一种基于面曝光式的多自由度3D打印方法、装置及系统与流程

本发明涉及3d打印的技术领域，更具体地说，它涉及一种基于面曝光式的多自由度3d打印方法、装置及系统。

背景技术：

3d打印技术又称快速成型技术。与传统铸造工艺不同，3d打印技术通过计算机软件对制作工件进行处理，通过对制作工件加支撑，对制作工件分层，生成路径规划，成型系统根据路径的规划达到制作工件的目的。3d打印技术作为一种新型的快速成型方法，如今已经衍生出多种相当成熟的打印方法如fdm、sla、dlp、slm等技术，它们都存在着各自的优势。但不管是哪种方法，都不可避免地要面对打印模型支撑的设置及去除问题。传统的打印方式至少依次包括规划的步骤、打印的步骤、去支撑的步骤和表面后处理的步骤。打印支撑的设置对打印模型的影响非常大，对打印完成后模型支撑的后处理也非常重要，打印支撑的去除尤其影响模型的表面精细程度；同时，无论添加哪种支撑结构，都会浪费打印材料。利用传统的打印设备打印出来的模型如图1所示。因此，支撑问题可以说是3d打印技术中急需解决的一个难点问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，目的一是提供一种基于面曝光式的多自由度3d打印方法，制作工件时无需加支撑，有效的减少了耗材。

目的二是提供一种基于面曝光式的多自由度3d打印装置，制作工件时无需加支撑，有效的减少了耗材。

目的三是提供一种基于面曝光式的多自由度3d打印系统，制作工件时无需加支撑，有效的减少了耗材。

为实现上述目的一，本发明提供了一种基于面曝光式的多自由度3d打印方法，包括规划步骤和打印步骤；所述规划步骤用于根据打印模型的表面参数划分出若干可进行无支撑打印的子模型，并根据所述子模型规划出打印路径；所述打印步骤根据规划步骤得到的打印路径完成3d打印。

所述规划步骤包括：

s1、加载打印模型，以获得所述打印模型表面的三角面片及其法向量；

s2、对所述打印模型的三角面片进行分区，以获得多个区域面；

s3、将各个所述区域面内的三角面片的法向分布归一化，以得到与其对应的外法向量；并将所述区域面和与其对应的外法向量作为一组，存储在一区域集合中；

s4、在所述打印模型的外表面上寻找用于规范初始打印方向的候选基板交面及其轮廓线、法向量；

s5、根据所述候选基板交面和区域集合确定切割面，以将所述打印模型划分成多个可进行无支撑打印的子模型；

s6、规划出完整的打印路径；在打印时，所述打印步骤依次以候选基板交面和切割面为底，根据所述打印路径进行无支撑打印。

在s2中，采用区域生长的分区方式对打印模型表面的三角面片进行分区，具体包括：

s21、通过对所述打印模型上所有的顶点进行扫描，以确定可作为第一个种子面片的三角面片；

s22、遍历所述种子面片的邻域面片，如所述邻域面片与种子面片之间的法向夹角位于设定规定值以内，则将所述邻域面片加入到种子面片中，以使所述种子面片进行生长；

s23、将加入到所述种子面片中的邻域面片作为新的种子面片继续生长，且直至没有新的所述邻域面片加入为止，完成一个所述区域面的划分；

s24、检测是否存在没有归属到所述区域面中的三角面片；若存在没有归属到所述区域面中的三角面片，则以其中一个没有归属到所述区域面中的三角面片作为种子面片，重复s22-s23的步骤，直至分区完成。

所述设定规定值为4°-6°之间的任一数值。

在s4中，通过所述打印模型外表面上同外法向量、同平面的若干三角面片标定候选基板交面；通过同外法向量、同平面的若干所述三角面片的外边确定候选基板交面的轮廓线；所述候选基板交面的法向量与三角面片的外法向量一致。

