基于多参数量化的3D打印舍弃层处理方法及系统与流程
本发明涉及3d打印技术领域，特指一种基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法及系统。
背景技术：
目前使用逐层打印工艺的3d打印技术(如fdm(fuseddepositionmodeling，熔融沉积成型)技术)，构件误差大多按照打印层厚来控制，即对切片后的数字模型，在打印高度方向上最后一层层高与打印层厚度进行对比，按照四舍五入的原则，决定继续打印一层还是直接舍弃。而该最后一层层高的计算是根据构件总高度减去打印层数与打印层厚度的乘积得到的，但各打印层在硬化之前会因受到重力挤压而发生压缩变形，导致各打印层的实际厚度要小于打印层的设计厚度，也就使得3d打印构件的最终高度的误差较大。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法及系统，解决现有的3d打印由于打印层硬化之间发生压缩变形而使得3d打印构件的最终高度的误差较大的问题。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法，包括如下步骤：
获取3d打印构件的高度和允许误差值；
获取3d打印的标准层的层高；
依据所述3d打印构件的高度和所述标准层的层高计算得出打印层数及剩余高度；
根据所述打印层数及打印材料计算得出所有标准层的累计压缩变形量；以及
将所述剩余高度和所述累计压缩变形量求和作为舍弃层的层高，判断所述舍弃层的层高与所述允许误差值的大小，若所述舍弃层的层高小于等于所述允许误差值，则舍弃打印所述舍弃层，若所述舍弃层的层高大于所述允许误差值，则于所述舍弃层处打印一层标准层。
本发明提供了一种3d打印舍弃层处理方法，在计算舍弃层的层高时考虑了所有标准层的累计压缩变形量，也即将累计压缩变形量和剩余高度求和作为舍弃层的层高，进而在判断该舍弃层与允许误差值的大小，若舍弃层的层高在允许误差范围内则直接舍弃最后一层不打印，若该舍弃层的层高超出了允许误差范围，则多打印一层标准层，从而能够提高3d打印构件高度的精度，减小误差。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法的进一步改进在于，根据所述打印层数及打印材料计算得出所有标准层的累计压缩变形量的步骤，包括：
获取打印材料的容重以及一层标准层的硬化时间；
获取打印一层标准层的时间；
根据如下公式一计算第一层至第n-m层的第一压缩变形量：
根据如下公式二计算第n-m+1层至第n层的第二压缩变形量：
公式一和公式二中，ξ1为第一压缩变形量，ξ2为第二压缩变形量，δhi为第i层的累计变形量，γ为打印材料的容重，hi为第i层的层高，hi+j为第i+j层的层高，n为打印层数，m等于一层标准层的硬化时间除以打印一层标准层的时间的计算结果向下取整数，e(ti)为ti时刻对应的变形模量，ti为第i层打印完成的时刻，e(ti+j)为ti+j时刻对应的变形模量，ti+j为第i+j层打印完成的时刻；
将所述第一压缩变形量和所述第二压缩变形量求和以得出所述累计压缩变形量。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法的进一步改进在于，所述允许误差值依据所述3d打印构件的高度设定，在判断得到所述舍弃层的层高大于所述允许误差值时，
进一步判断所述标准层的层高是否小于所述舍弃层的层高与所述允许误差值之和；
若否，则调整所述标准层的层高使得所述标准层的层高小于所述舍弃层的层高与所述允许误差值之和，并重新计算所述舍弃层的层高。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法的进一步改进在于，获取3d打印的标准层的层高之后，判断所述标准层的层高是否小于所述允许误差值的两倍，若否，则调整所述标准层的层高以使得所述标准层的层高小于所述允许误差值的两倍。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法的进一步改进在于，在调整所述标准层的层高时，同步的调节所述允许误差值的大小。
本发明还提供了一种基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统，包括：
输入单元，用于输入3d打印构件的高度、允许误差值和3d打印的标准层的层高；
