[发明专利]一种三维打印最少分区填充方向确定方法

说明书

本发明公开了一种三维打印最少分区填充方向确定方法，包括如下步骤：首先输入表示当前层上打印区域的轮廓多边形集合Ψ以及角度分辨率r；更新Ψ中每个多边形方向；初始化角度覆盖表；计算Ψ中多边形凹顶点切线角度范围κ，并对角度覆盖表中对κ内的覆盖次数进行叠加更新；输出角度覆盖表中覆盖次数最少的角度值作为填充方向。本发明具有实现原理简单、运算量小的特点，尤其适合应用于计算密集的三维打印路径规划场合。

技术领域

本发明属于三维打印路径规划及优化领域，具体涉及一种三维打印最少分区填充方向确定方法。

背景技术

在针对某一层高的三维打印过程中，一般使用平行线对获得的打印区域进行填充。对一给定三维模型及指定高度的截平面，平行填充路径生成过程概述如下：①计算截平面和三维模型的封闭交线，这些交线在平面上包含嵌套形成打印区域；②在截平面内，指定平行线角度及相邻平行线间间距，在平面上生成一组平行线，覆盖整个打印区域；③计算每条平行线和打印区域的交点，截取落在打印区域内部的线段；④合理连接所有线段，得到打印当前高度的平行填充刀路。

在以上线段连接过程中，有些线段只能通过跳跃的方式才能连接到下一线段，即先抬起喷头到一定高度，然后空走到下一线段上方，再下降喷头继续打印。考虑到空走路径纯粹是无用路径，只会降低打印效率，而每次跳跃都会导致喷头空走，因此从打印效率的角度来说，填充路径上的跳跃次数越少越好。此外，在一些特殊应用场合，如在碳纤维三维打印中，为保证打印质量，也有降低填充路径跳跃次数的需求(参见：栾丛丛.连续碳纤维增强感知一体化智能结构增材制造与性能研究[D],浙江大学,2018.)。

在打印区域形状及平行线间距确定的情况下，填充路径的跳跃次数取决于填充方向，即平行线和坐标系参考轴的角度。当上述角度从0度到180度变化过程中，必然存在一个最优角度，使得得到的填充路径跳跃次数最少。理论上，可以用暴力方法，遍历每个角度，对每个角度按上述步骤②～④求出该角度下所有平行线和打印区域交点，然后连接所有落在打印区域内部线段，并统计跳跃次数。但该方法计算效率低下，不适合采用，如在角度分辨率为0.1度的情况下，采用该方法需要遍历计算的角度个数为1800个。实践中，大都三维打印路径生成软件(如CURA)均采用固定填充方向，如0度、45度及90度。

中国专利文献CN 104325638 A(申请号201410447307.6)公开了一种基于分区的3D打印填充路径生成方法，其原理为：首先根据扫描平行线与轮廓多边形的交点数目将打印区域进行第一次分区；进一步将第一次分区的结果根据交点数目进行第二次分区，获得子区域集，并生成子区域路径；对子区域路径进行调整，并利用样条曲线对剩下的子路径进行衔接。该文献着重描述了在已知平行线角度的情况下，对打印区域进行二次分区的方法以及分区后各子区域填充线段的连接方法。这些方法鲁棒性强，适应于各种形状的模型。但是对于如何有效降低打印喷头跳跃次数没有报道。

发明内容

为了弥补现有技术在三维打印填充方向优化中的不足，减少填充过程中的打印喷头跳跃次数，降低喷头空走行程，提高打印效率，本发明提供一种三维打印最少分区填充方向确定方法。

本发明的基本原理是寻找一个优化填充方向，使得输入轮廓多边形上的凹顶点尽量少的成为极值点。通过分析表示打印区域的轮廓多边形顶点内在特性，建立角度覆盖表，从中确定最小分区填充方向，具有实现原理简单、运算量小的特点，尤其适合应用于计算密集的三维打印路径规划场合。

一种三维打印最少分区填充方向确定方法，包括如下步骤：

(1)输入表示当前层上打印区域的轮廓多边形集合Ψ以及角度分辨率r；

(2)更新轮廓多边形集合Ψ中每个轮廓多边形方向；

(3)初始化角度覆盖表；