侧六边形各顶点坐标，将以边界构造的两个六边形与轮廓内部填充求布尔运算交集，得到构造的细长区域的扩展区域。

优选的，所述步骤(4.2)中判别切片区域中的小面积区域的具体方法包括如下步骤：

(4.2.1)、通过栅格逼近算法得到切片区域面积的近似值s，将其同设定好的面积阈值s阈进行对比，若s<s阈，则该切片区域为小面积区域；

(4.2.2)、记录小面积区域的面积和所处位置。

进一步，所述步骤(4.3)中判断切片层轮廓线中是否存在奇异顶点以及构造奇异顶点的突变区域的具体方法包括如下步骤：

(4.3.1)、判别切片层轮廓线中是否存在奇异顶点，由于切片层轮廓线由一系列有序顶点组成，若构成轮廓线的顶点中存在某一顶点的内角θ满足|θ-2π|<εθ，εθ为角度阀值，则称该顶点为奇异顶点，包括奇异凸顶点和奇异凹顶点，其中顶点凹凸性的判别可通过相邻两边向量积的正负进行判断；

(4.3.2)、采用正多边形区域构造法对奇异顶点突变区域进行构造。

再者，所述步骤(4.4)中判别该切片层的小面积区域是否需要在相邻切片层进行小面积区域扩充构造的具体方法包括如下步骤：

(4.4.1)、依据步骤4.2中确定的小面积区域的位置和所处位置，找到具有小面积区域的切片层，若该具有小面积区域的切片层具有渐变特性，则该切片层小面积区域无需进行扩充构造，其余不具有渐变特性的小面积区域的切片层进行扩充构造；

(4.4.2)、假设该不具有渐变特性的小面积区域的切片层为第n层；设定小面积区域的投影层数为k(k>1)，向下的最大投影层所处切片层为模型的第n-k层，向上的最大投影层所处切片层为模型的第n+k层；

(4.4.3)、将第n层切片层小面积区域向下投影至第n-k层切片层，如果n-k层的面积大于投影区域面积，将投影区域向外偏置距离d，其中d≥0；将偏置后的投影区域与第n-k切片层原填充区域求布尔运算交集，得到第n-k切片层总的小面积扩展区域；同理将第n层切片层小面积区域向上投影至第n+k层切片层，向外偏置距离d，其中d≥0，将偏置后的投影区域与第n+k层切片层原填充区域求布尔运算交集，得到第n+k层切片层总的小面积扩展区域；从第n-k层切片层至第n+k层切片层之间的所有切片层依次进行小面积扩展区域构造，得到第n层小面积区域的多切片层扩充区域。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明将每一切片层的填充区域划分为固态填充区域和非固态填充区域，其中固态填充区域采用低填充率进行打印，可有效减少模型成型时间；非固态填充区域采用高填充率进行打印，可有效保障模型结构强度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中非固态填充区域的构造流程图；

