[發(fā)明專利]一種生成3D打印模型的樹形支撐結(jié)構(gòu)的方法

有效

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• 申請日: 2018-12-19
• 公開（公告）號: CN109624325B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張李超;張楠;王森林;史玉升
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: B29C64/40
• 分類號: B29C64/40;B29C64/386;B33Y50/00;B33Y40/00
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

本發(fā)明屬于3D打印的技術(shù)領(lǐng)域，并公開了一種生成3D打印模型的樹形支撐結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括下列步驟：S1識別待打印的3D模型的待支撐區(qū)域，并進行網(wǎng)格劃分，獲得第一層支撐節(jié)點；S2將支撐區(qū)域劃分為多個子區(qū)域，采用基于局部質(zhì)心的計算方法獲取新生成的支撐點，并根據(jù)新支撐點的位置情況以及新支撐點與模型網(wǎng)格之間的干涉情況構(gòu)建支撐的樹枝結(jié)構(gòu)，最后將新生成的支撐點更新到支撐點集合中；S3重復(fù)步驟S2直到支撐點集合為空，由此生成層次化的樹形支撐結(jié)構(gòu)。通過本發(fā)明，實現(xiàn)快速高效地生成支撐結(jié)構(gòu)，并保證支撐樹枝具有合理的直徑大小，最終使得支撐結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于3D打印的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種生成3D打印模型的樹形支撐結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)

在3D打印領(lǐng)域，并不是所有的模型都可以直接進行制造，例如對于具有懸垂區(qū)域的模型，往往需要在模型的懸垂區(qū)域添加支撐結(jié)構(gòu)，從而確保模型能夠被成功打印。否則，沒有添加支撐的懸垂區(qū)域則會在打印過程中出現(xiàn)坍塌，變形從而導(dǎo)致打印失敗。當(dāng)前的支撐算法從某種程度上效率不高，并且支撐的結(jié)構(gòu)形式并不是高效，因此本專利提出一種高效的支撐生成算法，在3D打印軟件處理中成為重要的研究方向。

在3D打印中，模型的支撐算法的往往要經(jīng)過下列過程組成：支撐區(qū)域的識別過程，支撐點采樣過程以及支撐結(jié)構(gòu)生成過程。其中懸垂區(qū)域的識別廣泛采用的是基于STL模型的三角面片判別的方法，如果三角面片的法向矢量與Z軸的夾角大于臨界角度α_max,則該三角形被識別為待支撐三角形。這個角度α_max稱為最大傾斜角度。該α_max與具體的工藝和打印材料相關(guān)，因此可以通過實驗獲得具體的值，所有相鄰的待支撐三角形組成一個完整的支撐區(qū)域，顯然，一個模型可能包含多個支撐區(qū)域。

在所有的支撐點中生成樹形支撐結(jié)構(gòu)，通知保證生成的樹枝長度最短。這在3D空間中生成樹形支撐生成方式可以被描述成為歐幾里得Steiner最小生成樹問題(EuclideanSteiner Minimal Tree problem,ESMT)，具有至少NP的復(fù)雜度，當(dāng)前大部分的工作是在2D空間中給出解決方案。Toppur等人給出了在3D空間生成最小樹方法，但是該方法的復(fù)雜度是O(n²)；最近Vanke等人提出了一種聰明的樹形支撐結(jié)構(gòu)方法，他們采用了一種基于幾何模型的支撐形式來減少支撐材料的使用。在實現(xiàn)方式上，他們采用每次在3D空間中尋找最近的兩個支撐點，并在其相交區(qū)域通過面掃描算法來計算新生成的點，直到所有的支撐點都處理完畢結(jié)束，假定支撐點的數(shù)量是n，則Vanke的算法的時間復(fù)雜度是O(n²)；MeshmixerTM軟件也可以提供支撐結(jié)構(gòu)生成，但是該支撐方法并不公開，其次樹形支撐的生成效率不高，其次，生成的樹枝結(jié)構(gòu)是扭曲的，并且是等直徑的樹枝結(jié)構(gòu)，這種支撐結(jié)構(gòu)可以通過使用類截圓錐狀的樹枝結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而可以減少支撐材料的使用。支撐生成算法對3D打印軟件的應(yīng)用性起著重要的作用，首先，低效率的支撐算法嚴(yán)重影響3D打印軟件的客戶體驗，其次，臃腫的支撐結(jié)構(gòu)，則增加了模型整體的打印時間，以及耗材成本的增加，因此，迫切需要提出一種快速高效的支撐算法來提高3D打印軟件的高效性和應(yīng)用型。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種生成3D打印模型的樹形支撐結(jié)構(gòu)的方法，本發(fā)明通過對待打印的3D模型的支撐面進行分層分區(qū)處理，以此建立樹形支撐結(jié)構(gòu)，其中每層的支撐點通過上一層的支撐點計算獲取，每層的樹枝的形狀呈圓臺狀，該支撐結(jié)構(gòu)能有效緩解抖動現(xiàn)象，提供更好的支撐穩(wěn)定性，同時使用支撐材料少，且計算時間短，效率高。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種生成3D打印模型的樹形支撐結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

S1構(gòu)建第一層支撐點

對于待打印的3D模型，識別該模型的待支撐區(qū)域，并將該待支撐區(qū)域作為第一層支撐區(qū)域，將該待支撐區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格節(jié)點為一個支撐點；