阅读说明：本技术 一种3d打印路径优化方法、存储装置和打印设备 (3D printing path optimization method, storage device and printing equipment ) 是由 刘文洋 麦广真 陈玲 宋立军 李治兴 于 2019-05-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种3D打印路径优化方法、存储装置和打印设备,方法在于：以水平分割方式将待打印的目标模型进行水平分区,再将属于同一水平分区内的目标模型分解为相互独立的分体,按照3D打印机的打印顺序,依次打印各水平分区内的各分体,完成对所述目标模型的打印；所述分体满足预设的约束条件：A、同一所述水平分区内不同所述分体在水平面上的投影之间的距离大于第一预设距离。具有可提高3D打印速度、提升打印效率的优点。(The invention discloses a 3D printing path optimization method, a storage device and printing equipment, wherein the method comprises the following steps: horizontally partitioning a target model to be printed in a horizontal partitioning mode, decomposing the target model belonging to the same horizontal partition into mutually independent partitions, and sequentially printing the partitions in each horizontal partition according to the printing sequence of a 3D printer to finish printing the target model; the split body meets the preset constraint conditions: A. the distance between the projections of different sub-bodies in the same horizontal subarea on the horizontal plane is greater than a first preset distance. Have the advantage that can improve 3D printing speed, promote printing efficiency.)

一种3D打印路径优化方法、存储装置和打印设备

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印优化方法、存储装置和打印设备。

背景技术

3D打印是一种不受传统制造方法限制，通过在合适的方向上逐层添加材料来构建复杂零件。尽管在过去几十年中不断发展，呈现出良好发展的趋势，但尚未充分发挥其潜力。3D打印过程中，效率较低是阻碍其发展的重要因素之一。其中，3D模型打印的路径规划又是影响制造效率的关键。一般来说，路径规划分为以下几步：导入模型、切片处理、路径填充、G代码生成。切片的标准方法是采用CAD模型并使用平行的等距离平面进行切片。随后，按切片顺序自沉积方向从下而上一层一层地进行路径填充。这种一层一层填充的策略，对于几何中心分散的3D模型或者阵列生产批量零部件，将产生大量非必要的非生产性刀具路径。因此，有必要对3D打印的路径规划进行进一步优化，以提高3D打印的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种可有效提高3D打印效率的3D打印路径优化方法、存储装置和打印设备。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种3D打印路径优化方法，以水平分割方式将待打印的目标模型进行水平分区，再将属于同一水平分区内的目标模型分解为相互独立的分体，按照3D打印机的打印顺序，依次打印各水平分区内的各分体，完成对所述目标模型的打印；

所述分体满足预设的约束条件：

A、同一所述水平分区内不同所述分体在水平面上的投影之间的距离大于第一预设距离。

进一步地，所述预设的约束条件还包括：

B、所述分体为在竖直方向具有单一性的单体；

进一步地，所述预设的约束条件还包括：

C、当同一所述水平分区内所述分体的个数大于1时，所述分体的高度小于预设高度。

进一步地，所述将目标模型分解为满足预设条件的分体的具体步骤包括：

将所述目标模型按照水平分割方式分层，当相邻两个分层满足预设的合并条件时，将所述相邻两个分层划分至同一个水平分区，否则，以所述相邻两个分层之间的分割水平面为界，将所述相邻两个分层划分至不同的水平分区；

所述预设的合并条件包括：

在所述相邻两个分层中，对于任一层中的任一个层间对象，在另一层中都存在唯一一个层间对象，使得两个层间对象之间满足二维几何形心之间的距离小于第二预设距离。

进一步地，所述预设的合并条件还包括：如果将所述相邻两个分层划分至同一个水平分区时，判断所得到的分体在水平面上的投影之间距离是否大于第一预设距离，大于则将所述相邻两个分层划分至同一水平分层，否则以所述相邻两个分层之间的分割水平面为界，将所述相邻两个分层划分至不同的水平分区。

进一步地，所述第一预设距离为大于打印头的干扰距离； 所述预设高度为小于打印头无干扰的竖直方向移动距离。

进一步地，所述3D打印机的打印顺序通过如下方式确定：在同一水平分区内，确定各所述分体的位置中心，并以所述位置中心之间的距离确定各所述分体之间的距离，以旅行商问题求解最短路径的方式确定在同一水平分区内各分体的打印顺序。

