一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型和制备方法

1.本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型和制备方法。


背景技术：

2.3d光固化打印是一种高精度、高效率的打印方法，在精密制造业、建筑行业、牙科行业等均有广泛的运用。基于高粘度材料的光固化打印技术在打印模型的过程中往往会需要对模型添加支撑。支撑结构既要能保证一定的强度，防止被支撑模型在打印过程中出现破损、倾倒、坍塌等情况，也要在打印结束后能够轻易与模型分离，不对模型的表面产生损伤。目前3d光固化打印的支撑结构主要分为两大类：接触支撑与非接触支撑。
3.接触支撑，即是支撑与模型直接接触。这类支撑较为容易添加，对被支撑模型的摆放角度，高度进行一定调整后，很容易生成接触支撑。在打印时这类支撑也有很好的稳定性，在横向刮涂过程中也不易折断，对模型的支撑效果良好。因此接触支撑在3d打印过程中被广泛运用。但正因为支撑与模型直接接触，就造成了在后续模型与支撑分离的过程中，支撑会在模型上出现残留的情况或是对模型的表面造成了损伤，影响了模型的品质，所以迫切需要对接触支撑进行改进。由此产生了非接触支撑。
4.非接触支撑，其在接触支撑的基础上对支撑的形式进行了优化，利用高粘度材料所具有的支撑性，将模型与支撑分开一定距离，在此间隙中铺上高粘度材料对上方模型进行支撑。在打印过程中，间隙中的高粘度材料不会固化，使得模型与支撑可以分离。但在实际操作过程中，支撑与模型的间距难以自动调整，这就需要手动调节，调节过程不方便。而且模型的表面往往不是一个平面，而非接触支撑与模型的间隙始终是不变的，这就造成了在打印过程中，由于高粘度材料本身的流动性使得被支撑模型与支撑产生一定程度的粘连，导致后续分离过程的效果不好。
5.因此，当前迫切需要发明一种容易与支撑分离的打印模型。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，非接触支撑与模型的间距渐变且容易调节，有利于获得容易与支撑分离的打印模型。
7.本发明的目的之二是：提供一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型。
8.本发明目的通过以下技术方案实现：
9.一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，包括以下步骤，
10.步骤1，将被支撑模型导入软件，利用软件生成支撑功能中的体积状支撑功能，调整被支撑模型的z轴偏移量，获得偏移量单一的第一支撑；
11.步骤2，利用软件识别第一支撑顶面及顶面上所有极小值点，以第一支撑顶面极小值点z坐标为基准，将第一支撑顶面中所有点的z坐标值与其距离最小的极小值点z坐标值
相减得到一系列高度差，记为δh；
12.步骤3，以znew＝z+kδh公式，根据第一支撑顶面中所有点的z坐标值，高度差δh以及渐变支撑比例系数k，计算出所有z坐标值znew，得到相应占比的渐变非接触支撑面，渐变非接触支撑面与被支撑模型之间具有渐变间隙层；
13.步骤4，将渐变非接触支撑面与第一支撑进行与运算，得到渐变非接触的第二支撑；
14.步骤5，将第二支撑与被支撑模型合成并导入3d光固化打印机中，利用浆料逐层打印出固态的被支撑模型和第二支撑，以及被支撑模型和第二支撑之间维持浆料形态的渐变间隙层，从而获得基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型。
15.进一步，打印前，在软件中将第二支撑与镂空结构模型进行布尔运算，获得具有阵列孔洞的第三支撑。
16.进一步，镂空结构模型包括多个平行布置的竖向孔洞和多个平行布置的横向孔洞，竖向孔洞的直径由上至下保持不变，横向孔洞的直径由上至下逐渐缩小。
17.进一步，利用抽壳技术处理镂空结构模型的实体部分，使其变为空心支撑。
18.进一步，渐变间隙层采用高粘度材料打印。
19.进一步，高粘度材料为光敏材料。
20.进一步，光敏材料的粘度范围介于50pa
·
s至100pa
·
s之间。
21.进一步，渐变间隙层高度为打印光固化深度的1.5-4倍。
22.进一步，被支撑模型和第二支撑采用相同或不同的打印参数。
23.一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型，采用一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法制备得到。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.(1)减少手动调节支撑的过程
26.现有的非接触支撑的添加方法，可以迅速地由软件为被支撑模型添加支撑，并且通过调整偏移量可以实现非接触支撑的目的，大大简化了手动加支撑的复杂步骤，但机器添加的非接触支撑过于固定，支撑与被支撑模型的间距难以自动调整，这就需要手动调节。而本发明利用渐变非接触支撑面与被支撑模型底面高度的关系，得到函数关系式，将此函数关系式输入软件即可实现渐变偏移量非接触支撑的一步生成，省去了人工逐次调整间隙高度的过程，而且，对于不同的被支撑模型，都可以迅速获取渐变非接触支撑面与被支撑模型底面高度的关系，并利用此函数关系，可以在短时间内完成多个渐变偏移量非接触支撑的生成，具有极高的效率与实用度。