计算单元，与所述输入单元连接，用于计算得出打印层数及剩余高度，还用于计算累计压缩变形量；以及
处理单元，与所述输入单元和所述计算单元连接，用于将所述剩余高度和所述累计压缩变形量求和作为舍弃层的层高，判断所述舍弃层的层高与所述允许误差值的大小，若所述舍弃层的层高小于等于所述允许误差值，则输出舍弃打印所述舍弃层的结果，若所述舍弃层的层高大于所述允许误差值，则输出于所述舍弃层处打印一层标准层的结果。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统的进一步改进在于，所述计算单元包括第一计算模块和第二计算模块；
所述输入单元还用于输入打印材料的容重、一层标准层的硬化时间以及打印一层标准层的时间；
所述第一计算模块内存储有公式一，所述第一计算模块与所述输入单元连接并根据所述公式一计算得出第一层至第n-m层的第一压缩变形量，所述公式一为：
所述第二计算模块内存储有公式二，所述第二计算模块与所述输入单元连接并根据所述公式二计算得出第n-m+1层至第n层的第二压缩变形量，所述公式二为：
公式一和公式二中，ξ1为第一压缩变形量，ξ2为第二压缩变形量，δhi为第i层的累计变形量，γ为打印材料的容重，hi为第i层的层高，hi+j为第i+j层的层高，n为打印层数，m等于一层标准层的硬化时间除以打印一层标准层的时间的计算结果向下取整数，e(ti)为ti时刻对应的变形模量，ti为第i层打印完成的时刻，e(ti+j)为ti+j时刻对应的变形模量，ti+j为第i+j层打印完成的时刻。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统的进一步改进在于，所述第一计算模块和所述第二计算模块还与所述处理单元连接，并将计算得出第一压缩变形量和第二压缩变形量发送给所述处理单元。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统的进一步改进在于，所述处理单元在判断得到所述舍弃层的层高大于所述允许误差值时，进一步判断所述标准层的层高是否小于所述舍弃层的层高与所述允许误差值之和，若否，则告警提示重新输入标准层的层高。
本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统的进一步改进在于，所述处理单元还用于判断所述标准层的层高是否小于所述允许误差值的两倍，若否，则告警提示重新输入标准层的层高。
附图说明
图1为本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法的流程图。
图2为本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统的系统图。
图3为本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法及系统中3d打印构件切片结构示意图。
图4为本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法及系统中计算累计压缩变形量的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法及系统，用于解决现有技术中舍弃层高度计算时未考虑各打印层的压缩变形量，从而导致3d打印构件的高度误差较大的问题。本发明的3d打印舍弃层处理方法及系统考虑了各个打印层硬化之前的压缩变形量记为累计压缩变形量，使得舍弃层的层高更加真实，能够满足误差要求。另外，本发明还解决了现有3d打印中构件误差由打印层厚度来控制的问题，本发明允许误差值是根据3d打印构件的尺寸来设计的，对于不同尺寸的构件可以给出不同的误差控制要求，且在判断舍弃层是否打印时，还对标准层的层高与允许误差值之间的大小进行了判断，以实现选择合适的3d打印设备、打印材料和打印头的尺寸，能够保证在打印舍弃层时，3d打印构件的实际高度不会超出误差上限。下面结合附图对本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统及方法进行说明。
参阅图2，显示了本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统的系统图。下面结合图2，对本发明基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统进行说明。
