TWI638714B - 自我調整列印方向的三維模型列印方法及其系統 - Google Patents

Abstract

本揭露提供了一種自我調整列印方向的三維模型列印方法及其系統。方法包含在列印三維列印模型實體之前，對三維列印模型進行重力滾動模擬，以確定三維列印模型在重力作用下可使用最少外部支撐的穩定擺放位置；其次，根據所得到的穩定擺放位置模擬三維列印模型的擺放後，對三維列印模型進行模擬切片，確定三維列印模型的三維列印方向；最後，採用已定位之三維列印模型的三維列印方向列印三維列印模型。

Description

自我調整列印方向的三維模型列印方法及其系 統

本發明係關於三維列印技術，特別是關於一種自我調整列印方向的三維模型列印方法及其系統。

三維列印是增材製造技術的一種形式，於增材製造技術中，三維列印模型是三維印表機透過輸出連續的物理層創建出來的。三維印表機相對於其他的增材製造技術而言，具有速度快，價格便宜，高易用性等優點。三維印表機是可以列印出真實三維物體的一種設備，功能上與雷射成型技術一樣，採用分層加工、疊加成形的方式，亦即透過逐層增加材料而生成三維列印模型，與傳統的去除材料加工技術完全不同。稱之為三維印表機是參照了噴墨印表機的技術原理，因為分層加工的過程與噴墨印表機的工作原理十分相似。

目前，三維印表機於進行三維列印模型的列印時，首先，需先取得三維列印模型的三維列印模型數據資料； 然後，再依據三維列印模型的三維列印模型數據資料，採用預先設置的通用列印參數資料，來進行三維列印；最後，得到三維列印模型經列印後所產生的實體成品。

在三維印表機的三維列印過程中，三維列印的列印方向與列印時間、列印耗材及列印品質之間都具有很大的關聯性。目前，三維列印模型的三維列印方向都是由三維印表機預先設置，比如設置為從下到上的垂直方向或/和從左到右的水平方向上，依次去列印的方式來列印三維列印模型。但是採用這種方式確定三維列印的方向，皆是預先設定好的，並非針對某一待列印的三維列印模型結構設置的，所以會造成列印品質降低。因此，為了針對某一待列印的三維列印模型結構進行列印，就需要人工來調整三維印表機的三維列印方向，如此一來，不利使用者操作三維印表機且需要繁瑣的過程，造成實現上的困難。

本發明之一技術態樣是有關於一種自我調整列印方向的三維模型列印方法，三維模型列印方法能夠自適應且調整三維印表機的三維列印方向，操作簡單，易於實現，提高列印品質。此外，本發明也提供一種自我調整列印方向的三維列印系統，系統能夠自適應且調整三維印表機的三維列印方向，操作簡單，易於實現，提高列印品質。

根據本發明一或多個實施方式，一種自我調整列印方向的三維模型列印方法包含對三維列印模型進行重力滾 動模擬，確定三維列印模型在重力作用下，使用最少外部支撐之穩定擺放位置；以及根據最少外部支撐之擺放位置模擬擺放三維列印模型後，對三維列印模型進行模擬切片，確定三維列印模型的三維列印方向。

在本發明一或多個實施方式中，上述之獲得最少外部支撐之位置的步驟包含透過重力滾動模擬，設定三維列印模型自然靜止的靜止擺放位置作為初始位置；將三維列印模型自初始位置開始，透過模擬重力條件下的物體滾動，使得三維列印模型達到自然穩定的穩定擺放位置；以及記錄自然穩定的穩定擺放位置的三維空間坐標，作為最少外部支撐之擺放位置的三維空間坐標。

在本發明一或多個實施方式中，上述之進行重力滾動模擬的步驟包含透過判定三維列印模型的重心與重力方向的一致性，結合三維列印模型接觸水平面的特徵來判斷三維列印模型是否能在擺放位置上保持靜止，以及同時預設靜止偏差值(Buffer)，當三維列印模型的重心與重力方向的偏差值達到預設的靜止偏差值之範圍內後，確定靜止之三維列印模型的擺放位置。

