三维可视化温控3D打印方法及3D打印机与流程

本发明属于3d打印机，具体涉及三维可视化温控3d打印方法及3d打印机。

背景技术：

1、当今社会，制造业有着重要的地位，零部件的生产技术决定着工业社会的发展，而3d打印作为零件制造的新技术，逐渐在这一行业发展开来，它有着造型丰富，材料广泛，低成本，全能制造，受到社会的高度关注。

2、3d打印技术又被称为增料制造技术，是一种快速成型的技术手段。通过利用计算机技术建立3d数字模型，并将3d模型层层分割成多个平面，然后用粉末状的可黏合原材料进行逐层打印。简单来讲，3d打印技术就是把不同材质的原料打印成薄层，然后层层累积，最终形成三维立体形态。3d打印技术可以实现机械制造个性化和定制化生产，可根据顾客的不同需求进行针对性的生产制造，避免原有的大规模生产模式带来的浪费问题。传统机械制造通常要使用大型机械设备及专用模具，因此占地面积比较大，3d打印设备体积都比较小，可以有效减小空间需求。同时，3d打印设备应用于项目前期设计，能够及时发现设计阶段存在的缺陷和不足，并不断修改和完善，可有效降低生产成本。3d技术的另一个重要优势是能够有效提升工作效率。在机械领域，一个产品的制作周期往往都很长，而采用3d技术，可以将时间大大缩短，甚至几个小时内就能完成，产品精度也胜于传统机械制造，既大幅度提高了生产效率，又保证了产品质量。另外，3d打印技术还可以实现很多传统机械制造无法实现的设计理念、优化和创新制造工艺，通过使用计算机建模技术，完成高难度的模型设计，并实现生产。

3、现有技术中，通常采用激光发射器对打印的材料进行逐层熔融（采用abs、pla、pc、ppsf、pc-abs等塑料的fdm熔融挤压堆积技术，或采用光敏树脂为原材料的sla立体光固化成型技术）或烧结（sls选择性激光烧结技术）的3d打印技术，在此过程中，将采用cad、3dsmax、pro/e、solidworks等建模好的三维空间产品模型转存后，进行切片处理并进行喷头路径规划，进而实现三维立体空间模型的逐层打印。如中国专利202210548543.1公开的一种基于二维图像的3d打印切片方法，其在切片过程中采用包围盒算法获取模型在x轴方向最小值坐标xmin和最大值坐标xmax、y轴方向最小值坐标ymin和最大值坐标ymax、z轴方向最小值坐标zmin和最大值坐标zmax、包围盒中心点z轴坐标zcenter然后在对切平面进行约束，规定切平面与模型的范围，通过切平面构造的平面求交器获取切平面与模型相交的轮廓线；再如中国专利202010437204.7公开的一种基于slm技术的3d打印扫描方法及3d打印机，其采用的也是使用切片软件对对立体模型进行切片，生成模型切片信息，得到每层模型的二维轮廓，并且扫描获取二维轮廓数据，再处理立体模型的二维轮廓数据，得出轮廓扫描粘接的路径和轮廓扫描失效的路径，再通过计算机设置粘接及失效过程中激光扫描的工艺参数。但是现有技术中都没有将切片获得的多层切片数据中的多个三角面片如何进行求交，并且再转换为要打印出的三维立体产品的各个点位于x轴、y轴和z轴的位置以及采用三轴激光振镜系统输出激光时，x轴振镜和y轴振镜旋转的角度，进而控制各个时刻的经过x轴振镜、y轴振镜发射后的激光输出的激光角度以及x轴振镜和y轴振镜以及z轴移动机构带动喷头实时移动的三维点坐标定位的喷头路径规划方法，因此，现有技术中的3d打印机并不能精确地将获得的三维模型产品的立体图转化为实时输出的激光打印参数进而精确地控制三轴联动或者五轴联动的3d激光打印机进行产品精确打印。

