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CN111037917B - 一种基于模型拆分与拼接打印的fdm打印方法、系统及介质 - Google Patents

一种基于模型拆分与拼接打印的fdm打印方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法、系统及介质，属于增材制造技术领域。本发明包括以下步骤：确定待打印产品三维模型的成形方向；以模型中垂直于成形方向且与相邻面外夹角小于180°的平面为拆分面，将模型拆分成若干子模型；将拆分后的子模型全部导入分层软件，根据成形方向与相对位置关系对各子模型进行拼接摆放，随后完成分层切片处理；使用FDM打印机完成产品的增材制造成形。本发明通过模型拆分与拼接打印，可实现FDM打印过程中外表面实体成形区域与内部图形填充区域的层内无相邻打印成形，有利于提升切片层的打印质量与粘结强度，增强FDM打印产品的表面平整度和力学性能。

Description

一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法、系统及介质，属于增材制造技术领域。
背景技术
作为增材制造技术中所包含的工艺类型之一，熔融沉积成形(Fused DepositionManufacturing,FDM)通过对三维数字模型沿成形方向进行分层切片处理，然后根据每一层的轮廓信息控制喷头的运动轨迹与成形平台升降，将从喷头中连续熔融挤出的材料逐层堆积成形，最终实现零件产品的生产和快速原型验证。由于设备及加工成本低、操作安全简便、原材料种类及颜色丰富、生产周期短等特点，FDM打印技术已广泛应用于新品原型评估、模具设计制造、小批量产品加工、教育艺术文创等领域。
在使用FDM技术进行产品打印过程中，针对某一切片层内同时含有模型外表面与内部填充两种区域，并且两种区域相邻的情况，所采用的打印方法是分区域连续扫描加工，即喷头根据两种区域所设定的不同的填充方案和扫描路径分别进行打印成形。由于模型外表面一般采用百分之百的往复直线实体填充方式，而内部填充结构多采用一定的填充图案与较低的填充率。不同的填充方式、填充率和路径扫描方向极易导致打印完成的模型外表面实体结构在区域边界附近发生坍塌和翘曲，直接影响成形件的表面质量，进而无法为打印后续外轮廓结构提供充分的支撑基础，影响材料层之间的粘结强度，无法满足产品对表面质量和力学性能的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法、系统及介质，通过对三维数字模型进行平面拆分与整体拼接打印，消除层内与层间打印缺陷，提高FDM打印产品的表面质量与粘结强度。
本发明的技术解决方案是：一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法，包括如下步骤：
获取待打印产品三维模型，确定待打印产品三维模型的成形方向；
将待打印产品三维模型拆分成若干子模型；
根据待打印产品三维模型的成形方向与子模型的相对位置关系对各子模型进行拼接摆放，随后完成分层切片处理；
使用FDM打印机完成产品的增材制造成形。
进一步地，所述成形方向为待打印产品三维模型的表面外法线方向与打印机Z轴正向夹角在135～180°之间的平面最少，且添加的工艺支撑易于去除的摆放方向。
进一步地，所述将待打印产品三维模型拆分成若干子模型的步骤包括：
将待打印产品三维模型按照成形方向进行摆放；
以待打印产品三维模型中垂直于成形方向且与相邻面之间的外夹角小于180°的外表面所在平面作为拆分面，对待打印产品三维模型中与该外表面相邻的实体部分进行拆分。
进一步地，所述外夹角为：取相交线上任意一点，分别在模型中垂直于成形方向的外表面及其相邻面上做过这一点且与相交线垂直的射线，两条射线在模型实体结构外部形成的夹角。
一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印系统，包括
第一模块，获取待打印产品三维模型，确定待打印产品三维模型的成形方向；
第二模块，将待打印产品三维模型拆分成若干子模型；
第三模块，根据待打印产品三维模型的成形方向与子模型的相对位置关系对各子模型进行拼接摆放，随后完成分层切片处理；
第四模块，使用FDM打印机完成产品的增材制造成形。
进一步地，所述成形方向为待打印产品三维模型的表面外法线方向与打印机Z轴正向夹角在135～180°之间的平面最少，且添加的工艺支撑易于去除的摆放方向。
进一步地，所述将待打印产品三维模型拆分成若干子模型，具体的步骤包括：
将待打印产品三维模型按照成形方向进行摆放；
以待打印产品三维模型中垂直于成形方向且与相邻面之间的外夹角小于180°的外表面所在平面作为拆分面，对待打印产品三维模型中与该外表面相邻的实体部分进行拆分。
进一步地，所述外夹角为：取相交线上任意一点，分别在模型中垂直于成形方向的外表面及其相邻面上做过这一点且与相交线垂直的射线，两条射线在模型实体结构外部形成的夹角。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现所述一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法的步骤。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明根据三维数字模型的成形方向及结构特征，对模型进行水平拆分，能够在分层切片处理过程中有效避免同一切片层内同时包含外表面实体填充与内部图形填充两种填充方式与扫描策略差异巨大的相邻无过渡区域，既有助于提升分层切片处理效率，又能够消除外表面实体填充结构在区域边界附近由于周围填充率突然变化和喷头供料频繁启停而导致的坍塌和翘曲问题，为后续沉积材料提供充分的支撑和粘结基础，充分改善FDM打印产品的表面质量和力学性能；