在本發明一或多個實施方式中，上述之進行重力滾動模擬中，透過模擬重力條件下的物體滾動，具有滾動方向，其中滾動方向的選擇包含以三維列印模型的初始位置之重力方向為中心，繞重力地平面一周360度的平分角度方式來選擇滾動方向，其中重力地平面是以重力方向所在的縱向與三維列印模型的重心所在的橫向之交界點所處的水平面。

在本發明一或多個實施方式中，上述之以三維列印模型的初始位置之重力方向為中心，以繞重力地平面一周360度的平分角度方式來選擇滾動方向的步驟包含：將繞重力地平面一周的360度依預設份數平分，平分後之重力地平面形成複數個區域，複數個區域分別具有區域方向，於區域方向上對三維列印模型進行抛物測試，於重力滾動模擬中，待三維列印模型自然落穩後，記錄三維列印模型的擺放位置之三維空間坐標；對擺放位置的三維空間坐標進行水平平移和旋轉變換後，比對並篩選掉擺放位置中相同的擺放位置，得到篩選後該三維列印模型的擺放位置；以及對篩選後的三維列印模型擺放位置進行預設角度的晃動模擬後，得到篩選後的三維列印模型的擺放位置的穩定度，將穩定度最高的擺放位置作為三維列印模型達到自然穩定的穩定擺放位置。

在本發明一或多個實施方式中，上述之進行模擬切片的步驟是對處於穩定擺放位置的三維列印模型進行模擬切片，於對應的每一層切片生成列印控制指令，將列印控制指令轉換為圖形編碼GCode進行列印。

在本發明一或多個實施方式中，上述之三維模型列印方法，於進行該模擬切片的步驟之前，更包含對三維列印模型進行投影輪廓分析，確定三維列印模型的擺放位置之外部支撐，選定其中外部支撐最優的最優擺放位置作為確定的擺放位置。

在本發明一或多個實施方式中，上述之對三維列印模型進行投影輪廓分析的步驟包含：a)獲得三維列印模型 於當前角度的投影圖，對投影圖進行輪廓曲線識別；b)根據輪廓曲線識別之結果提出特徵位置，記錄特徵位置對應之三維列印模型的空間位置；c)判斷空間位置是否已經位在三維列印模型中，如果是，則將當前角度替換為下一角度，返回步驟a)執行；如果否，則執行步驟d)；d)分析三維列印模型的外輪廓曲面特徵，計算對應之三維列印模型的位置所具有之累積曲面面積；e)判斷所有角度的投影圖都完成，如果是，則執行步驟f)；如果否，則將當前角度替換為下一角度，返回步驟a)執行；以及f)將累積曲面面積中最小者所對應的擺放位置選定為外部支撐最優的最優擺放位置作為三維列印模型確定的擺放位置。

根據本發明一或多個實施方式，一種自我調整列印方向的三維列印系統包含重力滾動模擬單元以及模擬切片單元。重力滾動模擬單元用於對三維列印模型進行重力滾動模擬，以確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐之擺放位置。模擬切片單元用於根據所確定的擺放位置來模擬擺放三維列印模型，接著對三維列印模型進行模擬切片，以確定三維列印模型的三維列印方向。

在本發明一或多個實施方式中，上述之三維列印系統更包含投影輪廓分析單元，用於對三維列印模型的投影輪廓進行分析，以確定三維列印模型的複數個擺放位置分別所需之外部支撐，選定其中外部支撐最優的最優擺放位置作為確定的擺放位置。

