[发明专利]一种3D打印数字模型剖切及接口设计方法及应用

权利要求书

1.一种3D打印数字模型剖切及接口设计方法，其特征在于：步骤如下：

(1)输入3D打印数字模型，用指定平面方程参数的方式指定切平面，利用点与平面位置关系剖切该模型，将其分解成不同的块，得到分解后数字模型，使原3D打印数字模型的内表面转变为外表面；

(2)如果需要更细致地分解模型，可重复步骤(1)，对3D打印数字模型进行多次剖切；模型剖切结束后，将在剖切形成的切面上添加接口，用于拼接分解后数字模型；

(3)用拾取三角面片的方式，在剖切3D打印数字模型形成的切面上指定接口位置，即在3D打印数字模型的切面上点击选取三角形面片，将在每两个被连续拾取的三角面片中间构造接口，按照此方式成对地拾取三角面片即可指定多个接口位置；

(4)在3D打印数字模型的切面上、成对拾取的三角面片中间存在两组分别近似构成曲线段的离散点，分别对其进行曲线拟合，得到两个平面曲线段方程，记为C₁、C₂，以便构造适应模型表面形状的曲面接口；在平面曲线段方程C₁、C₂上分别等距采样，各得到N个采样点，分别记为{vex₁¹,vex₂¹,…,vex_N¹}和{vex₁²,vex₂²,…,vex_N²}，依次连接平面曲线段C₁、C₂上对应的采样点vex_i¹、vex_i²,i＝1,2,…,N，形成N条直线段，并分别取直线段的1/3和2/3处的点作为接口底座点，得到N对底座点，将在底座点的坐标位置添加接口；

(5)设计一个包含接口凸起和接口凹槽、并在接口凸起和接口凹槽上添加半圆形结构的接口；垂直于切平面，分别过每对底座点做采样平面，在N个采样平面上迭代计算接口高度，并选取最高的接口方向，即接口凸起朝向的方向；

(6)将一个接口上N对底座点间距离的平均值记为该接口的平均宽度w，利用该接口的平均宽度和步骤(5)中计算的接口高度计算缝隙宽度，缝隙宽度指接口凸起和接口凹槽间的间隔宽度，只有存在一定的缝隙宽度，才可以在接口凸起和接口凹槽上添加用于固定模型的半圆形结构，至此，带半圆形结构的接口凸起和接口凹槽已构造完成；

(7)将接口拼接到分解后的3D打印数字模型上，并对接口附近的切面区域重新三角剖分，以便消除由拼接产生的非流形三角面片，至此，用于固定分解后数字模型的接口已设计添加完成；

所述步骤(5)中垂直于切平面，分别过每对底座点做采样平面，在N个采样平面上迭代计算接口高度，并选取最高的接口方向，即接口凸起朝向的方向的具体步骤如下：

计算好接口在截面上的底座点之后，迭代计算接口的高度和朝向：

计算原则为：接口不破坏模型表面结构，即不会出现两个面片相交的情况；接口高度不超过接口平均宽度的两倍，且在满足接口不破坏模型表面结构的前提下接口高度选取最大值；其中，接口平均宽度指一个接口上N对底座点间距离的平均值；

通过得到接口上的N对底座点，垂直于切平面，过每对底座点分别做N个采样平面；

给定接口初始高度为底座点平均宽度的两倍，在每一采样面上判断接口是否包含在模型内部，如果存在一个采样面上的接口过高则减小接口高度，继续迭代，直到所有采样面上的模型都能包含当前高度的接口为止；由模型的特点可知，只要高度合适，截面上的接口一定能被包含在所有采样面内；一个剖切平面将数字模型剖切为两部分，即处于正半空间的数字模型M_p和处于负半空间的数字模型M_n，上述接口迭代过程分别在M_p和M_n中进行，得到两个接口高度h_p、h_n，选取较高的接口高度为最终接口高度h＝max(h_p,h_n)，其中max(·，·)表示选取最大值，接口高度记为接口朝向记为

所有底座点加上偏移量形成接口凹槽的坐标点，接口凹槽高度即为h；给定一个微小的系数k_Δh，k_Δh＞0且k_Δh＜＜1，用k_Δh·h表示接口凸起和接口凹槽的高度差，接口凸起高度即为(1-k_Δh)·h；

所述步骤(6)的具体步骤如下：

在每一个采样平面上，根据接口平均宽度高度h、朝向高度差k_Δh·h和半圆形结构半径系数k₁、k₂，计算接口凸起与接口凹槽间的缝隙宽度其中，常量k₁、k₂满足

k₁＜1,k₂＜1,k₁+k₂＞1 (1.1)

其中，系数k_s是待求的变量；

在接口凸起和接口凹槽处放置半圆形结构能够使模型通过上下运动拼合在一起，半圆形结构的半径分别为

r₁＝k₁·w_s、r₂＝k₂·w_s (1.2)

分析可知，在垂直方向上缝隙越大半圆越能超出高度界限，即垂直方向上k_s存在上限

在水平方向上缝隙越大，接口凸起的宽度越小，接口越不牢靠，即水平方向上k_s存在上限

k_h＝(1-k)/2 (1.4)

其中，常量k为凸起宽度占接口宽度的最小比例；

因此，选取k_s同时满足(1.3)和(1.4)

k_s＝min(k_v,k_h) (1.5)

得到缝隙宽度w_s之后，半圆形结构半径由式(1.2)给出；将半圆形结构拼接到凸起和凹槽上，得到半圆的圆心位置分别为

其中，a为凸起上半圆的圆心位置，b为凹槽上半圆的圆心位置，p₁、p₂为一对底座点，(·).normalized表示对向量归一化。