如图2所示，本发明的基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统包括输入单元21、计算单元22以及处理单元23，其中的输入单元21与计算单元22连接，处理单元23与输入单元21和计算单元22连接，输入单元21用于输入3d打印构件的高度、允许误差值和3d打印构件的标准层的层高；计算单元22用于接收输入单元21输入的3d打印构件的高度、允许误差值和3d打印构件的标准层的层高，该计算单元22用于根据3d打印构件的高度和标准层的层高计算得出打印层数及剩余高度，该计算单元22还用于计算累计压缩变形量，该累计压缩变形量为所有标准层的压缩变形量之和，根据打印层数及打印材料的性能来计算该累计压缩变形量。处理单元23用于将剩余高度和累计压缩变形量求和作为舍弃层的层高，进而判断舍弃层的层高与允许误差值的大小，若该舍弃层的层高小于等于允许误差值，则输出舍弃打印舍弃层的结果，若舍弃层的层高大于允许的误差值，则输出于舍弃层处打印一层标准层的结果。
结合图3所示，3d打印构件30的总高度为h，该3d打印构件30的最底层为找平层31，该找平层31的厚度为h0，将该3d打印构件30的总高度h减去找平层31的厚度h0后，再除以标准层32的层高h，就可以获得打印层层数n，若能够整除则不会有舍弃层33，但通常情况是有余数的，该舍弃层33的层高为δh′，在计算该舍弃层33的层高时，若直接用3d打印构件30的总高度减去找平层31的厚度，减去所有标准层32的层高，即δh′＝h-h0-n×h，则会导致3d打印构件的实际误差较大。结合图4所示，打印层i至打印层i+m为未硬化层，在打印层i硬化的过程中，该打印层i会受到其上打印层i+1至打印层i+m的重力挤压，从而产生压缩变形，所有的标准层在打印后至硬化前均会发生压缩变形，若在判断舍弃层33的层高δh′时，不考虑所有的标准层的压缩变形量也即累计压缩变形量，会使得在舍弃打印舍弃层后，制作出的3d打印构件的实际高度不满足误差要求。所以本发明的处理单元23在计算舍弃层的层高时，利用剩余高度与累计压缩变形量之和作为舍弃层的层高，能够提高舍弃层高度的计算精度，从而提高了3d打印构件的高度精度，避免发生不满足误差要求的现象。
在本发明的一种具体实施方式中，计算单元22包括第一计算模块和第二计算模块，输入单元21还用于输入打印材料的容重、一层标准层的硬化时间以及打印一层标准层的时间，第一计算模块和第二计算模块均与输入单元21和处理单元23连接，该第一计算模块内存储有公式一，第一计算模块用于根据公式一计算得出第一层至第n-m层的第一压缩变形量，第二计算模块内存储有公式二，该第二计算模块用于根据公式二计算得出第n-m+1层至第n层的第二压缩变形量，其中的n为打印层数，m等于一层标准层的硬化时间除以打印一层标准层的时间的计算结果向下取整数。
公式一为：
公式二为：
在公式一和公式二中，ξ1为第一压缩变形量，ξ2为第二压缩变形量，δhi为第i层的累计变形量，γ为打印材料的容重，hi为第i层的层高，hi+j为第i+j层的层高，n为打印层数，m等于一层标准层的硬化时间除以打印一层标准层的时间的计算结果向下取整数，e(ti)为ti时刻对应的变形模量，ti为第i层打印完成的时刻，e(ti+j)为ti+j时刻对应的变形模量，ti+j为第i+j层打印完成的时刻。
第一计算模块在计算第一压缩变形量时，根据输入单元21输入的一层标准层的硬化时间t0和打印一层标准层的时间ti计算得出m的值，即t0/ti＝m，m的计算结果向下取整数。变形模量e(t)为随时间变化的函数，该变形模量可通过实验绘出，从而就能够得到各个时刻所对应的变形模量了。第一计算模块将打印材料的容重、标准层的层高以及变形模量代入到公式一中就可以得到第一压缩变形量的值。同样地，第二计算模块将打印材料的容重、标准层的层高以及变形模量代入到公式二中就可以得到第二压缩变形量的值。
进一步地，计算单元将第一压缩变形量和第二压缩变形量求和得到累计压缩变形量，并将累计压缩变形量发送给处理单元23。