27.(2)降低支撑与被支撑模型分离的难度
28.现有的模型的非接触支撑的生成方法，被支撑模型下方的支撑虽然与被支撑模型不直接接触，理论上在分离时应该会较为容易。但在实际打印的过程中，因为非接触支撑与被支撑模型的间隙很小且间隙为一固定值，高粘度材料的流动性、打印参数设置等问题，易在支撑边缘与被支撑模型接触，还是会使得被支撑模型不易分离。而本发明采用的渐变偏移量非接触支撑，利用被支撑模型底面与非接触支撑顶面高度的极小值点的高度差，并代入相应的坐标变换公式，使非接触支撑实现渐变化，使得支撑不易与被支撑模型粘连，降低了分离的难度，同时最大程度上保证了被支撑模型的完整度。
29.(3)减少支撑部分材料的使用量
30.现有的模型的非接触支撑生成方法，往往是生成一块连续的实体支撑，而支撑又是打印结束后没有实际作用的部分，是打印过程中对材料的一种浪费。本发明利用布尔运算——“与”运算的方法，将支撑与镂空结构模型进行运算，使得支撑内部及表面具有规则的孔洞结构，孔洞之间不需要填充材料，以达到减少材料的目的。而且，还可以根据打印模型的实际情况对镂空结构模型进行二维渐变化，使其上的孔洞结构随模型高度的升高而变得疏松，在一定程度上减少材料的使用量；在保持原有支撑效果的情况下，还可利用抽壳技术处理镂空结构模型的实体部分，使其变为空心支撑，进一步减少材料的使用量，最大程度降低材料的浪费。
附图说明
31.图1为本发明的步骤流程框图。
32.图2为本发明的实施流程示意图。
33.图3为本发明的第一支撑的结构示意图。
34.图4为本发明的镂空结构模型的结构示意图。
35.图5为本发明的第三支撑的结构示意图。
36.图中：
37.1-第一支撑，11-第一支撑顶面，2-第二支撑，3-第三支撑，4-渐变非接触支撑面，5-镂空结构模型，6-被支撑模型。
具体实施方式
38.下面对本发明作进一步详细的描述。
39.如图1-图3所示，一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，包括以下步骤，
40.步骤1，将被支撑模型6导入平面数据处理软件materialise magics，并对模型的角度、位置、大小进行调整；
41.选择materialise magics软件生成支撑功能中的体积状支撑功能，并调整z轴偏移量；获得具有偏移量单一的非接触块状支撑，并另存为stl格式，记为第一支撑1；
42.步骤2，将第一支撑1导入rhino软件，使用grasshopper识别支撑1顶面及所有极小值点，以第一支撑顶面11极小值点z坐标为基准，将第一支撑顶面11中所有点的z坐标值与其距离最小的极小值点z坐标值相减得到一系列高度差，记为δh；
43.步骤3，以znew＝z+kδh公式，根据第一支撑顶面11中所有点的z坐标值，高度差δh以及渐变支撑比例系数k，计算出所有z坐标值znew，得到相应占比的渐变非接触支撑面4，渐变非接触支撑面4与被支撑模型6之间具有渐变间隙层；
44.步骤4，将渐变非接触支撑面4与第一支撑1进行与运算，得到渐变非接触的第二支撑2；
45.步骤5，将第二支撑2与被支撑模型6合成并导入3d光固化打印机中，根据被支撑模型6的具体使用要求制备浆料；利用浆料逐层打印出固态的被支撑模型6和第二支撑2，以及被支撑模型6和第二支撑2之间维持浆料形态的渐变间隙层，从而获得基于渐变偏移量非接
触支撑的打印模型。将打印模型与非接触体积支撑进行分离，之后对打印模型进行清洗、干燥、脱脂、烧结，最终得到没有支撑痕迹的打印模型。
46.本发明在原有非接触支撑的基础上，进行了结构上的优化，创造性提出了使用渐变偏移量非接触支撑的方法代替原有的支撑方法，与原有非接触支撑相比较而言，采用的渐变偏移量非接触支撑，调整了非接触支撑与被支撑模型6之间的距离，利用被支撑模型6底面与非接触支撑顶面高度的极小值点的高度差，并代入相应的坐标变换公式，使其间隙层随模型被支撑面高度与支撑顶面高度极小值点的高度差值变化而变化，根据不同的被支撑模型6可以得到不同的渐变非接触支撑，该设计方法适用于添加大多数非接触支撑，从而使非接触支撑实现渐变化，使得支撑不易与被支撑模型6粘连，降低了分离的难度，同时最大程度上保证了被支撑模型6的完整度。
47.同时，在原有实体第二支撑2的基础上，通过逻辑运算，引入了规则的孔洞结构，使得第二支撑2不再为一个实心体，以达到减少材料的目的。具体包括以下步骤：
48.如图2、图4、图5所示，打印前，将镂空结构模型5，优选为镂空“井”字模型，导入rhino软件，调整“井”字模型的大小以及与第二支撑2的位置关系；
49.镂空结构模型5可根据模型外轮廓的特征实现镂空部分的二维渐变。具体地，镂空结构模型5包括多个平行布置的竖向孔洞和多个平行布置的横向孔洞，竖向孔洞的直径由上至下保持不变，横向孔洞的直径由上至下逐渐缩小。镂空结构模型5具体的结构类型、规则孔洞的大小情况可由被支撑模型6决定。