技术实现思路

1、本发明针对上述缺陷，提供一种三维可视化温控3d打印方法及3d打印机。本发明通过首先将获得的三维绘图软件绘制的目标对象三维模型转化成stl数据格式后，通过三维空间投影技术，将目标对象三维模型通过一定的投影角β将3d点转换为二维平面上的第l层投影图像的第 j个二维点，然后再构建二维点邻近的相邻点集合模型，通过构建角点匹配计算模型并遗传神经算法迭代优化各个二维点的相邻点、构建梯度矩阵并计算其秩的大小进而找寻到最邻近的二维点，进而将两个二维体素化点求交，进而将形成的多层二维三角面切片的边求交，形成拥有多个二维三角面切片交合的重塑三维立体图像的多个二维空间体素化分层数据，再通过构建三维空间运动特征点路径模型进而将由多个二维三角面切片求交得到的三维立体图像转化为主控制模块可以控制xy振镜系统的x轴实时坐标、沿x轴实时旋转角度、y轴实时坐标、沿y轴实时旋转角度，以及z轴移动机构的z轴实时坐标，进而控制3d打印机移动机构的三维移动路径，完成三维可视化温控3d打印，提高了切片数据求交的准确性以及3d立体打印中各个维度移动的实时坐标和激光旋转角度的精确性。

2、本发明提供如下技术方案：三维可视化温控3d打印方法，包括以下步骤：

3、s1：将采用三维绘图软件绘制的打印目标对象三维模型转化为模型数据格式；

4、s2：对转化为模型数据格式的目标对象三维模型进行体素化处理，形成目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据；

5、s3：根据所述s2步骤得到的目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据，构件三维空间运动特征点路径模型；

6、s4：根据所述s3步骤构建得到的三维空间运动特征点路径模型，控制3d打印机移动机构的三维移动路径，完成三维可视化温控3d打印。

7、进一步地，所述s1步骤中的模型数据格式为stl数据格式。

8、进一步地，所述s2步骤包括以下步骤：

9、s21：将目标对象三维模型中的投影至x轴和y轴组成的投影平面，形成目标对象表面的多个二维三角面切片，即构建转换模型将目标对象三维模型中的第 i个3d点转换为二维平面上的第l层投影图像 的第 j个二维点，i=1,2,…,q；j=1,2, …, m；l=1,2,…,n；多个二维三角面切片互相平行，每个二维三角面切片中含有投影至该层切片的多个二维点，第l层投影图像由多个二维三角面切片组成；

10、s22：对所述s21步骤形成的目标对象表面n层二维三角面切片数据进行角点求交匹配，形成目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据。

11、进一步地，所述s21步骤中的转换模型如下：

12、，

13、其中，为目标对象三维模型相对于x轴和y轴组成的投影平面的投影角，，，、分别为第l层投影图像中的二维三角面切片于x轴投影的投影转换系数、第l层投影图像中的二维三角面切片于y轴投影的投影转换系数，为第l层投影图像中的二维三角面切片的固有焦距，、分别为第l层投影图像中的二维三角面切片于x轴方向上的单位像素，第l层投影图像中的二维三角面切片于y轴方向上的单位像素；为第l层投影图像中形成多个二维三角面切片的多个二维点的中心点x轴坐标，为第l层投影图像中形成多个二维三角面切片的多个二维点的中心点y轴坐标，、分别为第 i个3d点投影至第l层投影图像中的二维三角面切片时沿x轴、y轴的平移距离；为第l层投影图像中与第j个二维点中x轴坐标相对应的第l层投影图像x轴坐标，为第l层投影图像中与第j个二维点中x轴坐标相对应的第l层投影图像y轴坐标。

14、进一步地，所述s22步骤包括以下步骤：

15、s221：构建第l层投影图像的第 j个二维点作为一个像素的相邻点集合模型：

16、，

17、其中，为第l层投影图像的第j个二维点的一个相邻点，为所述相邻点的x轴坐标，为所述相邻点的y轴坐标，为范式距离，为第j个二维点的x轴坐标与其相邻点的x轴坐标之间的范式距离限定阈值，为第j个二维点的y轴坐标与其相邻点的y轴坐标之间的范式距离限定阈值，因此符合范式距离阈值限定的x轴和y轴坐标的任一一点均为相邻点形成的集合；