图3(a)为本发明中细长区域的判别实例；

图3(b)为本发明中细长区域的横向扫描图；

图3(c)为本发明中细长区域的纵向扫描图；

图4(a)为本发明中细长区域的构造实例；

图4(b)为本发明中细长区域的扩展区域图；

图5(a)为本发明中四方向跟踪算法示意图；

图5(b)为本发明中八方向跟踪算法示意图；

图5(c)为本发明中栅格逼近算法示意图；

图6(a)为本发明中普通凸顶点的判别示意图；

图6(b)为本发明中奇异凸顶点的判别示意图；

图7(a)为本发明中外轮廓凸顶点的构造示意图；

图7(b)为本发明中外轮廓凸顶点的填充区域示意图；

图7(c)为本发明中外轮廓凹顶点的构造示意图；

图7(d)为本发明中外轮廓凹顶点的的填充区域示意图；

图8(a)为本发明中小面积区域的构造实例；

图8(b)为本发明中小面积区域的构造实例的截面图；

图8(c)为本发明中小面积区域的构造实例的扩展截面图；

图9(a)为本发明中细长区域的扩展仿真结果图；

图9(b)为本发明中细长区域的扩展打印结果图；

图10为本发明中突变区域的扩展仿真结果图和打印结果图；

图11(a)为本发明中动物狗模型示意图；

图11(b)为本发明中小黄人模型示意图；

图12(a)为本发明中动物狗模型的第60层切片层仿真示意图；

图12(b)为本发明中动物狗模型的第64层切片层仿真示意图；

图12(c)为本发明中动物狗模型的第83层切片层仿真示意图；

图13(a)为本发明中小黄人模型的第20层切片层仿真示意图；

图13(b)为本发明中小黄人模型的第26层切片层仿真示意图；

图13(c)为本发明中小黄人模型的第30层切片层仿真示意图；

图13(d)为本发明中小黄人模型的第26层未处理切片层仿真示意图；

图14(a)为本发明中动物狗模型的第60层切片层打印结果示意图；

图14(b)为本发明中动物狗模型的第64层切片层打印结果示意图；

图14(c)为本发明中动物狗模型的第83层切片层打印结果示意图；

图15(a)为本发明中小黄人模型的第20层切片层打印结果示意图；

图15(b)为本发明中小黄人模型的第26层切片层打印结果示意图；

图15(c)为本发明中小黄人模型的第30层切片层打印结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于轮廓特征的三维打印变填充方法，包括如下步骤：

(1)、构建stl格式的三维模型；

(2)、将三维模型导入到切片软件中，通过切片软件对三维模型进行分层切片得到三维模型每一层的截面轮廓信息；

(3)、将切片层填充区域划分为采用低填充率打印的固态填充区域和采用高填充率打印的非固态填充区域；设定模型非固态填充区域参数值，非固态填充区域参数值包括面积阈值s阈、长度阈值l阈和角度阈值εθ，面积阈值s阈用来判别切片层中是否存在小面积区域，长度阈值l阈用来判别切片层中是否存在细长区域，角度阈值εθ用来判别切片层轮廓线中是否为奇异顶点；

(4)、按层逐一遍历每层的切片区域，判断每一层切片区域是否存在非固态填充区域，通常对于模型的某一切片层，存在多个切片区域，需要对每个切片区域进行判断；若存在则根据该切片区域的轮廓特征，按类型构造非固态填充区域，并集形成切片层的总非固态填充区域，其中所述非固态填充区域的类型包括细长区域的扩展区域、奇异顶点的突变区域和小面积区域的多切片层扩充区域；所述判断和构造非固态填充区域的具体方法包括如下步骤：

(4.1)、判别并构造切片区域中的细长区域，得到构造后的细长区域的扩展区域；

其中判别并构造切片区域中的细长区域的具体方法包括如下步骤：

(4.1.1)、运用交叉扫描线算法对切片层进行两次交叉方向的扫描，首先设置其中一组扫描线与x轴正向的夹角为0°，设置两组扫描线夹角为90°，设置扫描线的间距，优选为打印机喷头直径(一般为0.4mm)的3倍；采用一组扫描线对切片层进行扫描，得到每一条扫描线与切片层轮廓的交点，交点两两连线计算填充区域内的交线段长度，比较交线段长度与长度阈值l阈大小，若交线段小于长度阈值l阈，则交线段所在区域为细长区域，记录交线段位置；判断是否已进行两次扫描，若只扫描一次，则变换另一组扫描线再次扫描；否则根据记录的交线段位置构造细长区域；如图3(a)所示，为一待扫描的切片区域；如图3(b)所示，横向扫描时扫描线x1与切片层轮廓的交点为q5和q6点，x2与切片层轮廓的交点为q1、q2、q3和q4点，得到短边q1q2和短边q3q4且lq1q2＝lq3q4＜l阈，因此短边q1q2和短边q3q4所在区域可判断为细长区域；但扫描线x1扫描模型所得线段q5q6较长因而无法判断其所在区域为细长区域；纵向扫描时扫描线y1与切片层轮廓的交点为r5和r6点，y2与切片层轮廓的交点为r1、r2、r3和r4点，得到短边r1r2和短边r3r4且lr1r2＝lr3r4＜l阈，因此短边r1r2和短边r3r4所在区域可判断为细长区域，避免仅一组扫描时存在的漏判现象；

(4.1.2)、采用正多边形区域构造法对细长区域的两个边界进行扩展构造，在平面几何学中，正三角形最简单也最稳定，但正三角形面积较小且其60°的内角呈现尖锥状，不适用于切片层的区域构造，正四边形又容易受力变形为菱形，因此本方法选用正六边形进行区域构造，正六边形内角为120°，受力变形小且结构稳定；用正六边形对细长区域的两个边界进行扩展构造，其中设定两边界为其对应六边形的中心，六边形对角线与该边界所在直线重合，当扫描线平行于坐标轴时，可计算得到两侧六边形各顶点坐标，将以边界构造的两个六边形与轮廓内部填充求布尔运算交集，得到构造的细长区域的扩展区域；六边形的边长预设为6-10mm，如果构造的两个区域有重叠，可以直接接求区域布尔运算并集；