进一步地，当分体为路径跳转的源位置时，以该分体顶部所在水平面的几体形心为该分体的位置中心；当分体为路径跳转的目标位置时，以该分体底部所在水平面的几何形以为该分体的位置中心。

一种存储介质，所述存储介质上存储有可被计算机执行的程序，所述程序被执行时可实现如上任一项所述的优化方法。

一种3D打印设备，包括如上所述的存储介质。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过将待打印的目标模型进行分解，即先在竖直方向上进行水平分区，再在水平分区内将目标模型分解为相互独立的分体，在分解完成后再由3D打印机按照打印顺序（如从下至上打印的顺序），依次打印各水平分区内的各分体，从而使得3D打印机在打印某个分体时，3D打印头只需要在该分体的区域内移动，从而大大的减少3D打印头的移动距离，提高了3D打印的效率，提高了3D打印的速度。

2、本发明进一步地将分体限定为在竖直方向为单体结构，即每个分体，在竖直方向上，不会存在结构的分支，或者两个分支结构的合并，从而使得可以在打印分体的过程中进一步地缩小3D打印头移动范围和距离，进一步提高3D打印的效率。

3、本发明进一步地通过对同一分层内各分体在水平面上投影之间的距离进行约束，可以有效的防止属于同一分层的分体在打印时产生干扰，以保证打印顺利进行。

4、本发明进一步地对分体的高度进行约束，可以有效防止同一分层上无干扰的分体过高而超过3D打印机的有效打印高度，保证打印的顺利进行。

附图说明

图1为本发明的具体实施例的流程示意图。

图2为本发明的具体实施例对目标模型进行水平分区的示意图。

图3为本发明的具体实施例的打印头水平干扰示意图。

图4为本发明具体实施例图2所示水平分区中第一水平分区和第二水平分区的俯视图。

图5为本发明的具体实施例对目标模型分解为分体的示意图。

图6为本发明具体实施例的水平距离约束示意图。

图7为本发明具体实施例的高度约束示意图。

图8为本发明具体实施例的层间对象合并示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的3D打印路径优化方法，以水平分割方式将待打印的目标模型进行水平分区，再将属于同一水平分区内的目标模型分解为相互独立的分体，按照3D打印机的打印顺序，依次打印各水平分区内的各分体，完成对所述目标模型的打印；所述分体满足预设的约束条件：A、同一所述水平分区内不同所述分体在水平面上的投影之间的距离大于第一预设距离。

在本实施例中，设具有一定厚度的目标模型的主视图如图2所示，通过B和G两个水平分割平面将目标模型划分为3个水平分区，即AB之间为第一个水平分区，BG之间为第二个水平分区，GH之间为第三个水平分区。进一步地，对每个水平分区内的目标模型进行分解，其中目标模型在第一个水平分区和第三个水平分区内的部分为一个整体，在第二个水平分区内的部分可分为两个独立的部分，因此，将目标模型在第一个水平分区内的部分分解为分体f1，第三个水平分区内的部分分解为分体f4，将第二个水平分区内的部分分解为两个独立的分体f2和f3。由于3D打印机是将目标模型进行切片分层，按照从下至上的顺序依次对各层的结构进行打印，那么，按照传统的打印方式，3D打印机在打印分区f1的结构时，打印头需要在图4中所示分区f1的方框内移动，以打印分区f1的各层，而打印分区f2的结构时，打印头需要在图4中f2和f3所指的方框之间交替来回移动，即按照层次的划分，先打印分体f2的一层，然后打印分体f3的一层，然后再去打印分体f2的下一层，依此类推。可见，在对第二个水平分区内的结构进行打印时，传统的打印方式打印头在打印每一层时的运动范围如图4中带黑点阴影的粗黑线框所示。特别地，传统的打印方式中，打印头在f2和f3之间移动时，并不进行打印作业，会浪费大量的时间，降低打印的效率。而通过本申请的方法中，将目标模型位于第二个水平分区内的部分划分为两个独立的分体f2和f3，在打印过程中，3D打印机先打印分体f2，在分体f2打印完成后，再打印分体f3。如图4所示，本申请的方法在打印分体f2时，3D打印机的打印头只是f2所指的范围内移动，在分体f2打印完成后，打印头再移动到f3所指的区域，打印分体f3。可见，本申请的方法中，打印头只需要在f2和f3所指的区域之间移动一次，从而大大的减少了打印头在两个区域之间来回移动的次数，也大大的减少了打印头的移动距离，进而大大的提高了打印效率。