18、s222：构建第l层投影图像的第 j个二维点与其相邻场集合中任一点的角点匹配计算模型；

19、s223：采用遗传神经算法迭代优化所述s222步骤构建的角点匹配计算模型得到的向量差，构建相邻点梯度矩阵；

20、s224：计算所述相邻点梯度矩阵的秩，判断梯度矩阵的秩是否大于0.85，若大于，则选取该点作为角点进行求交匹配，共有n个二维点与第l层投影图像中的二维点的个数相一一匹配，将各个第l层投影图像的第 j个二维点与其相邻的各个角点匹配，形成交合线，形成目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据；否则重复所述步骤s221-s223。

21、进一步地，所述s222步骤中构建的第l层投影图像的第 j个二维点与其相邻场集合中任一点的角点匹配计算模型如下：

22、，

23、其中，为第l层投影图像的第 j个二维点与其相交匹配的第l层投影图像的二维点的向量差；

24、进一步地，所述s223步骤构建的相邻点梯度矩阵如下：

25、，

26、其中，为第l层投影图像的二维点于x轴方向的偏导算子矩阵，为第l层投影图像的二维点于y轴方向的偏导算子矩阵；

27、所述s224步骤计算相邻点梯度矩阵的秩的公式如下：

28、。

29、进一步地，所述s3步骤中根据目标对象的多个二维空间体素化分层数据，构建的三维空间运动特征点路径模型如下：

30、，

31、其中，、分别为第l层投影图像的第g个二维点的横坐标和纵坐标，、分别为第l层投影图像中与第g个二维点中x轴坐标、y轴坐标相对应的第l层投影图像x轴坐标、y轴坐标；、和为计算得到的3d打印机移动机构分别于x轴、y轴和z轴的实时坐标；为旋转矩阵，计算公式如下：

32、；

33、其中，为3d打印机移动机构中xy激光振镜的x轴振镜沿x轴旋转的实时旋转角度，为3d打印机移动机构中xy激光振镜的y轴振镜沿y轴旋转的实时旋转角度；

34、m为二维体素化点移动系数，计算公式如下：

35、；

36、m用于根据不同的第l层投影图像的第j个二维点和第g个二维点 之间的喷头移动路径惩罚权值的限定；w为惩罚权值限定阈值，e为惩罚倍数；

37、，；

38、为第l层投影图像第j个二维点和第l+1投影层图像第j个二维点之间的平移斜对称矩阵。

39、进一步地，所述平移向量斜对称矩阵如下：

40、，

41、其中，，。

42、本发明还提供一种三维可视化温控3d打印机，所述打印机包括带动喷嘴进行3d打印的3d打印机移动机构，所述3d打印机移动机构包括进行x轴和y轴平面移动的xy激光振镜系统和沿z轴垂直方向上下运动的z轴移动机构，所述打印机还包括目标对象三维模型数据转化模块、目标对象三维模型切片模块、三维空间运动路径规划模块和主控制模块；所述主控制模块与控制xy激光振镜系统沿x轴平面移动并以x轴为中心轴旋转的第一电机、控制xy激光振镜系统沿y轴平面移动并以y轴为中心轴旋转的第二电机以及控制z轴移动机构沿z轴垂直方向上下运动的第三电机电信号连接；

43、所述目标对象三维模型数据转化模块，用于将采用三维绘图软件绘制打印目标对象三维模型转化为模型数据格式；

44、所述目标对象三维模型切片模块，用于对转化为模型数据格式的目标对象三维模型进行体素化处理形成目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据；

45、所述三维空间运动路径规划模块，用于根据目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据，构件三维空间运动特征点路径模型；

46、所述主控制模块，用于根据构建得到的三维空间运动特征点路径模型，控制所述第一电机和所述第二电机带动xy激光振镜系统并控制所述第三电机带动z轴移动机构的三维移动路径，完成三维可视化温控3d打印。