如图4(a)所示，m、n、p1和p2点围成的区域为细长区域；如图4(b)所示，以左边界p2m为例，设定p2m的中心为六边形的中心，六边形对角线h1h4与左边界p2m所在直线重合，当扫描线平行于坐标轴时，可计算h1和h2的坐标：同理可得六边形各顶点坐标，将p2m边界构造的六边形与轮廓内部填充求布尔运算交集，得到多边形ah2bmcdp2填充区域，即构造的细长区域的扩展区域；

(4.2)、判别切片区域中的小面积区域，具体方法包括如下步骤：

(4.2.1)、通过栅格逼近算法得到切片区域面积的近似值s，将其同设定好的面积阈值s阈进行对比，若s<s阈，则该切片区域为小面积区域；d.h.balland提出的四方向跟踪算法如图5(a)所示，该方法通过四个方向跟踪轮廓线的走向，由于封闭轮廓线其数据点有序，因此每一次追踪都有相应的来方向和去方向；八方向跟踪算法在其基础上增加了-135°、-45°、45°、135°四个方向如图5(b)所示，使得追踪线段更贴近模型实际轮廓线；栅格逼近算法的原理基于八方向跟踪算法，如图5(c)所示，由于八方向跟踪算法其跟踪线段的起始点与终点均落在栅格的格点上，故可通过计算跟踪线段所围栅格数量得到打印区域面积的近似值；

(4.2.2)、记录小面积区域的面积和所处位置；

(4.3)、判断切片层轮廓线中是否存在奇异顶点，若存在则构造奇异顶点的突变区域，具体方法包括如下步骤：

(4.3.1)、判别切片层轮廓线中是否存在奇异顶点，由于切片层轮廓线由一系列有序顶点组成，若构成轮廓线的顶点中存在某一顶点的内角θ满足|θ-2π|<εθ，εθ为角度阀值，则称该顶点为奇异顶点，包括奇异凸顶点和奇异凹顶点，其中顶点凹凸性的判别可通过相邻两边向量积的正负进行判断；本发明采用圆弧法计算顶点角度，如图6(a)和6(b)所示，以凸顶点pi的判别为例，假定顶点pi为圆心，根据设置的半径r作圆弧，根据经验和模型实际情况选取合适的值，可初步设定半径r为4-6mm，圆弧与顶点两侧的轮廓线交于点g与点h，用∠gpih近似表示多边形顶点pi的内角；其内角角度值由两向量的数量积进行计算，如下式所示，

若|∠gpih-2π|＜εθ，则顶点pi为奇异顶点；

(4.3.2)、构造一个封闭的多边形区域，对奇异顶点附近区域进行高密度填充，采用正六边形对奇异顶点突变区域进行构造；本发明以外轮廓奇异凸顶点突变区域构造为例，如图7(a)-7(d)所示，先设定六边形的中心，连接圆弧与轮廓的交点i和交点j，由中点公式可知ij中点l坐标：

以l为中心构造正六边形，然后构造六边形对角线k1k4，设定正六边形边长为lh,lh大于奇异点判定圆的半径r，延长li至k1，延长lj至k4，且lk1＝lk4＝lh；可得到k1和k4的坐标，进而可以计算正六边形各顶点的坐标；将得到的六边形k1k2k3k4k5k6与模型填充区域作布尔交集运算，如图7(b)所示，正六边形与外轮廓的交点为点y与点z，其最终的填充区域为多边形yipijz所围的阴影部分区域；外轮廓奇异凹顶点的区域构造与凸顶点略有不同，如图7(c)所示，构造六边形的中心为奇异顶点本身，六边形的对角线k1k4仍与线段ij平行，六边形与填充区域的布尔交集为多边形k1k2zmpinyk3k4k5k6所围阴影部分；

(4.4)、判别该切片层的小面积区域是否需要在相邻切片层进行小面积区域扩充构造，若需要则进行小面积区域扩充构造得到小面积区域的多切片层扩充区域；本发明中需将具有渐变特性的小面积区域排除在外，不作扩展；

由于对单切片层采用小面积区域的高密度填充虽能提高切片层自身的强度，但对模型面积突变处的强度改善较小，需要在邻近的切片层扩充小面积区域，采取高密度填充；如图8(a)-8(c)所示，由步骤4.2可判别模型l3切片层ef处区域为小面积圆形区域，故凸台圆柱部分会采用高密度填充如阴影部分所示；此填充方式将导致l3处切片层的填充密度高于l2处切片层，若模型受到力f1作用，模型容易在ef处发生断裂。因此需要在非小面积区域切片层进行小面积区域的扩充构造；但由于并非所有小面积区域均需在相邻切片层进行区域构造，例如拱形结构的顶层部分，该结构的切片层填充区域面积呈现渐变特性，结构稳定，故将具有渐变特性的小面积区域排除在外，不作扩展；