在s5中，具体包括：

s51、根据所述候选基板交面的法向量确定所有可支撑区域面的法向量的范围，然后从距离所述候选基板交面最远的区域面开始扫描，寻找可支撑与最远的所述区域面相邻近的区域面的法向量范围的共同交集；

s52、在所述共同交集内寻找价值最大的法向量作为切割面的法向量；根据所述切割面的法向量确定满足无碰撞打印的切割轮廓，通过所述切割轮廓确定一个切割面；

s53、将所述区域面被切割面所切割的部分从区域集合中舍弃，将未被切割的所述区域面加入区域集合中，同时将所述切割面本身添加至区域集合中；

s54、继续往靠近所述候选基板交面的方向扫描区域面，并寻找出可支撑与所述区域面相邻近的区域面的法向量范围的共同交集，然后根据s52-s53的步骤继续确定下一个切割面；

s55、重复s54，直至所述区域集合中只剩下两个面，其中一个为所述候选基板交面，另一个为与所述候选基板交面轮廓一致且法向相反的区域面。

若所述候选基板交面为多个时，找出与每个所述候选基板交面相对应的所有的切割面，并取最优的一个所述候选基板交面及其切割面。

所述可支撑区域面的法向量与该区域面的法向量的夹角在0-π/2+θz_max之间；

其中，θz_max为所述打印模型可无支撑打印的最大倾角；

所述价值最大的法向量与所述候选基板交面的法向量的夹角应在0-θj_max的范围内，且与所述候选基板交面的法向量的夹角越小切割面的法向量为价值越大；

其中，θj_max为3d打印机支撑打印模型的支撑平台与水平面允许的最大倾斜角。

为实现上述目的二，本发明提供了一种基于面曝光式的多自由度3d打印装置，包括控制组件、打印组件、驱动组件、自由度可调的支撑组件和用于对打印模型固化的曝光组件，所述控制组件分别与打印组件和驱动组件电气连接，所述驱动组件与支撑组件连接，所述曝光组件位于支撑组件的下方；应用所述的一种基于面曝光式的多自由度3d打印方法，所述控制组件规划出打印路径后控制驱动组件和打印组件，以使打印组件在支撑组件上完成3d打印。

为实现上述目的三，本发明提供了一种基于面曝光式的多自由度3d打印系统，包括:

主控模块，用于根据打印模型的表面参数划分出若干可进行无支撑打印的子模型，并根据所述子模型规划出打印路径；

打印模块，用于根据规划步骤得到的打印路径完成3d打印。

有益效果

本发明的优点在于：对打印模型表面上的三角面片进行分区，并对区域内的三角面片进行归一化后得到区域面的外法向量，将区域面及其所对应的外法向量放入至区域集合中；然后寻找打印模型的候选基板交面及其参数，以候选基板交面和区域集合为基础，找出切割面，使打印模型能以候选基板交面和切割面为底进行无支撑打印。与传统的打印工艺相比，通过本申请的打印方法进行打印可减少了现有技术中两个必要的步骤，即去支撑的步骤和表面后处理的步骤。无需对打印模型添加支撑，因此其原材料的损耗将被减少；省去的表面后处理的步骤，简化了后处理的程序，不仅更加方便，还使得打印模型表面更加精致，极大的提高了产品的质量。

附图说明

图1为传统的打印设备打印的模型的切片图；

图2为本发明的打印装置打印的模型的切片图；

图3为本发明的流程示意图；

图4为本发明的打印装置结构示意图；

图5为本发明的驱动组件和支撑组件的结构示意图。

其中：1-支架、2-顶层板、3-中层板、4-底层板、5-树脂槽、6-驱动电机、7-并联板、8-第一金属块、9-第二金属块、10-金属杆、11-滚珠丝杆、12-滑块、13-滑杆、14-球铰链结构、15-动平台、16-打印基板、17-dlp投影仪、18-反射镜。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。

参阅图3，本发明的一种基于面曝光式的多自由度3d打印方法，包括规划步骤和打印步骤。规划步骤用于根据打印模型的表面参数划分出若干可进行无支撑打印的子模型，并根据子模型规划出打印路径。打印步骤根据规划步骤得到的打印路径完成3d打印。