47、本发明的有益效果为：

48、1、本发明提供的三维可视化温控3d打印方法中，通过将三维绘图软件绘制的打印目标对象三维模型转化为模型数据格式后，将该三维模型通过一定的投影角β投影至x轴和y轴组成的切片二维平面上，并形成多层投影图像，因此第 i个3d点转换为二维平面上的第l层投影图像的第 j个二维点，通过该投影转换技术，有利于将打印目标对象的三维模型有效转化为多层切片组成的切片数据，并且在一层切片中，即第l层投影图像由多个二维三角面切片组成，有利于后续的多个二维三角面切片交合时寻找最优的角点进行匹配，避免最终形成的喷头行走路径过长或者与最初的三维模型在三维空间中的三维坐标误差较大，导致最终打印出的三维产品与设计的打印目标对象形态差别较大，或者在拐角曲面处形成毛刺等情况的发生。

49、2、本发明提供的三维可视化温控3d打印方法中，通过第j个二维点的x轴坐标与其相邻点的x轴坐标之间的范式距离限定阈值以及第j个二维点的y轴坐标与其相邻点的y轴坐标之间的范式距离限定阈值，构建了第l层投影图像的第 j个二维点作为一个像素的相邻点集合模型，进而为目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据与角点匹配形成准确交合线做好准备，再构建第l层投影图像的第 j个二维点 与其相邻场集合中任一点的角点匹配计算模型，通过遗传神经算法迭代优化，得到能够使第l层投影图像的第 j个二维点与其相交匹配的第l层投影图像的二维点的向量差最小的相邻点，进而选取该相邻点与第l层投影图像的第 j个二维点进行匹配，共有n个二维点与第l层投影图像中的二维点的个数相一一匹配，形成交合线，形成目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据，降低了在多个二维三角面切片拼接时产生的误差。

50、3、本发明提供的三维可视化温控3d打印方法中，通过遗传算法迭代得到第l层投影图像的第 j个二维点的最优相邻点过程中，通过自构建的相邻点梯度矩阵，有效将相邻点集合模型中的限位阈值引入该梯度矩阵计算范围限定中，再分别引入计算第l层投影图像的二维点于x轴和y轴方向的偏导算子矩阵、，通过梯度矩阵的秩的计算结果作为遗传神经算法优化迭代停止的限定阈值，充分考虑了迭代过程中向量差于x轴和y轴方向上的偏置对第l层投影图像的二维点的影响，因此，该遗传神经算法优化迭代停止的限定阈值提高了优化迭代得到的最优解的准确性。

51、4、本发明提供的三维可视化温控3d打印方法中，通过s2步骤角点匹配迭代优化，将各个第l层投影图像的第 j个二维点与其相邻的各个角点匹配后形成由多个二维三角面片通过交合线交联重塑的目标对象的多个二维空间体素化分层拼接数据，进而据此再构建三维空间运动特征点路径模型，得到第l层投影图像的第g个二维点和第l层投影图像的第 j个二维点两个二维体素化点之间的喷头移动路径规划需要的xy轴振镜系统的x轴实时坐标、x轴振镜沿x轴旋转角度、y轴实时坐标和y轴振镜沿y轴旋转角度，并通过计算第l层投影图像的第 j个二维点与最优交合点之间的欧式距离，进而限定喷头移动路径惩罚权值限定阈值w，以及进一步计算惩罚权值中的惩罚倍数e，得到二维体素化点移动系数m，进而最终通过主控制模块控制第一电机、第二电机以及第三电机，控制两个反射镜之间存在的空间正交关系，当控制x轴振镜移动实时坐标和旋转角度的第一电机接收到外界激光发射机发出射入的激光束，通过第一反光镜反射作用，x轴振镜可将激光束传入到y轴振镜，再由第二电机控制y轴振镜移动实时坐标和旋转角度将射入y轴振镜的激光再次偏转，通过第二反光镜的反射作用，将激光束反射到将要3d打印且铺有金属粉末或者高分子复合材料的打印材质的平面上，可通过偏转控制xy振镜系统的第一电机和第二电机调整两个振镜的偏转角度和，进而在3d打印中将偏转角度设置在一定范围内，可较好地将激光束反射到扫描平面上，防止激光束发生偏移，实现高质量的目标对象的3d打印。