基于FDM打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法

本发明涉及3d打印，尤其是涉及基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法。

背景技术：

1、fdm打印技术，即熔融沉积建模（fused deposition modeling），是3d打印中最常用且广泛应用的技术之一。其原理是通过加热喷嘴将热塑性材料熔化，然后按照计算机文件设定的路径和挤出量，将材料逐层或沿特定路径沉积，最终形成三维物体。通过控制机器轴的运动，fdm可以制造出复杂的几何结构。

2、现有技术中，在3d打印切片软件中打印悬空结构，通常需要增加支撑或将模型的悬空部分调整为渐变悬挑表面。增加支撑会导致材料浪费、表面缺陷、打印时间延长等问题。并且，由于喷嘴频繁回抽和跨越模型，增加了失败的可能性。而调整模型会在大悬空面积或大悬挑角度时，显著改变原始设计，难以满足设计需求。

3、此外，对于顶盖几何结构，传统的逐层打印方法难以应对小曲率或平面顶盖的情况，导致材料无法有效堆积或层间粘接不良，进而影响表面质量。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，通过一条连续挤出的路径实现高效、表面质量高、无支撑的悬空表面的制造，有效减少材料的损耗、瑕疵的产生以及打印失败的概率，通过参数化的自动控制机器参数与挤出路径，以简单的打印形式降低制作难度、时间与经济成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，包括以下步骤：

3、s1、表面预处理：几何性质分类与基准参照方法使用判定；

4、s2、确定基准参照：确定表面内路径规划的基准参照；

5、s3、表面转换曲线：得到初始路径曲线；

6、s4、曲线衔接：将多条初始路径转换一条连续路径；

7、s5、路径优化；

8、s6、打印程序生成：自编g-code文件的制作与打印数据的参数化。

9、优选的，s1包括以下步骤：

10、s11、算法端输入悬空表面几何体；

11、s12、识别几何体属性是否为mesh或nurbs，若不是，则根据rhino-common的api将悬空表面几何体的属性转换为nurbs或mesh；

12、s13、检查悬空表面几何体表面的完整性，即是否存在破面或残缺，若是，则对表面修补完整；

13、s14、根据悬空表面几何体的特征与表面几何属性选择基准参照所选定的子程序方法，具体为：

14、判断几何表面的裸露边界数量是否大于等于3条，若是，则判断几何表面的外轮廓边是否为四条边界且几何体属性为nurbs曲面；若否，则判断几何体属性是否为nurbs曲面；

15、若几何表面的外轮廓边为四条边界且为nurbs曲面，则采用子程序方法s2-1，否则采用子程序方法s2-2；

16、若几何表面的裸露边界数量小于3且几何体属性为nurbs曲面，则采用子程序方法，s2-3，否则采用子程序方法s2-4。

17、优选的，所述子程序方法s2-1具体为：以uv区间作为四边nurbs基准参照；

18、所述子程序方法s2-2具体为：以外轮廓线作为各式nurbs基准参照；

19、所述子程序方法s2-3具体为：以nurbs表面isocurve结构线作为基准参照；

20、所述子程序方法s2-4具体为：以mesh表面weft经纬线作为基准参照。

21、优选的，所述子程序方法s2-1具体包括以下步骤：

22、s2-11、判断nurbs曲面是否剪裁，若是，则将已裁剪的nurbs曲面拓扑还原成未裁剪曲面状态并复制记录已裁剪nurbs曲面的边界uv值，随后获取未裁剪曲面的uv区间（u0，u1）、（v0，v1）；若否，则直接获取未裁剪曲面的uv区间（u0，u1）、（v0，v1）；