计算单元22在计算累计压缩变形量时，假设各打印层的压缩变形量是由重力作用产生的，不考虑其他因素的影响，比如材料后期徐变因素；假设已打印层因上部某个打印层形成的压缩量，在该上部打印层打印完成后的一个短时间内完成，该时间量远小于打印时长和材料硬化时间，可近似看作瞬时；假设各层材料的打印用时相同。为方便计算，按打印层数来划分时间区段，第i-1层打印完成的时刻记为ti-1，对应的变形模量为e(ti-1)；第i层打印完成的时刻记为ti，对应的变形模量为e(ti)；第i+1层打印完成的时刻记为ti+1，对应的变形模量为e(ti+1)；对第i层而言，ti＝ti-ti-1。配合图4所示，首先计算ti-1至ti时刻内第i层在本层自重的作用下的压缩变形量δhi,0：
也即第n层只考虑自身重量的变形量即可。当每一打印层的设计层高相同时，记标准层的层高为h，第i层的累计变形量可简化为：
在本发明的一种具体实施方式中，第一计算模块和第二计算模块还与处理单元连接，并将计算得出第一压缩变形量和第二压缩变形量发送给处理单元23。该处理单元23对第一压缩变形量、第二压缩变形量以及剩余高度求和得到舍弃层的层高。
在本发明的一种具体实施方式中，处理单元23在判断得到舍弃层的层高大于允许误差值时，进一步判断标准层的层高是否小于舍弃层的层高与允许误差值之和，若否，则告警提示重新输入标准层的层高。具体地，设定允许误差值为e，则表示3d打印构件的实际高度可以在设计高度±允许误差值e之间，所以即使舍弃层的层高大于允许误差值，还需要满足标准层的层高减去舍弃层的层高应小于允许误差值，这样能够满足3d打印构件的实际高度在允许误差范围内。
进一步地，重新输入标准层的层高时，应将标准层的层高调小，标准层的层高是由3d打印设备、打印材料以及打印头的尺寸来决定的，在3d打印设备、打印材料以及打印头的尺寸确定好后，打印头和打印设备具有一调节范围，在调节范围内调节打印头和打印设备能够对应的调节标准层的层高，且还能够确保3d打印成型质量。比如：打印头距打印作业面的高度在可一定范围内调节，在该一定范围内调节打印头距打印作业面的高度时，可相应的调节打印层的层高且能够确保3d打印成型质量。在调整标准层的层高时，若打印头和打印设备需调节到超出上述调节范围时，则需要根据实际情况选择合适的3d打印设备、合适的打印材料以及合适的打印头的尺寸，将打印头的尺寸调小，相应的打印头处的出料量减小，使得打印层的层高(也即标准层的层高)变小，反之标准层的层高就会变大。
在另一较佳实施方式中，在判断标准层的层高不小于舍弃层的层高与允许误差值之和时，可以将允许误差值调大，但在调节允许误差值时应在规范要求范围内进行调整。对于某一尺寸的构件在规范中有对应的误差要求，比如若构件的高度在10cm，其误差要求可在0.5mm～1mm之间；若构件的高度在3m，其误差要求可在5mm～10mm之间。所以还可以调节允许误差值的大小，来使得标准层的层高小于舍弃层的层高与允许误差值之和。
进一步地，还可以在调节标准层的层高时，同步的调节允许误差值，以使得舍弃层处理能够让3d打印构件满足误差要求。
在本发明的一种具体实施方式中，处理单元23还用于判断标准层的层高是否小于允许误差值的两倍，若否，则告警提示重新输入标准层的层高。处理单元23在计算舍弃层的层高之前，判断标准层的层高是否小于允许误差值的两倍，在标准层的层高小于允许误差值的两倍时，若舍弃层的层高大于允许误差值，则标准层的层高减去舍弃层的层高则必然小于允许误差值，能够确保3d构件的实际高度在打印舍弃层时能够在误差允许范围内。
进一步地，处理单元23可根据用户的输入指令执行判断标准层的层高是否小于允许误差值两倍的功能或执行判断标准层的层高是否小于舍弃层的层高与允许误差值之和的功能。较佳地，在处理系统的操作界面设置第一指令按钮(快速计算法)和第二指令按钮(迭代计算法)，用户通过选择对应的按钮而形成对应的指令，在选择第一指令按钮时，处理单元23先判断标准层的层高是否小于允许误差值的两倍，判断结果为是时，计算单元在进行打印层数、剩余高度以及累计压缩变形量的计算，处理单元23再进行后续的舍弃层的判断，如此处理单元23能够快速的得出舍弃层的判断结果。在选择第二指令按钮时，计算单元进行打印层数、剩余高度以及累计压缩变形量的计算，处理单元23对舍弃层的层高进行判断，还会判断标准层的层高是否小于舍弃层的层高与允许误差值之和，如此允许误差值可以设计的较小，能够提高3d打印构件的精度控制要求。其中快速计算法的原理是：判断标准层的层高h是否小于允许允许误差值e的两倍，当不满足时，则调整层高h和/或允许误差值e，以确保h<2e。迭代计算法的原理是：判断标准层的层高h减去舍弃层的层高δh′是否小于允许误差值e，当不满足时，则调整层高h和/或允许误差值e，以确保h-δh′<e，相对而言，迭代计算法的控制精度更高，计算过程更长一些。
