[发明专利]一种3D打印模型支撑结构生成过程中干涉点获取方法

说明书

本发明属于3D打印领域，并公开了一种3D打印模型支撑结构生成过程中干涉点获取方法。该方法包括：(a)构建待打印3D模型的一级体素，其中与模型外壳相交的一级体素定义为壳体体素；(b)构建待打印3D模型的二级体素，其中彼此相连的壳体体素作为连通区域，计算每个连通区域的轴对齐包围盒；(c)建立支撑点的支撑圆锥并计算其轴对齐包围盒，判断支撑圆锥与多个连通区域的轴对齐包围盒是否相交，不相交时，则支撑圆锥与3D模型不相交；相交，则在支撑圆锥区域内且到支撑点距离最近的相交的壳体体素的中心点为干涉点。通过本发明，在计算3D打印模型的支撑结构中快速获取干涉点的位置，提高干涉搜索效率，从而加快支撑结构的生成过程。

技术领域

本发明属于3D打印领域，更具体地，涉及一种3D打印模型支撑结构生成过程中干涉点获取方法。

背景技术

在3D打印领域，并不是所有的模型都可以直接进行制造，例如对于具有悬垂区域的模型，往往需要在模型的悬垂区域添加支撑结构，从而确保模型能够被成功打印。否则，没有添加支撑的悬垂区域则会在打印过程中出现坍塌，变形从而导致打印失败。本质上讲，支撑结构不是模型结构的一部分，因此支撑结构在一定程度上增加了模型的打印时间以及材料的消耗。因此，在支撑生成技术中也要考虑到优化支撑结构，以确保支撑结构的体积最少，从而降低打印时间以及打印支撑材料的消耗。

在3D打印中，模型的支撑算法的往往要经过下列过程组成：支撑区域的识别过程，支撑点采样过程以及支撑结构生成过程，其中悬垂区域的识别广泛采用的是基于STL模型的三角面片判别的方法，如果三角面片的法向矢量与Z轴的夹角大于临界角度αmax,则该三角形被识别为待支撑三角形，这个角度αmax称为最大倾斜角度，该αmax与具体的工艺和打印材料相关，因此可以通过实验获得具体的值，因此，为了保证支撑杆能够被成功打印，因此所有支撑该的倾斜角度必须小于αmax；显然，对于每个支撑点都伴随这一个支撑搜索区域，以圆锥搜索空间(或者称为：支撑圆锥)为例，如说明书附图2所示，对于图2a，由于支撑圆锥高度太小，因此不能和网格实体发生交集，对于图2b，则支撑圆锥与网格模型产生交集，因此需要在交集中进行干涉搜索找到干涉点，确保干涉点到支撑点的距离最短，这样可以直接在网格模型表面直接建立支撑结构。

在给定高度的支撑圆锥区域内，进行圆锥与网格模型的干涉搜索过程是十分复杂且非常消耗时间的，以STL网格模型为例，首先，需要遍历整个STL网格模型的三角面片，确定与支撑圆锥相交的三角面片，然后将这些三角面片与圆锥区域最相交计算处理，然后再相交三角面片上搜索到优选的干涉点，确保与支撑点之间的连线长度最短，在当前的支撑生成技术中，并没有很好的给出很好的解决方案，这严重阻碍着支撑算法的生成效率的提高，当前支撑生成技术中，Vanke等人则是通过在利用GPU强大的计算能力来加速干涉搜索的过程，他们具体实现是通过在GPU的深度缓存中绘制支撑圆锥以及网格模型，然后在相交空间中找到最近的位置即座位干涉点返回，尽管Vanke降低了干涉搜索的计算时间，但是他们并没有降低圆锥与网格模型之间干涉搜索的计算复杂度，还有其他的方法则避免在3D空间进行支撑圆锥与网格模型之间的干涉搜索，在支撑区域的垂直向下空间内进行填充简单的阵列结构作为支撑结构，如Qian等人则通过Discrete-marking方法生成快速生成网状支撑结构，Dumax等人利用切片数据进行分析，建立了桥形的支撑结构形式，还有Jin等人则采用类似的方法切片数据分析，建立了支撑结构。用于支撑圆锥和网格模型之间的干涉搜索在树形支撑生成过程中起着关键的作用，当前的干涉搜索方法，严重阻碍着支撑算法效率的提高，因此，迫切需要提出一种快速高效的干涉搜索方法，来提高树形支撑算法的效率。

发明内容