由上述方案可以看出，本發明一實施例在列印三維列印模型實體之前，對三維列印模型進行重力滾動模擬，確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置；其次，根據所確定的擺放位置模擬擺放三維列印模型後，對三維列印模型進行模擬切片，確定三維列印模型的三維列印方向；最後，採用所確定的三維列印模型之三維列印方向來列印三維列印模型之實體成品。本發明一實施例之自我調整三維列印方向的系統，操作簡單，易於實現，提高了列印的品質。

101~102‧‧‧步驟

1‧‧‧方向

2‧‧‧方向

3‧‧‧方向

4‧‧‧方向

①‧‧‧位置

②‧‧‧位置

③‧‧‧位置

520‧‧‧曲面

601~609‧‧‧步驟

720‧‧‧重力滾動模擬單元

740‧‧‧投影輪廓分析單元

760‧‧‧模擬切片單元

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖為本發明實施例提供之自我調整列印方向的三維模型列印方法之方法流程圖。

第2圖為本發明實施例提供的三維列印模型的重心與重力方向的偏差示意圖。

第3圖為本發明實施例提供的重力滾動模擬的滾動方向示意圖。

第4圖為本發明實施例提供在投影角度為位置①、②、③時對三維列印模型的輪廓投影示意圖。

第5圖為本發明實施例提供的第4圖所示位置①、②、③時三維列印模型與三維列印模型的輪廓投影示意圖。

第6圖為本發明實施例提供的對三維列印模型進行投影輪廓分析的方法流程圖。

第7圖為本發明實施例提供的自我調整列印方向的三維模型列印系統的系統結構示意圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

本發明一實施例為了自我調整三維列印的列印方向，從而簡便用戶的操作，且易於實現及提高列印的品質，對三維列印模型的列印過程進行模擬，確定三維列印模型的三維列印方向。具體地說，就是在列印三維列印模型實體之前，對三維列印模型進行重力滾動模擬，確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置；其次，根據所確定的擺放位置模擬擺放三維列印模型後，對該三維列印模型進行模擬切片，確定該三維列印模型的三維列印方向；最後，採用所確定的三維列印模型的三維列印方向進行實體列印。

從實驗數據可以表明，當三維列印模型被列印為三維列印模型時，在同樣的列印參數下，列印參數諸如列印層厚度精度、模型厚度、填充比及列印速率等，當三維列印模型於重力作用下能擺放的擺放姿勢及外部輪廓的平面與水平面角度之和的總角度越小，若總和的角度限制在三維印表機所設 置的列印角度之內，則需要外部支撐結構就越少，從而使得列印耗材及浪費的外部支撐耗材也越少。基於上述理由，本實施例對三維列印模型進行重力滾動模擬，確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置，從而提高後續真正列印時的列印品質。

第1圖為本發明一實施例提供之自我調整列印方向的三維模型列印方法之方法流程圖，其具體步驟如下所述。步驟101、對三維列印模型進行重力滾動模擬，確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置。步驟101是透過軟體的模擬來進行，也就是透過軟體來對三維列印模型進行重力滾動模擬，以確定三維列印模型在重力作用下，使用最少外部支撐的擺放位置。於步驟101中，所確定的三維列印模型在重力作用下，使用最少外部支撐的擺放位置可為一個或多個。

步驟102、根據所確定的擺放位置模擬擺放三維列印模型後，對三維列印模型進行模擬切片，以確定三維列印模型的三維列印方向。步驟102也是透過軟體的模擬來進行，所謂模擬切片指的是對被放置於擺放位置的三維列印模型進行模擬切片後，將與切片後之三維列印模型相對應的每一層切片生成列印控制指令，將列印控制指令轉換為圖形編碼(GCode)以進行列印，由此可知，對三維列印模型切片的方向及角度，確定了三維列印模型的三維列印方向，切片的方法及角度保證使用了最少的外部支撐。進一步地，模擬切片過 程，還可以根據三維印表機的參數特徵，估算得到列印時間和列印耗材等列印資料。