(4.4.1)、依据步骤4.2中确定的小面积区域的位置和所处位置，找到具有小面积区域的切片层，若该具有小面积区域的切片层具有渐变特性，则该切片层小面积区域无需进行扩充构造，其余不具有渐变特性的小面积区域的切片层进行扩充构造；

(4.4.2)假设该不具有渐变特性的小面积区域的切片层为第n层；设定小面积区域的投影层数为k(k>1)，向下的最大投影层所处切片层为模型的第n-k层，向上的最大投影层所处切片层为模型的第n+k层；即若l3切片层为模型的第n层，则向下最大投影层l1切片层为模型的第n-k层，向上最大投影层l4切片层为模型的第n+k层；

(4.4.3)、将第n层切片层小面积区域向下投影至第n-k层切片层，如果n-k层的面积大于投影区域面积，将投影区域向外偏置距离d，其中d≥0；将偏置后的投影区域与第n-k切片层原填充区域求布尔运算交集，得到第n-k切片层总的小面积扩展区域；同理将第n层切片层小面积区域向上投影至第n+k层切片层，向外偏置距离d，其中d≥0，将偏置后的投影区域与第n+k层切片层原填充区域求布尔运算交集，得到第n+k层切片层总的小面积扩展区域；从第n-k层切片层至第n+k层切片层之间的所有切片层依次进行小面积扩展区域构造，得到第n层小面积区域的多切片层扩充区域；如图8(c)所示，将模型l3切片层ef处的小面积区域向下投影至l1切片层，向外偏置一定距离后与l1切片层原填充区域求布尔运算交集，得到ts处的小面积扩展区域；如图8(c)所示，将ef处的小面积区域向上投影至l4切片层，偏置0距离后与l4切片层原填充区域求布尔运算交集，得到vw处的小面积扩展区域；从切片层l1至切片层l4之间的所有切片层依次进行小面积扩展区域构造，得到l3层小面积区域的多切片层扩充区域，模型最终高密度填充区域如图8(c)中阴影部分所示；

(4.5)、按层将构造后的细长区域的扩展区域、奇异顶点的突变区域和小面积区域的多切片层扩充区域并集形成切片层的总非固态填充区域；

(5)、按层将构造后的总非固态填充区域，采用高填充率进行打印，保证模型结构强度；对于固态填充区域采用低填充率进行打印，减少模型成型时间。

实施例1

实施例1为细长区域的实施例，设置固态填充区域填充率为10％，细长区域的扩展区域填充率为60％，交叉扫描线算法长度阈值l阈为4毫米，小面积区域的面积阀值s阈为25平方毫米，对样件组同时进行小面积扩展区域构造得到小面积区域的多切片层扩充区域，切片后样件组第15层的仿真结果，如图9(a)所示，切片后样件组第15层的打印样品，如图9(b)所示。

实施例2

实施例2为突变区域的实施例，样件切片层轮廓为含有四个顶点的四边形，若凸顶点为锐角，则对该顶点所在位置进行突变区域构造，模型第22切片层的仿真图，如图10所示，模型第22切片层的打印实物，如图10所示。

实施例3

实施例3为小面积区域的实施例，设置投影层数为4，长度阈值l阈为4毫米，小面积区域的面积阀值s阈为25平方毫米，固态填充率为10％，非固态填充率为100％。打印动物狗实体与小黄人实体，当打印至相应切片层后停止打印，得到填充区域实际打印效果。动物狗仿真模型，如图11(a)所示，小黄人仿真模型如图11(b)所示。动物狗第60层切片层如图12(a)所示，动物狗64层切片层如图12(b)所示，动物狗第83层切片层如图12(c)所示。小黄人第20层切片层如图13(a)所示，小黄人第26层切片层如图13(b)所示，小黄人第30层切片层如图13(c)所示，小黄人第26层未处理切片层如图13(d)所示。本发明中动物狗模型的第60层切片层打印结果如图图14(a)所示，本发明中动物狗模型的第64层切片层打印结果，如图14(b)所示，本发明中动物狗模型的第83层切片层打印结果如图14(c)所示，本发明中小黄人模型的第20层切片层打印结果，如图15(a)所示，本发明中小黄人模型的第26层切片层打印结果，如图15(b)所示，本发明中小黄人模型的第30层切片层打印结果，如图15(c)所示。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。