规划步骤具体包括：

s1、加载打印模型，以获得打印模型表面的三角面片及其法向量。具体的，所加载的打印模型为stl格式的三角面片模型，从而得到一系列的点和三角面片及其法向量；然后分别建立点序列，存储相应的三角面片关系，如其法向、法向量。

s2、对打印模型的三角面片进行分区，以获得多个区域面。本实施例采用区域生长的分区方式对打印模型表面的三角面片进行分区。区域生长的分区方式具体包括：

在s2中，采用区域生长的分区方式对打印模型表面的三角面片进行分区，具体包括：

s21、通过对打印模型上所有的顶点进行扫描，以确定可作为第一个种子面片的三角面片。具体的，本实施例中的顶点是指所有点坐标之中含有x或y或z最值的点坐标，将包含有顶点的三角面片作为种子面片会更优，使分区效果更好。

s22、遍历种子面片的邻域面片，如邻域面片与种子面片之间的法向夹角位于设定规定值以内，则将邻域面片加入到种子面片中，以使种子面片进行生长。其中，设定规定值为4°-6°之间的任一数值。

s23、将加入到种子面片中的邻域面片作为新的种子面片继续生长，且直至没有新的邻域面片加入为止，完成一个区域面的划分。

s24、检测是否存在没有归属到区域面中的三角面片；若存在没有归属到区域面中的三角面片，则以其中一个没有归属到区域面中的三角面片作为种子面片，重复s22-s23的步骤，直至分区完成。本实施例对区域面的生长，是在一个区域面生长完毕后才能开始下一个区域面的生长，而未被分区的独立的三角面片视为没有归属到区域面的三角面片。新的区域面的生长必须有一个未被分区的三角面片作为种子面片，它是在所有独立的三角面片中随机抽取的。将所有独立的三角面片进行分区，以将数量庞大的三角面片信息归纳为数量相对较少的区域面，有利于系统的运行，以避免因数据过于庞大而导致系统运行过慢的问题。

在区域生长的过程中，若在划分区域时，区域面的法向变化较为平滑，则会划分出过大的区域面；且若区域内存在量顶点外法向夹角大于某个规定值时，则需将该区域进行细分。其中，该规定值可取90°。对区域进行细分的方法为：利用主成分分析法获取该区域中法向变化最大的方向，然后以该方向为法向量，作一通过该区域中心点的平面，该平面则将该区域分成两个区域，从而实现了将过大的区域面分为两个区域面。

s3、划分好区域面后，将各个区域面内的三角面片的法向分布归一化，以得到与其对应的外法向量；再将区域面和与其对应的外法向量作为一组，存储在一区域集合中。

s4、在打印模型的外表面上寻找用于规范初始打印方向的候选基板交面及其轮廓线、法向量。具体的，在该步骤中，通过打印模型外表面上同外法向量、同平面的若干三角面片标定候选基板交面。而候选基板交面是打印模型起始面的候选面。通过同外法向量、同平面的若干三角面片的外边确定候选基板交面的轮廓线。并且，候选基板交面的法向量与三角面片的外法向量一致。

s5、根据候选基板交面和区域集合确定切割面，以将打印模型划分成多个可进行无支撑打印的子模型。该步骤具体包括：

s51、根据候选基板交面的法向量确定所有可支撑区域面的法向量的范围。本实施例在知晓候选基板交面法向量的的基础上，便可以确定与其对应的所有切割面的法向量范围，确定其范围与0-θj_max有关；且可支撑区域面的法向量即为切割面的法向量。其中，θj_max为3d打印机支撑打印模型的支撑平台与水平面允许的最大倾斜角。例如图2中的候选基板交面就是圆锥的底面，轮廓为圆形，候选基板交面的法向量方向垂直于圆形的轮廓面由模型内指向模型外，即图中竖直向下的方向，则所有切割面的法向量与竖直向上的夹角在0-θj_max之间。

此外，本实施例中的可支撑区域面的法向量与该区域面的法向量的夹角在0-π/2+θz_max之间。其中，θz_max为打印模型可无支撑打印的最大倾角。然后从距离候选基板交面最远的区域面开始扫描，寻找可支撑与最远的区域面相邻近的区域面的法向量范围的共同交集。