在本發明一實施例中，重力滾動模擬就是在三維坐標系中，透過模擬三維列印模型在重力環境下的掉落情况。一般分為三個步驟確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置：第一、透過進行重力滾動模擬，將三維列印模型能自然靜止的擺放位置作為初始位置；第二、將三維列印模型自初始位置開始，透過模擬重力條件下的物體滾動，使得三維列印模型達到自然穩定的穩定擺放位置；第三、記錄自然穩定的擺放位置的三維空間坐標，作為確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置的三維空間坐標。此處，由於在所確定的三維空間坐標下三維列印模型是可以自然擺放的，以此擺放位置進行後續列印有利於三維列印模型自然成型，儘量減少額外的外部支撐。

在上述敍述中，判斷三維列印模型是否能在擺放位置上保持靜止的方式，是藉由重力滾動模擬。亦即透過判定三維列印模型的重心與重力方向的一致性，結合三維列印模型接觸水平面的特徵來判斷三維列印模型是否能在擺放位置上保持靜止，於此同時也可借助三維列印模型的重心與重力方向的偏差值來確定三維列印模型靜止的擺放位置，靜止的擺放位置會影響三維列印模型的穩定性，也就是透過預設置靜止偏差值，當三維列印模型的重心與重力方向的偏差值達到預設的靜止偏差值之範圍內後，則確定靜止三維列印模型的擺放位置。 第2圖為本發明一實施例提供的三維列印模型的重心與重力方向的偏差示意圖。

在上述敍述的第二步驟，透過模擬重力條件下的物體滾動，具有滾動方向，滾動方向的選擇方式是藉由以三維列印模型的初始位置的重力方向為中心，繞重力地平面一周360度平分角度方式來選擇。所述重力地平面是以重力方向所在的縱向與重心所在的橫向之交界點所在的水平面。

第3圖為本發明一實施例提供的重力滾動模擬的滾動方向示意圖，第3圖所示的僅為一示例，並非用以侷限本發明，具體地來說包含下述的幾個步驟。第一、將繞重力地平面一周360度平分為4份，平分後的重力地平面形成4個區域，4個區域分別具有區域方向，亦即第3圖上所繪示之1、2、3、4四個方向，沿著1、2、3、4四個方向對三維列印模型進行抛物測試，待三維列印模型透過重力模擬自然落穩後，記錄擺放位置的三維空間坐標，假定四個方向都進行了三維列印模型的抛物測試，則確定的三維列印模型的擺放位置為Ni(i=1,2,3...n)。第二、對擺放位置Ni的三維空間座標進行水平平移和旋轉變換後，篩選掉其中相同的擺放位置後，得到篩選後的三維列印模型的擺放位置Nj(j=1,2,3，...m)，m小於n；第三、對三維列印模型的擺放位置Nj進行預設角度的晃動模擬後，得到擺放位置Nj的穩定度，將穩定度最高的擺放位置Nj作為該三維列印模型達到自然穩定的擺放位置。

在本發明一實施例，於提供的步驟102之前，三維模型列印方法更包含對三維列印模型進行投影輪廓分析，用 以確定三維列印模型的各個擺放位置所需之外部支撐，選定其中外部支撐最優的擺放位置作為確定的擺放位置。這個步驟為可供選擇之步驟，當步驟101中所確定出之三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置為單一位置時，就可以直接省略該步驟。

在本發明一實施例中，投影輪廓分析是對三維列印模型擺放位置的空間輪廓資料進行分析，對需要外部支撐的三維列印模型在進行列印方向的選擇上做更進一步之優化，以及確定所採用的外部支撐，用以確定三維列印模型的擺放位置是否會產生額外的外部支撐而導致耗材和列印時間的增加。具體地來說，對三維列印模型的每一個擺放位置Nj進行切分角度投影來分析外部輪廓特徵，切分角度設定根據列印之精度的要求，以三維列印模型俯視圖的平分角度切分進行，如第4圖所示，將360度等分後進行投影輪廓分析。第4圖為本發明一實施例提供的在投影角度為位置①、②、③時對三維列印模型的輪廓投影示意圖。第5圖為本發明一實施例提供的第4圖所示位置①、②、③時三維列印模型與三維列印模型的輪廓投影示意圖。如圖所示，第5圖中的上圖為位置①、②、③時三維列印模型的結構示意，第5圖中的下圖為位置①、②、③時三維列印模型的輪廓投影的結構示意。