50.将第二支撑2与“井”字模型进行布尔运算，保留第二支撑2与镂空结构模型5相交的部分，得到接触面积更小的渐变非接触支撑，导出为stl格式，记为第三支撑3。然后将第三支撑3与被支撑模型6合成并导入3d光固化打印机中进行打印。采用这种结构后，被支撑模型6的支撑稳定性得到保证的同时，被支撑模型6与非接触支撑的接触面积更小，打印结束后支撑也更加容易与模型分离。
51.为了进一步减少使用材料量，镂空结构模型5的实体部分可根据被支撑模型6的实际支撑要求进行适当地抽壳处理，形成空心的支撑部分。
52.一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型，采用一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法制备得到。由于非接触支撑实现渐变化，使得支撑不易与被支撑模型6粘连，降低了分离的难度，同时最大程度上保证了被支撑模型6的完整度。
53.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1，将被支撑模型导入软件，利用软件生成支撑功能中的体积状支撑功能，调整被支撑模型的z轴偏移量，获得偏移量单一的第一支撑；步骤2，利用软件识别第一支撑顶面及顶面上所有极小值点，以第一支撑顶面极小值点z坐标为基准，将第一支撑顶面中所有点的z坐标值与其距离最小的极小值点z坐标值相减得到一系列高度差，记为δh；步骤3，以znew＝z+kδh公式，根据第一支撑顶面中所有点的z坐标值，高度差δh以及渐变支撑比例系数k，计算出所有z坐标值znew，得到相应占比的渐变非接触支撑面，渐变非接触支撑面与被支撑模型之间具有渐变间隙层；步骤4，将渐变非接触支撑面与第一支撑进行与运算，得到渐变非接触的第二支撑；步骤5，将第二支撑与被支撑模型合成并导入3d光固化打印机中，利用浆料逐层打印出固态的被支撑模型和第二支撑，以及被支撑模型和第二支撑之间维持浆料形态的渐变间隙层，从而获得基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型。2.根据权利要求1所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：打印前，在软件中将第二支撑与镂空结构模型进行布尔运算，获得具有阵列孔洞的第三支撑。3.根据权利要求2所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：镂空结构模型包括多个平行布置的竖向孔洞和多个平行布置的横向孔洞，竖向孔洞的直径由上至下保持不变，横向孔洞的直径由上至下逐渐缩小。4.根据权利要求3所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：利用抽壳技术处理镂空结构模型的实体部分，使其变为空心支撑。5.根据权利要求1所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：渐变间隙层采用高粘度材料打印。6.根据权利要求5所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：高粘度材料为光敏材料。7.根据权利要求6所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：光敏材料的粘度范围介于50pa
·
s至100pa
·
s之间。8.根据权利要求1所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：渐变间隙层高度为打印光固化深度的1.5-4倍。9.根据权利要求1所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法，其特征在于：被支撑模型和第二支撑采用相同或不同的打印参数。10.一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型制备方法制备得到。

技术总结
本发明涉及一种基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型和制备方法，包括以下步骤，调整被支撑模型的Z轴偏移量，获得偏移量单一的第一支撑；以第一支撑顶面极小值点Z坐标为基准，将第一支撑顶面中所有点的Z坐标值与其距离最小的极小值点Z坐标值相减得到一系列高度差，记为Δh；以Znew＝Z+kΔh公式，根据第一支撑顶面中所有点的Z坐标值，高度差Δh以及渐变支撑比例系数k，计算出所有Z坐标值Znew，得到渐变非接触支撑面，渐变非接触支撑面与被支撑模型之间具有渐变间隙层；将渐变非接触支撑面与第一支撑进行与运算，得到渐变非接触的第二支撑；将第二支撑与被支撑模型合成并导入3D光固化打印机中，利用浆料逐层打印出基于渐变偏移量非接触支撑的打印模型。量非接触支撑的打印模型。量非接触支撑的打印模型。


技术研发人员：宋长辉 刘子彬 钟易孜 胡立雅 陈燕彬
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/7