对若干个相邻的区域面来说，其中会包含有一个更小的切割面的法向量的范围，这个范围就是可支撑这些相邻区域面的切割面的法向量范围的共同交集，并在其中选定一个方向作为该切割面的法向量。若共同交集的范围大小小于某个阈值范围或共同交集为空集，则减少区域面的个数，以找到合适个数的相邻区域面和合适的共同交集，则选定的切割面的法向量可以支撑该区域面。

s52、在共同交集内寻找价值最大的法向量作为切割面的法向量。具体的，价值最大的法向量与候选基板交面的法向量的夹角应在0-θj_max的范围内，且与候选基板交面的法向量的夹角越小切割面的法向量为价值越大。其中，θj_max为3d打印机支撑打印模型的支撑平台与水平面允许的最大倾斜角。根据切割面的法向量确定满足无碰撞打印的切割轮廓，通过切割轮廓确定一个切割面。

在选定切割面的法向量之后，便要确定其切割面的位置及轮廓，其方法是沿着切割面法向量进行反向扫描，直到碰到相应的区域面以外的区域面或者不满足无碰撞打印条件为止，记录此处的位置及轮廓，此处即为一切割面。

此外，要满足无碰撞打印需要避免两个方面的碰撞。第一是要避免打印基板与树脂槽的碰撞，第二是要避免已打印部分与树脂槽的碰撞。为了满足第一个要求，所有切割面所在平面应与候选基板交面所在平面相交于打印基板之外。为了满足第二个要求，在寻找每一个切割面时需确保它切下的截面为单联通区域。即截面上任一点可以通过截面内的其他点走到截面上任一点。

s53、将区域面被切割面所切割的部分从区域集合中舍弃，将未被切割的区域面加入区域集合中，同时将切割面本身添加至区域集合中，从而完成了一个可无支撑打印的子模型的构建。

s54、继续往靠近候选基板交面的方向扫描区域面，并寻找出可支撑与区域面相邻近的区域面的法向量范围的共同交集，然后根据s52-s53的步骤继续确定下一个切割面。

s55、重复s54，直至区域集合中只剩下两个面，其中一个为所述候选基板交面，另一个为与所述候选基板交面轮廓一致且法向相反的区域面。通过切割面实现了将打印模型划分成多个可进行无支撑打印的子模型。

若候选基板交面为多个时，找出与每个候选基板交面相对应的所有的切割面，并取最优的一个候选基板交面及其切割面。在知晓每个候选基板交面对应的切割面后，获取各个子模型的高度，然后将各个候选基板交面所对应的子模型的高度求和，并比较，其高度最小的一组即为最优的一个候选基板交面及其切割面。使用该组候选基板交面及其切割面的打印时间最短，效率最高。

s6、规划出完整的打印路径；在打印时，打印步骤依次以候选基板交面和切割面为底，根据打印路径进行无支撑打印。即在打印时，以候选基板交面为起始面，先对最底层的子模型进行无支撑打印；然后以位于最底层的子模型上的切割面为底，进行对相应的子模型进行无支撑打印；如此一直打印，直至打印完所有的子模型，从而完成了打印模型的打印。

本实施例通过对打印模型表面上的三角面片进行分区，并对区域内的三角面片进行归一化后得到区域面的外法向量，将区域面及其所对应的外法向量放入至区域集合中；然后寻找打印模型的候选基板交面及其参数，以候选基板交面和区域集合为基础，找出切割面，使打印模型能以候选基板交面和切割面为底进行无支撑打印。与传统的打印工艺相比，通过本申请的打印方法进行打印无需对打印模型添加支撑，因此其原材料的损耗将被减少；同时也省去了去除支撑的后处理步骤，简化了后处理的程序，不仅更加方便，还使得打印模型表面更加精致，极大的提高了产品的质量。

参阅图4-图5，一种基于面曝光式的多自由度3d打印装置，包括控制组件、打印组件、驱动组件、自由度可调的支撑组件和用于对打印模型固化的曝光组件。控制组件分别与打印组件和驱动组件电气连接，驱动组件与支撑组件连接，曝光组件位于支撑组件的下方。应用一种基于面曝光式的多自由度3d打印方法，控制组件规划出打印路径后控制驱动组件和打印组件，以使打印组件在支撑组件上完成3d打印。