對三維列印模型的輪廓投影進行處理，識別出輪廓曲線，以進行曲線分析，具體地來說：以三維列印模型的底部擺放位置平行線為x軸，以擺放方向為y軸，建立空間坐標系，以曲線的切線與x軸的夾角記為夾角a，夾角a定義為曲線 弧度需要產生外部支撐才能列印的角度，夾角a大於等於0，但小於90度，且確定夾角a的下方無三維列印模型實體支撐，則進行標注。如第5圖中圓圈內的曲面520，得到曲面520對應的三維列印模型位置後，計算對應的三維列印模型的位置之累積曲面面積，假定擺放位置Nj的累積曲面面積為Sj，後續則對設定個數的最小累積曲面面積Sj對應的擺放位置Nj進行模擬切片分析。

第6圖為本發明一實施例提供的對三維列印模型進行投影輪廓分析的方法流程圖，其具體步驟如下所述。步驟601、獲得三維列印模型的當前角度投影圖。步驟602、對該投影圖進行輪廓曲線識別。步驟603、根據輪廓曲線識別之結果提出特徵位置。步驟604、記錄特徵位置所對應之三維列印模型的空間位置。步驟605、判斷所得到之空間位置是否已經包含在三維列印模型本身中，如果是，則將當前角度替換為下一角度，返回步驟601執行；如果否，則執行步驟606。步驟606、分析三維列印模型的外輪廓曲面特徵。步驟607、計算對應的三維列印模型的位置所具有之累積曲面面積。步驟608、判斷所有角度的投影圖都完成，如果是，則執行步驟609；如果否，則將當前角度替換為下一角度，返回步驟601執行。步驟609、將最小累積曲面面積Sj對應的擺放位置Nj作為外部支撐最優的擺放位置作為三維列印模型確定的擺放位置。

第7圖為本發明一實施例提供的自我調整列印方向的三維模型列印系統的系統結構示意圖，包含重力滾動模 擬單元720以及模擬切片單元760。重力滾動模擬單元720用於對三維列印模型進行重力滾動模擬，確定三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的擺放位置。模擬切片單元760用於根據所確定的擺放位置模擬擺放三維列印模型後，對三維列印模型進行模擬切片，確定三維列印模型的三維列印方向。

在三維列印系統中，還可包含投影輪廓分析單元740，用於對三維列印模型的投影輪廓進行分析，以確定三維列印模型的各個擺放位置所需之外部支撐，選定其中外部支撐最優的擺放位置作為確定的擺放位置。

以上舉較佳實施例，對本發明的目的、技術方案和優點進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，併不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

Claims (8)

