一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种打印路径的生成方法，属于成型
技术领域：
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背景技术：
】[0002]随着三维打印制造技术的不断发展，人们对节能、降耗、快速的制造要求越来越高，以减重、高性能为目标的轻量化结构受到人们越来越多的关注。目前基于三维打印技术的轻量化结构的生成方法主要有以下两类:第一类是模型在进行切片处理之前采用几何实体建模进行轻量化结构的设计，如在模型内部设计复杂的孔洞或桁架结构。第二类是模型在进行切片处理之后的扫描路径规划，通过在切层内部填充一些规整的网状路径(如蜂窝状扫描路径、菱形扫描路径、分形扫描路径)来实现轻量化结构的打印。[0003]目前，国内外学者对第一类方法研究较多，如CheahC.Μ等人发表于TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2003，21(4)，第291页-第301页的〈〈Developmentofatissueengineeringscaffoldstructurelibraryforrapidprototyping》建立基本特征模型库，通过参数化更改基本特征模型的结构参数、空间约束条件、逻辑组合关系来构造多孔结构。Wang等在ACMTransactionsonGraphics(ProceedingsofACMSIGGRAPHAsia2013,2013,32(6):卜177:10)所提到的((Cost-effectiveprintingof3Dobjectswithskin-framestructures〉〉是用蒙皮析架结构代替内部材料的方法，将问题抽象为在物理和几何的条件约束下的桁架结构(数目）的优化问题。STAVA0.VANEK等在ACMTransactionsonGraphics.2012,48:1-11.中提到的〈〈Stressrelief：improvingstructuralstrengthof3Dprintableobjects〉〉是一种迭代优化的方法，通过在模型内部挖洞，对模型表面增厚和增加内部支撑结构的方式来增强物体的结构强度，虽然该方法可以节省内部材料的使用，但会改变物体的表面结构，对模型的外观产生一定影响。LinLv等在ACMTransactionsonGraphics.2014,33(4)·中提到的《Build-to-Last:StrengthtoWeight3DPrintedObjects》是一种基于Voronoi图和FEM(有限元分析)的内部结构优化方法，采用FEM计算模型在外力下的应力图，通过Voronoi图结合应力图计算并产生类蜂窝状的内部结构，但该方法实现复杂，且仅适用于部分三维打印工艺。[0004]虽然通过前文所提到的在模型内部构建复杂的孔洞和桁架结构等方法是可以实现轻量化，但是诸如此类的方法算法复杂，需要大量的布尔运算，构建后模型的数据量急剧增加，增加切片处理时间。同时模型内部大量的孔洞和桁架将会导致同一切层出现大量切片内轮廓，，对后续的扫描路径规划带来很多问题，如打印过程中出现大量的空行程和跳刀。另外，为了保证模型内部的孔洞或桁架结构能被成功打印，则打印过程中还需对孔洞或桁架结构添加额外支撑，且该支撑无法去除。[0005]而对于第二类方法，通过扫描路径规划直接实现轻量化结构的打印，不需要对模型内部进行实体建模，提高了算法的运行效率，加快了切片处理的速度，同时避免了后续路径规划中大量内轮廓环的出现。目前一些商业3D打印软件（如MakerWare、ReplicatorG等）已考虑在切层内部填充一些规整的网状路径，比如单双壁厚的蜂窝状路径，但此方法使内部蜂窝状路径单元受力不均匀。申请号201310727426.2中国发明专利《一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法》。采用三组平行的间断直线路径来构造蜂窝状扫描路径，由于该方法采用三个方向间断式扫描，在路径的端点处出现三次重复扫描，使得端点处过堆积，同时采用三个方向间断式扫描也使切层上存在大量的空行程和跳刀，严重影响着成型质量和效率。Ponnusamy.P和GurunathanSaravanaKumar等分别在VirtualandPhysicalPrototyping，2〇〇9,4(3):l65_l8〇中提到的《Personalisedbonetissueengineeringscaffoldwithcontronlledarchitectureusingfractaltoolpathsinlayeredmannufacturing[J]》以及在VirtualandPhysicalPrototyping，2009,4(2):91-104.中提到的〈〈Fractalrastertoolpathsforlayeredmanufacturingofporousobjects[J]》是采用不同的分形曲线对医学生物支架的切层进行填充，通过改变分形曲线的类型和填充密度实现了多孔的医学模型制造，该方法的缺陷是当分形曲线的单位步长较大时，将导致相邻路径上的丝材互不搭接，打印模型的强度较低。[0006]因此，为了实现轻量化模型的快速制造并保证其具有较好的力学性能，在对模型切层内填充路径研究的基础上，提出一种三维打印路径生成方法，以保证在具有较高抗压强度的前提下，材料消耗仍能达到最低。【
发明内容】[0007]本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种既能保证模型结构强度，又能节约用料的用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法。[0008]本发明为了解决上述技术问题提出的技术方案是:一种用于模型轻量化三维打印的打印路径的生成方法，执行如下步骤：[0009]1)根据所述模型的尺寸确定所述模型的最小包围盒；[0010]2)对所述包围盒切片，形成多个相同的切片层；[0011]3)在所述切片层的同平面上建立直角坐标系；[0012]4)以所述切片层在所述直角坐标系的极小值点为起点向所述直角坐标系中填充若干边长为1相互之间间距为d的蜂窝状路径单元，直至整个切片层被完全覆盖为止；[0013]5)根据各切片层的实际填充区域对所述切片层进行裁剪，得到该切片层的打印路径；[0014]各切片层的实际填充区域为所述模型的轮廓与该实际填充区域对应的切片层的相交区域。[0015]本发明采用上述技术方案的有益效果是:本发明实现了轻量化三维打印的填充路径的生成，通过向切片层中填充完整的蜂窝状路径单元，避免重复走线带来的多端点堆积问题，因此不会有打印结构不平整的问题;现有技术无论是三平行线的填充方式还是单双壁的填充方式，都不是采用完整的填充单元对切层进行填充，而本发明采用完整的填充单元，使得对填充层的排布易于实施，不会因为打印的不规则导致排布出现问题。[0016]上述技术方案的改进是:在步骤5)中对切片层进行裁剪时，[0017]a.对于位于该填充层的实际填充区域外部的蜂窝状路径单元，则将其裁剪舍弃；[0018]b.对于位于该填充层的实际填充区域内部的蜂窝状路径单元，则不对其进行裁剪，并保证其原位置不动；[0019]c.对于与该填充层的实际填充区域的边界轮廓相交的蜂窝状路径单元，则根据所述蜂窝状路径单元与该填充层的实际填充区域相交的顶点个数判断进行裁剪操作，保留位于所围区域内的所述蜂窝状路径单元的单元路径段。[0020]上述技术方案的改进是:在所述c中，[0021]若蜂窝状路径单元的扫描起点ao位于实际填充区域外部时，则从所述扫描起点ao开始遍历所述蜂窝状路径单元的各边，以确定该蜂窝状路径单元的各边与实际填充区域的轮廓交点的次序及个数，并对交点进行编号Pi(i=l，2,3......)，当i为奇数时，此时蜂窝状路径单元的路径段在实际填充区域内，对该路径段进行保存；当i为偶数时，停止对蜂窝状路径单元的路径段进行保存，如此往复循环，直到该蜂窝状路径当前第1页1 2 3