在本实施例中，由于采用将目标模型分解成分体来依次打印的方式，那么，可能存在属于同一分层的两个分体会发生水平干扰的情况。如图3中所示，对于分体f2和分体f3，由于其并非为竖直结构，而是具有一定的倾斜度，因此，当这两个分体达到一定的高度时，使得3D打印机无法在打印完分体f2之后，分体f2在水平面上的投影已覆盖了分体f3，如再打印分体f3时，3D打印机的打印头将会与分体f2发生碰撞，无法完成分体f3的打印，因此，在本实施例中，对属于同一分区中的分体，需要满足各分体在水平面上的投影之间的距离d需要大于第一预设距离。该第一预设距离优选大于打印头的干扰距离。即如图3中所示，通过水平分割面，将分体f2和分体f3所属的分区进行进一步分割成两个或两个以上的分区，以使得分区内的各分体满足约束条件A。如图3中，分体f2被进一步分解为分体f2a和分体f2b，分体f3被进一步分解为分体f3a和分体f3b，使得同一分区内的两分体在水平面上的投影之间的距离d足够大，保证打印的顺利进行。

在本实施例中，进一步优选：分解得到的所述分体满足预设的约束条件：B、所述分体为在竖直方向具有单一性的单体。如图2和图5所示，按照上述方式将目标模型进行分解为分体f2和分体f3，再依次进行打印的方式，虽然相对于传统打印方式能够大大的减少打印头的移动距离，大大的提高打印效率，但由于分体f2和分体f3仍然不是单体结构，即分体f2和分体f3内在竖直方向上存在分支（由一个结构变为两个或两个以上的结构）和合并（两个或两个以上的结构合并为一个结构），如分体f3中，先是一个结构体（BC间的部分），然后是一个结构体分支成两个结构体（在水平面C之后，分为两个结构体，CF之间部分），然后再合并为一个结构体（在水平面F之后，两个结构体合并为一个结构体，FG之间部分）。那么，3D打印机在打印CF之间的部分时，打印头仍然需要在两个结构体之间来回移动，因此，仍然存在进一步优化的空间。如图5所示，将目标模型以水平面A、B、C、D、E、F、G、H来划分成多个分区，从而使得每个分区内的分体都为单体。进一步地，图5中，属于CD分区的左侧两个分体之间（1号指示线指出的虚线圆所示区域）会因距离过近而发生干扰，属于EF分氏的右侧两分体之间（2号指示线指出的虚线圆所示区域）会因距离过近而发生干扰，因此，本实施例通过水平面D’和F’进一步分区，以保证分解后的分体满足约束条件A。

在本实施例中，进一步优选，所述预设的约束条件还包括： C、当同一所述水平分区内所述分体的个数大于1时，所述分体的高度小于预设高度。预设高度优选为小于打印头无干扰的竖直方向移动距离。由于3D打印机一般具有机架，而且打印头也具有一定的下探深度，也即打印头在竖直方向具有一定的移动范围。那么，即便两个分体之间不会发生干扰，那么，分体的高度也需要满足打印头的在竖直方向移动范围的约束。对于不同的3D打印机，打印头无干扰的竖直方向移动距离可能不同，因此，该值可根据打印机的具体情况而设置。

在本实施例中，优选按照如下方式对目标模型进行分解：所述将目标模型分解为满足预设条件的分体的具体步骤包括：将所述目标模型按照水平分割方式分层，当相邻两个分层满足预设的合并条件时，将所述相邻两个分层划分至同一个水平分区，否则，以所述相邻两个分层之间的分割水平面为界，将所述相邻两个分层划分至不同的水平分区；所述预设的合并条件包括：在所述相邻两个分层中，对于任一层中的任一个层间对象，在另一层中都存在唯一一个层间对象，使得两个层间对象之间满足二维几何形心之间的距离小于第二预设距离。第二预设距离优选为√2（2的开方）倍层间厚度。