1. 一種自我調整列印方向的三維模型列印方法，包含：在列印一三維列印模型實體之前，透過軟體來對該三維列印模型進行一重力滾動模擬，確定該三維列印模型在重力作用下，獲得一最少外部支撐之擺放位置，其中獲得該最少外部支撐之擺放位置的步驟包含：透過該重力滾動模擬，設定該三維列印模型自然靜止的一靜止擺放位置作為一初始位置；將該三維列印模型自該初始位置開始，透過該重力滾動模擬之模擬重力條件下的一物體滾動，使得該三維列印模型達到自然穩定的一穩定擺放位置；以及記錄自然穩定的該穩定擺放位置的一三維空間坐標，作為該最少外部支撐之擺放位置的該三維空間坐標；以及根據該最少外部支撐之擺放位置模擬擺放該三維列印模型後，對該三維列印模型進行一模擬切片，確定該三維列印模型的一三維列印方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之三維模型列印方法，其中進行該重力滾動模擬的步驟包含：透過判定該三維列印模型的一重心與重力方向的一致性，結合該三維列印模型接觸一水平面的特徵來判斷該三維列印模型是否能在該擺放位置上保持靜止；以及 同時預設一靜止偏差值，當該三維列印模型的該重心與重力方向的一偏差值達到預設的該靜止偏差值之範圍內後，確定靜止之該三維列印模型的一擺放位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之三維模型列印方法，其中透過模擬重力條件下的該物體滾動，具有一滾動方向，其中該滾動方向的選擇包含以該三維列印模型的該初始位置之重力方向為中心，繞一重力地平面一周360度的一平分角度方式來選擇該滾動方向，其中該重力地平面是以重力方向所在的縱向與該三維列印模型的該重心所在的橫向之一交界點所處的一水平面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之三維模型列印方法，其中該以該三維列印模型的該初始位置之重力方向為中心，以繞該重力地平面一周360度的該平分角度方式來選擇該滾動方向的步驟包含：將繞該重力地平面一周的360度依一預設份數平分，平分後該重力地平面形成複數個區域，該些區域分別具有一區域方向，分別於該些區域方向上對該三維列印模型進行一抛物測試，於該重力滾動模擬中，待該三維列印模型自然落穩後，記錄該三維列印模型的一擺放位置之一三維空間坐標；對該擺放位置的該三維空間坐標進行一水平平移和一旋轉變換後，比對並篩選掉該擺放位置中相同的該擺放位置，得到篩選後的該三維列印模型的該擺放位置；以及 對篩選後的該三維列印模型擺放位置進行一預設角度的一晃動模擬後，得到篩選後的該三維列印模型的該擺放位置的一穩定度，將該穩定度最高的該擺放位置作為該三維列印模型達到自然穩定的該穩定擺放位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之三維模型列印方法，其中該模擬切片的步驟包含：對處於該穩定擺放位置的該三維列印模型進行切片；將每一層相對應的該切片生成一列印控制指令；將該列印控制指令轉換為一圖形編碼GCode進行列印。
6. 如申請專利範圍第1項所述之三維模型列印方法，於該模擬切片的步驟之前，該三維模型列印方法更包含對該三維列印模型進行一投影輪廓分析，確定該三維列印模型的一擺放位置所需之外部支撐，選定其中外部支撐最優的一最優擺放位置作為該三維列印列印模型確定的擺放位置。
7. 一種自我調整列印方向的三維列印系統，包含：一重力滾動模擬單元，用於在列印一三維列印模型實體之前，透過軟體來對該三維列印模型進行一重力滾動模擬，以確定該三維列印模型在重力作用下使用最少外部支撐的一最少外部支撐之擺放位置，其中獲得該最少外部支撐之擺放位置的步驟包含： 透過該重力滾動模擬，設定該三維列印模型自然靜止的一靜止擺放位置作為一初始位置；將該三維列印模型自該初始位置開始，透過該重力滾動模擬之模擬重力條件下的一物體滾動，使得該三維列印模型達到自然穩定的一穩定擺放位置；以及記錄自然穩定的該穩定擺放位置的一三維空間坐標，作為該最少外部支撐之擺放位置的該三維空間坐標；以及一模擬切片單元，用於根據所確定的該最少外部支撐之擺放位置來模擬擺放該三維列印模型，接著對該三維列印模型進行一模擬切片，以確定該三維列印模型的一三維列印方向。
8. 如申請專利範圍第7項所述之三維列印系統，更包含：一投影輪廓分析單元，用於對該三維列印模型的一投影輪廓進行分析，以確定該三維列印模型的複數個擺放位置分別所需之一外部支撐，選定其中該外部支撐最優的一最優擺放位置作為確定的擺放位置。