[发明专利]一种复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法

说明书

本发明提供了一种复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法。主要由轮廓偏置、自交干涉处理、关键点获取、轨迹求解、轨迹平滑处理五个步骤构成。轮廓偏置是将单层打印轮廓通过向量积法做外轮廓向内和内轮廓向外偏置。自交干涉处理是对于复杂凹图形偏置后的自交问题，通过将偏置轮廓分解为多段线并求交点，判断有效环和重构新轮廓解决。关键点获取是通过不同填充率得到填充区域内均匀分布的关键点。轨迹求解是通过模拟退火算法遍历填充区域内的关键点规划出一条连续的打印轨迹。轨迹平滑处理是通过三阶贝塞尔曲线调节参数做轨迹的平滑处理以满足曲率约束。本发明能够得到复杂建筑构件3D打印单层的不交叉、连续且平滑的轨迹，提高打印质量。

技术领域

本发明属于建筑构件3D打印技术领域，特别涉及一种复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法。

背景技术

复杂建筑构件3D打印轨迹规划中，轮廓偏置会产生自交干涉，并且常规的线条填充，轨迹有交叉和中断且平滑性不好。轨迹规划的目标是减少轨迹交叉和中断，在满足一定填充率的基础上，轨迹连续且平滑，改善挤出材料中断或堆积的问题，提高打印质量和力学性能。研究复杂建筑构件3D打印的轨迹规划，对于提升建筑行业3D打印的打印质量具有十分重要的意义。

目前，不少学者对建筑构件3D打印轨迹规划进行了研究。其中包括：(1)通过传统的折线，网格或者轮廓偏置等方式规划填充轨迹，该方法对于复杂镂空截面，轨迹会出现多次交叉和中断，造成挤出材料中断或堆积，影响打印质量；(2)对于复杂形状截面，采用将截面划分为多个子区域，分别规划出子路径，再将子路径连接，该方法计算量大，路径冗余严重，影响打印效率；(3)对于复杂形状截面，采用遗传算法或贪婪搜索算法规划出一条连续打印轨迹，该方法收敛速度较慢，计算时间和规划的总路径较长；(4)对于复杂形状截面，通过固定的曲线，如正弦曲线等填充，该方法对于复杂的非均匀形状，不能保证均匀的填充，影响力学性能。

发明内容

针对上述现有方法存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，其目的在于保证一定填充率的基础上规划出一条不交叉、连续且平滑的轨迹，并且提高效率减少冗余路径，提高打印质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，包括如下步骤：

(1)轮廓偏置：将模型的单层打印轮廓通过向量积法做外轮廓向内和内轮廓向外偏置；

(2)干涉处理：对于复杂凹形轮廓的偏置，如果偏置后的轮廓有自交的情况，进行干涉处理并重构得到新的轮廓；

(3)关键点获取：由填充率获取填充区域内均匀分布的关键点；

(4)轨迹求解：在填充区域内遍历关键点，求解出一条连续的打印轨迹；

(5)轨迹平滑处理：通过挤出材料线宽求最小曲率半径，采用三阶贝塞尔曲线调节参数做打印轨迹的平滑处理以满足曲率约束。

在一个实施例中，所述步骤(2)干涉处理的具体方法为：

1)轮廓分解：将偏置后的轮廓分解为多段线，多段线上的点的横纵坐标依次递增或递减；

2)多段线求交点：多段线两两判断，通过扩展的矩形是否重合判断是否相交，如果相交，求出所有自交点；

3)新环有效性的判别：重构轮廓环的交点为P_i，交点前后点分别为P_i-1,P_i+1，通过向量叉积判断环的走向，F＝P_i-1P_i×P_iP_i+1，若F0，环为顺时针为有效环，若F0，环为逆时针为无效环。

4)新环的重构：遍历所有有效的自交点，如果新环有效，插入轮廓顶点数组中，连接重构新轮廓。