本实施例的打印装置还包括支架1。控制组件、打印组件均安装在支架1上。支架1上安装有顶层板2、中层板3和底层板4，驱动组件安装在顶层板2上。自由度可调的支撑组件安装在驱动组件上；中层板3上可拆卸的安装有树脂槽5，且树脂槽5位于支撑组件和曝光组件之间；曝光组件安装在底层板4上。

控制组件将打印模型分成多个可无支撑打印的子模型，并规划处打印路径，然后根据该打印路径，通过驱动组件调整支撑组件，以使打印组件将子模型在支撑组件上打印出来；并通过位于树脂槽5下方的曝光组件进行曝光固化，从而实现了对打印模型的无支撑打印。

本实施例的驱动组件包括安装在顶层板2上的六个驱动电机6、并联板7、滑块12。并联板7上安装有数量与驱动电机6一致的第一金属块8，位于第一金属块8正上方的顶层板2底部安装有与第一金属块8一一对应的第二金属块9，第一金属块8通过两根的金属杆10与第二金属块9连接。金属杆10之间设有滚珠丝杆11，滑块12滑动的安装在金属杆10和滚珠丝杆11上，滚珠丝杆11与驱动电机6的转子连接。滑块12的底部安装有依次贯穿第一金属块8和并联板7的滑杆13。

支撑组件包括球铰链结构14和动平台15。球铰链结构14的一端与滑杆13的端部铰接连接，另一端与动平台15连接，动平台15的下方安装有打印基板16，树脂槽5位于打印基板16的下方。具体的，打印基板16通过三个柱状结构平行的固定在动平台15上。树脂槽5通过位于其两侧的螺栓固定在中层板3上。

通过驱动电机6驱动滚珠丝杆11，使安装在滚珠丝杆11上的滑块12带动滑杆13竖直运动。滑杆13通过球铰链结构14带动动平台15做水平方向的平移运动、竖直方向的运动和倾斜运动，从而实现了打印基板16的运动，使打印基板16的自由度可调。

本实施例的曝光组件包括dlp投影仪17和反射镜18。dlp投影仪17和反射镜18均固定在底层板4上。中层板3的中心部分镂空，树脂槽5的槽底为透明底，从而使得dlp投影仪17可对树脂槽5中的树脂进行曝光固化。通过协调驱动电机6和dlp投影仪17，本打印装置即可满足多自由度的光固化3d打印需求。

将打印模型通过切割面分成多个可以无支撑打印的子模型，在打印时，控制组件首先调整打印基板16的位置，以使打印组件可对底层子模型进行无支撑打印。接着，控制组件根据规划好的打印路径继续调整打印基板16，使打印组件能以底层子模型上的切割面为底，对相应的子模型进行无支撑打印；依次以切割面为底，进行其他子模型的无支撑打印，最终实现了利用多自由度的打印装置在打印基板上逐个将子模型层层打印出来。与传统打印设备制作工艺相比，本打印装置无需加支撑，因此，后处理没有去支撑的步骤，也不存在去除支撑后的残留树脂痕迹，在减少耗材同时提高了产品质量。制作方向的可变性提升了切片方向的灵活度，增加了切片层数，也提高了模型的精细程度。

一种基于面曝光式的多自由度3d打印系统，可以被计算机加载和运行，用以实现上述的多自由度3d打印方法，并且可以用于控制多自由度3d打印装置。该多自由度3d打印系统具体包括主控模块和打印模块。

其中，主控模块，用于根据打印模型的表面参数划分出若干可进行无支撑打印的子模型，并根据子模型规划出打印路径。打印模块，用于根据规划步骤得到的打印路径完成3d打印。

通过打印模型表面参数将打印模型划分出多个可进行无支撑打印的子模型，然后根据规划出来的打印路径依次对子模型进行无支撑打印，从而实现了对打印模型的无支撑打印。与传统的打印工艺相比，通过本申请的打印方法进行打印无需对打印模型添加支撑，因此其原材料的损耗将被减少；同时也省去了去除支撑的后处理步骤，简化了后处理的程序，不仅更加方便，还使得打印模型表面更加精致，极大的提高了产品的质量。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。