23、s2-12、根据uv区间值将该未裁剪曲面展平为长度为u1-u0，宽度为v1-v0的二维平面矩形形状；

24、s2-13、以s2-12得到的二维平面矩形的边界作为基准参照；

25、所述子程序方法s2-2具体包括以下步骤：

26、s2-21、获取非四边nurbs曲面的所有外轮廓边；

27、s2-22、将所有轮廓边组合连接成闭合曲线，作为基准参照；

28、所述子程序方法s2-3具体包括以下步骤：

29、s2-31、重设nurbs表面结构线isocurve的u方向与v方向，即设与xy平面不相交的闭合线为u方向，而表面结构线延长后与xy平面相交的为v方向；

30、s2-32、提取nurbs表面(u0，v0)、(u1，v0)、(u0，v1)与(u1，v1)四条结构曲线作为基准参照；

31、所述子程序方法s2-4具体包括以下步骤：

32、s2-41、判断悬空表面几何体的几何表面是否为四边网格mesh，若是，则根据weft提取网格表面所有线段并按经纬方向各自组合；若否，则将几何表面进行四边网格式的重建；

33、s2-42、设与xy平面不相交的闭合线为u方向纬线，而线延长后与xy平面相交的为v方向经线；

34、s2-43、提取mesh表面(u0，v0)、(u1，v0)、(u1，v0)与(u1，v1)四条经纬多段线作为基准参照。

35、优选的，s3具体为获取多圈初始四边偏移曲线，其具体包括以下步骤：

36、s3-11、根据s2-13获取的边界得到矩形的最短边界段长度l1；

37、s3-12、根据打印机配置设定打印线宽w1，根据长度l1与w1计算初始路径曲线需要打印floor(n1=l1/2/w1)圈；

38、s3-13、将矩形边界偏移n1圈曲线作为初始路径曲线；

39、s4具体为处理多圈四边偏移曲线后连成一条连续曲线，其具体包括以下步骤：

40、s4-11、获取s3-13的多圈平面偏移四边闭合曲线；

41、s4-12、每圈曲线的四个边中任取两个相邻边；

42、s4-13、根据s3-12设定的打印线宽w1，按照g0曲率分别延长和缩短两个相邻边w1长度；

43、s4-14、将所有处理完成的曲线首尾相连成一条连续曲线，并作为用于优化的初始连续路径；

44、s5具体为优化由多圈二维平面的等距偏移线构成的初始连续路径，其具体包括以下步骤：

45、s5-11、获取二维平面内的s4-14中生成的一条连续曲线；

46、s5-12、分析曲线的曲率后根据g0不连续性提取不连续点位；

47、s5-13、在若干个不连续点位处创建半径为r1的球体；

48、s5-14、将球体与连续曲线相交并求连续曲线对若干球体的布尔运算差集；

49、s5-15、设定一个圆弧拟合混接的凸起值b1并将布尔运算后断开的曲线首尾之间用圆弧拟合的方式混接成一条曲线；

50、s5-16、根据该连续曲线在二维平面形状内的uv值拓扑映射回几何表面上；

51、s5-17、得到一条在四边几何表面上的优化过后的连续路径曲线。

52、优选的，s3具体为获取多圈初始多边偏移曲线，其具体包括以下步骤：

53、s3-21、将s2-22获取的闭合曲线，根据g0不连续性拆分成若干段轮廓边；

54、s3-22、采用平均法计算几何表面的各个网格顶点的坐标值，求得几何表面的中心点c2；

55、s3-23、计算中心点c2与各轮廓边的测地距离d0，d1......di；

56、s3-24、比较s3-23得到的测地距离并得到最短测地距离di；

57、s3-25、根据打印机配置设定打印线宽w2，根据最短测地距离di与打印线宽w2计算出初始路径曲线需要打印(n2=di/2/w2)圈；

58、s3-26、将作为基准参照的轮廓边在几何表面上偏移成n2圈曲线，作为初始路径曲线；

59、s4具体为处理多圈多边偏移曲线后连成一条连续曲线，其具体包括以下步骤：

60、s4-21、获取s3-26的多圈偏移的闭合曲线；

61、s4-22、每圈曲线任取两个相邻边；

62、s4-23、根据s3-25设定的打印线宽w2，延两邻边的端点切向量，分别延长和缩短两个相邻边w2长度的测地距离至相应的点位；

63、s4-24、重建s4-23已调整长度的曲线；

64、s4-25、将所有处理完成的曲线首尾相连成一条连续曲线，作为用于优化的初始连续路径；

65、s5具体为优化由多圈沿几何表面的等距偏移线构成的初始连续路径，其具体包括以下步骤：