如图7所示，对目标模型按照水平分割方式进行切片分层，每个切片为一层，具体切片方式可采用3D打印切片软件实现，切片后得到的每一个独立的部分都为一个独立的层间对象。得到每一层的切片后，按照从下至上的方式，依次对相邻的两层的层间对象进行分析，即比较相邻两层的层间对象的几何形心之间的距离，当该距离小于第二预设距离时，则将两层合并，否则将该两个分层划分至不同的分区。如图7中，以分区1和分区2之间的虚线为界，在此虚线以下部分，各层间对象因满足合并条件，因此，将各层合并至同一个分区，而对于图7左边的结构体，虚线以下的第一个分层只有一个层间对象，而虚线以上的第一个分层有两个层间对象，其几何开形心的位置有较大变化，不再满足上述合并条件，因此，以虚线为界，划分成两个不同的分区。

进一步地，对于图8所示的情形，下一层切片可得到层间对象A和C，上一层切片只得到层间对象B，虽然层间对象A和层间对象B之间满足合并条件，但层间对象C不满足合并条件，因此，以层间对象A和B之间的分割面划分为两个分区。

进一步地，在本实施例中，所述预设的合并条件还包括：如果将所述相邻两个分层划分至同一个水平分区时，判断所得到的分体在水平面上的投影之间距离是否大于第一预设距离，大于则将所述相邻两个分层划分至同一水平分层，否则以所述相邻两个分层之间的分割水平面为界，将所述相邻两个分层划分至不同的水平分区。

当然，需要说明的是，也可以先对层间对象进行合并，对所有的切片进行合并、生成分体后，再依次判断各分体之间是否会发生水平干扰，当发生水平干扰时，再将发生干扰的分体所在的分层进一步地划分成一个或多个分层。

在本实施例中，在确定好水平分区后，还进一步对同一水平分区内，各分体的打印顺序进行了优化。具体包括3D打印机的打印顺序通过如下方式确定：在同一水平分区内，确定各分体的位置中心，并以位置中心之间的距离确定各分体之间的距离，以旅行商问题求解最短路径的方式确定在同一水平分区内各分体的打印顺序。进一步地，当分体为路径跳转的源位置时，以该分体顶部所在水平面的几体形心为该分体的位置中心；当分体为路径跳转的目标位置时，以该分体底部所在水平面的几何形以为该分体的位置中心。

具体地，设在同一水平分区内有分体A和分体B，那么，当计算分体A到分体B的距离时，以分体A顶部所在水平面的几何形心为该分体的位置中心a1，以分体B底部所在水平面的几何形心为该分体的位置中心b1，那么a1与b1之间的距离即分体A至分体B之间的距离。当计算分体B到分体A的距离时，以分体A底部所在水平面的几何形心为该分体的位置中心a2，以分体B顶部所在水平面的几何形心为该分体的位置中心b2，那么，b2与a2之间的距离即分体B至分体A之间的距离。在确定好各分体之间的距离后，那么，如何确定各分体的打印顺序就可以转化为一个典型的旅行商问题。对于确定的分体的几何特征，以及各分体之间的距离，只要找到一个经过且只经过各分体一次，并不回到出发分体的路线，使得该路线的总长度最短，那么该路线的顺序即为该水平分区内各分体的打印顺序。在本实施例中，可通过蚁群算法等智能算法来对最短路径求解。

需要说明的是，上述确定位置中心的方式仅仅只是一种更优的方式，当然，还可以通过其它方式来确定分体的位置中心，如在水平分区内确定其它的预设水平面，当该预设水平面与分体相交时，以分体在该预设水平面的截面的几何形心为位置中心，当该预设水平面与分体不相交时，以分体与该预设水平面的最近的顶面或底面在该预设水平面上的投影的几体形心为位置中心。当然，还可以直接以分体在该预设水平面上的投影的几何形心为位置中心。还可以直接以分体的几何中心为该分体的位置中心。或者是基于本发明的思路，在本申请中没有举例具体说明的技术方案都应落于本申请的保护范围之内。

一种存储介质，所述存储介质上存储有可被计算机执行的程序，所述程序被执行时可实现如上任一项所述的优化方法。

一种3D打印设备，包括如上所述的存储介质。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。