本发明的基于多参数量化的3d打印舍弃层处理系统，实现了允许误差值根据3d打印构件的尺寸进行设计，结合打印层的厚度(也即标准层的层高)和累计压缩变形量对舍弃层进行综合判断，决定继续打印一层标准层还是舍弃该舍弃层。解决了现有3d打印中构件高度方向的加工误差由打印层厚度来决定，无法根据构件自身的尺寸进行合理调整的问题，使得构件打印高度的误差控制不再依赖于打印层厚，控制精度更高，控制方式更灵活。本发明在计算舍弃层的层高时考虑了各打印层的累计压缩变形量，提高了舍弃层的层高的计算精度，从而保证了3d打印构件的实际高度在误差要求范围内。
本发明还提供了一种基于多参数量化的3d打印舍弃层的处理方法，下面对该处理方法进行说明。
本发明的基于多参数量化的3d打印舍弃层处理方法，包括如下步骤：
如图1所示，执行步骤s11，获取3d打印构件的高度和允许误差值；接着执行步骤s12；
执行步骤s12，获取3d打印的标准层的层高；接着执行步骤s13；
执行步骤s13，依据所述3d打印构件的高度和所述标准层的层高计算得出打印层数及剩余高度；接着执行步骤s14；
执行步骤s14，根据所述打印层数及打印材料计算得出所有标准层的累计压缩变形量；接着执行步骤s15；
执行步骤s15，将所述剩余高度和所述累计压缩变形量求和作为舍弃层的层高，接着执行步骤s16；
执行步骤s16，判断所述舍弃层的层高是否大于所述允许误差值，若是则执行步骤s7，若否则执行步骤s18；
执行步骤s17，于所述舍弃层处打印一层标准层；
执行步骤s18，舍弃打印所述舍弃层。
本发明的3d打印舍弃层处理方法，在计算舍弃层的层高时考了所有标准层的累计压缩变形量，也即将累计压缩变形量和剩余高度求和作为舍弃层的层高，进而在判断该舍弃层与允许误差值的大小，若舍弃层的层高在允许误差范围内则直接舍弃最后一层不打印，若该舍弃层的层高超出了允许误差范围，则多打印一层标准层，从而能够提高3d打印构件高度的精度，减小误差。
在本发明的一种具体实施方式中，根据打印层数及打印材料计算得出所有标准层的累计压缩变形量的步骤，包括：
获取打印材料的容重以及一层标准层的硬化时间；
获取打印一层标准层的时间；
根据如下公式一计算第一层至第n-m层的第一压缩变形量：
根据如下公式二计算第n-m+1层至第n层的第二压缩变形量：
公式一和公式二中，ξ1为第一压缩变形量，ξ2为第二压缩变形量，δhi为第i层的累计变形量，γ为打印材料的容重，hi为第i层的层高，hi+j为第i+j层的层高，n为打印层数，m等于一层标准层的硬化时间除以打印一层标准层的时间的计算结果向下取整数，e(ti)为ti时刻对应的变形模量，ti为第i层打印完成的时刻，e(ti+j)为ti+j时刻对应的变形模量，ti+j为第i+j层打印完成的时刻；
将第一压缩变形量和第二压缩变形量求和以得出累计压缩变形量。
在本发明的一种具体实施方式中，允许误差值依据3d打印构件的高度设定，在判断得到舍弃层的层高大于允许误差值时，进一步判断标准层的层高是否小于舍弃层的层高与允许误差值之和；若否，则调整标准层的层高使得标准层的层高小于舍弃层的层高与允许误差值之和，并重新计算舍弃层的层高。此时应将标准层的层高调小。
进一步地，在调整标准层的层高时，通过更换3d打印设备和/或更换3d打印头的尺寸来实现。
在本发明的一种具体实施方式中，在判断得到标准层的层高不小于舍弃层的层高与允许误差值之和时，将允许误差值调大，调节该允许误差值时应在可接收的误差范围内进行调节，以使得标准层的层高小于舍弃层的层高与允许误差值之和。
在本发明的一种具体实施方式中，判断标准层的层高是否小于舍弃层的层高与允许误差值之和时，调小标准层的层高，同时将允许误差值调小，再重新计算舍弃层的层高，并重新对舍弃层与允许误差值的大小进行重新判断。
在本发明的一种具体实施方式中，获取3d打印的标准层的层高之后，判断标准层的层高是否小于允许误差值的两倍，若否，则调整标准层的层高以使得标准层的层高小于允许误差值的两倍。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
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