66、s5-21，获取几何表面中s4-25生成的连续曲线并分析曲率变化；

67、s5-22、在g0至g3间选定曲率连续性标准；

68、s5-23、根据选定的曲线不连续性在几何表面上提取gn不连续点位；

69、s5-24、分析若干不连续点位在连续曲线上的参数位置；

70、s5-25、依据若干点位的参数位置在对应点位处创建相对半径的球体；

71、s5-26、将若干球体与连续曲线相交并求曲线对若干球体的布尔运算差集；

72、s5-27、根据设定相对拟合凸起值b2，将断开的曲线首尾之间根据凸起值b2进行相对圆弧拟合混接；

73、s5-28、混接部分曲线映射至几何表面上；

74、s5-29、将断开的曲线与圆弧拟合混接的曲线组合成一条连续路径曲线。

75、优选的，s3具体为获取多条nurbs表面结构曲线，其具体包括以下步骤：

76、s3-31、根据打印精度提取v0至v1区间若干条v方向结构曲线；

77、s3-32、统计v方向所有结构曲线长度并得到长度区间[l3a，l3b]；

78、s3-33、根据喷嘴口径输入可挤出的层高区间[h3a，h3b]，计算ceiling(l3b/h3b)与floor(l3a/h3a)并比较其数值的大小；

79、s3-34、得到u方向结构曲线的数量区间[n3a，n3b]并从区间中任取一值；

80、s3-35、提取nurbs表面的u方向n3个闭合结构曲线作为初始路径曲线；

81、s4具体为处理多条nurbs表面的u方向结构曲线后连接成一条连续曲线，其具体包括以下步骤：

82、s4-31、获取从nurbs表面isocurve提取的多条u方向结构曲线；

83、s4-32、依据精度将多条u方向结构曲线设定若干数量相同的等距点；

84、s4-33、转秩多组等距点；

85、s4-34、设定每组的第n个数据与次组的第n+1个数据为同一数组并以此类推，依设定的等距点组的序列关系逆转秩；

86、s4-35、按矩阵内顺序扁平化为一维数组；

87、s4-36、按顺序将一维数组内所有点连接成一条连续曲线，并作为用于优化的初始连续路径；

88、s5具体为优化由多条nurbs表面u方向结构曲线构成的初始连续路径，其具体包括以下步骤：

89、s5-31、获取nurbs表面中s4-36生成的连续曲线；

90、s5-32、将连续曲线原来因衔接而脱离nurbs表面的区域以垂直表面投影的形式拉回至表面上；

91、s5-33、提取s4-32中若干组等距点的每组起始点；

92、s5-34、采集起始点在曲线上的最近投影点；

93、s5-35、将曲线在最近投影点位置分断开若干段；

94、s5-36、提取位置最底层的曲线并垂直地投影至xy平面上；

95、s5-37、将xy平面投影线与分断开的若干段曲线按从低至高的位置排列顺序。

96、优选的，s3具体为获取多条mesh表面结构多段线，其具体包括以下步骤：

97、s3-41、根据打印精度提取v0至v1区间若干条v方向多段经线；

98、s3-42、统计v方向所有经线长度并得到长度区间[l4a，l4b]；

99、s3-43、根据喷嘴口径输入可挤出的层高区间[h4a，h4b]，计算ceiling(l4b/h4b)与floor(l4a/h4a)并比较其数值的大小；

100、s3-44、得到u方向纬线可的数量区间[n4a，n4b]并从区间中任取一值；

101、s3-45、提取mesh表面的u方向n4个闭合结构多段线作为初始路径曲线；

102、s4具体为处理多条mesh表面的纬线u方向结构多段线后连接成一条连续多段线，其具体包括以下步骤：

103、s4-41、获取从mesh表面weft提取的多条纬线u方向结构多段线；

104、s4-42、依据精度将多条纬线u方向结构多段线设定若干数量相同的等距点；

105、s4-43、转秩多组等距点；

106、s4-44、设定每组的第n个数据与次组的第n+1个数据为同一数组并以此类推，依设定的等距点组的序列关系逆转秩；

107、s4-45、按矩阵内顺序扁平化为一维数组；

108、s4-46、按顺序将一维数组内所有点连接成一条连续多段线，并作为用于优化的初始连续路径；

109、s5具体为优化由多条mesh表面纬线u方向结构多段线构成的初始连续路径，其具体包括以下步骤：

110、s5-41、获取mesh表面中s4-36生成的连续多段线；