(2)本发明采用拼接摆放、整体打印的方法将拆分后的各子模型组装还原为完整的三维模型结构并一次打印完成，无需后续拼接粘贴即可得到与三维数字模型结构一致的FDM打印产品，能够有效提升产品的加工效率。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图；
图2为本发明所选取的实施例产品模型示意图。
图3为本发明所采用的模型拆分结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
如图1，一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法，包括以下步骤：
步骤一、确定待打印产品三维模型的成形方向；
步骤二、通过三维模型编辑技术将模型拆分成若干子模型；
步骤三、将拆分后的子模型全部导入分层软件，根据成形方向与相对位置关系对各子模型进行拼接摆放，随后完成分层切片处理；
步骤四、使用FDM打印机完成产品的增材制造成形。
上述基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法，所述步骤一中，成形方向为三维模型表面外法线方向与打印机Z轴正向夹角在135～180°之间的平面尽可能少，且添加的工艺支撑易于去除的摆放方向。
上述基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法，所述步骤二中，模型拆分的具体方法为：
a)将模型按照成形方向进行摆放；
b)以模型中垂直于成形方向且与相邻面之间的外夹角小于180°的外表面所在平面作为拆分面，对模型中与该外表面相邻的实体部分进行拆分；
c)将拆分后的子模型分别保存为分层软件可识别的文件格式。
上述基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法，所述模型拆分方法b)中的外夹角指：取相交线上任意一点，分别在模型中垂直于成形方向的外表面及其相邻面上做过这一点且与相交线垂直的射线，两条射线在模型实体结构外部形成的夹角。
以如图2所示的三维数字模型为例，选择网格式填充图案、15％的填充率及0.15mm的层高参数对模型进行分层切片处理时，为避免直接对三维数字模型进行分层切片处理时，在垂直于成形方向且与相邻表面外夹角小于180°的平面A处同时存在表面实体填充与内部图案填充的分层切片结果，因填充率及扫描路径方向差异而导致表面实体填充部分发生坍塌和翘曲缺陷，减少表面质量问题，本发明实施例提供了一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：确定如图2所示的三维数字模型的打印方向；
步骤二、以模型中A面所在平面为拆分面，通过三维模型编辑技术将模型拆分成若如图3所示的两个子模型，将两个子模型分别保存为STL文件格式；
步骤三、将拆分后的子模型全部导入分层软件，根据成形方向与相对位置关系对两个子模型进行拼接摆放，以相同的工艺参数对模型进行分层切片处理；
步骤四、使用FDM打印机完成产品的增材制造成形。
综上所述，本发明所述方法能够有效改善FDM打印产品的表面质量，为后续沉积材料提供充分的支撑和粘结基础，进而提升产品的力学性能。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取待打印产品三维模型，确定待打印产品三维模型的成形方向；
将待打印产品三维模型拆分成若干子模型；
根据待打印产品三维模型的成形方向与子模型的相对位置关系对各子模型进行拼接摆放，随后完成分层切片处理；
使用FDM打印机完成产品的增材制造成形；
所述成形方向为待打印产品三维模型的表面外法线方向与打印机Z轴正向夹角在135~ 180°之间的平面最少，且添加的工艺支撑易于去除的摆放方向；
所述将待打印产品三维模型拆分成若干子模型的步骤包括：
将待打印产品三维模型按照成形方向进行摆放；
以待打印产品三维模型中垂直于成形方向且与相邻面之间的外夹角小于180°的外表面所在平面作为拆分面，对待打印产品三维模型中与该外表面相邻的实体部分进行拆分；
所述外夹角为：取相交线上任意一点，分别在模型中垂直于成形方向的外表面及其相邻面上做过这一点且与相交线垂直的射线，两条射线在模型实体结构外部形成的夹角；
能够在分层切片处理过程中有效避免同一切片层内同时包含外表面实体填充与内部图形填充两种填充方式。
2.一种基于模型拆分与拼接打印的FDM打印系统，其特征在于：包括
第一模块，获取待打印产品三维模型，确定待打印产品三维模型的成形方向；
第二模块，将待打印产品三维模型拆分成若干子模型；
第三模块，根据待打印产品三维模型的成形方向与子模型的相对位置关系对各子模型进行拼接摆放，随后完成分层切片处理；
第四模块，使用FDM打印机完成产品的增材制造成形；
所述成形方向为待打印产品三维模型的表面外法线方向与打印机Z轴正向夹角在135~ 180°之间的平面最少，且添加的工艺支撑易于去除的摆放方向；
所述将待打印产品三维模型拆分成若干子模型，具体的步骤包括：
将待打印产品三维模型按照成形方向进行摆放；
以待打印产品三维模型中垂直于成形方向且与相邻面之间的外夹角小于180°的外表面所在平面作为拆分面，对待打印产品三维模型中与该外表面相邻的实体部分进行拆分；
所述外夹角为：取相交线上任意一点，分别在模型中垂直于成形方向的外表面及其相邻面上做过这一点且与相交线垂直的射线，两条射线在模型实体结构外部形成的夹角；
能够在分层切片处理过程中有效避免同一切片层内同时包含外表面实体填充与内部图形填充两种填充方式。
3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1所述方法的步骤。
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