111、s5-42、将连续多段线原来因衔接而脱离mesh表面的区域以垂直表面投影的形式拉回至表面上；

112、s5-43、提取s4-42中若干组等距点的每组起始点；

113、s5-44、采集起始点在多段线上的最近投影点；

114、s5-45、将多段线在最近投影点位置分断开若干段；

115、s5-46、提取位置最底层的多段线并竖直地投影至xy平面上；

116、s5-47、将xy平面投影线与分断开的若干段曲线按从低至高的位置排列顺序。

117、优选的，s6具体包括以下步骤：

118、s61、将路径曲线按打印精度需求转换成若干个等距点；

119、s62、运算出所有等距点在几何表面上的uv值；

120、s63、根据打印机配置设定的打印线宽wn与所有的等距点uv值运算出各点位的相对挤出值；

121、s64、设定机器参数，包括调整挤出比率、调整打印速度和调整打印温度；

122、s65、将机器参数结合几何路径制作的参数转译生成g-code文件，在三维可视化软件中进行可视化的机器沿着表面路径曲线移动与挤出控制的模拟；

123、s66、检查打印路径与机器或与路径其它部分之间是否发生碰撞，或者产生空隙，若有，重新在机器参数部分中调整参数直至没有碰撞和空隙，则执行打印文件。

124、因此，本发明采用上述基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，有益效果如下：

125、（1）本发明基于rhinoceros-grasshopper参数化建模软件，通过自主编程实现自动识别几何体属性、参数调整从而实现合理的路径规划，随后生成3d打印机可识别的g-code文件，通过一条连续挤出的路径实现高效、表面质量高、无支撑的悬空表面的制造，有效减少材料的损耗、瑕疵的产生以及打印失败的概率。

126、（2）本发明通过参数化的自动控制机器参数与挤出路径，以简单的打印形式降低制作难度、时间与经济成本，具备显著的经济和社会效益。

127、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，其特征在于，所述子程序方法s2-1具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，其特征在于，s3具体为获取多圈初始四边偏移曲线，其具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，其特征在于，s3具体为获取多圈初始多边偏移曲线，其具体包括以下步骤：

5.根据权利要求3所述的基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，其特征在于，s3具体为获取多条nurbs表面结构曲线，其具体包括以下步骤：

6.根据权利要求3所述的基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，其特征在于，s3具体为获取多条mesh表面结构多段线，其具体包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的基于fdm打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，其特征在于，s6具体包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及3D打印技术领域，具体公开了基于FDM打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，包括以下步骤：S1、表面预处理：几何性质分类与基准参照方法使用判定；S2、确定基准参照物：确定表面内路径规划的基准参照；S3、表面转换曲线：得到初始路径曲线；S4、曲线衔接：将多条初始路径转换一条连续路径；S5、路径优化；S6、打印程序生成：自编G‑Code文件的制作与打印数据的参数化。本发明采用上述基于FDM打印的悬空表面无支撑高质量的打印路径规划方法，有效减少材料的损耗、瑕疵的产生以及打印失败的概率，以简单的打印形式降低制作难度、时间与经济成本。

技术研发人员：胡楠,冯宇梁,李嘉晨,熊璐
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5