[发明专利]一种基于材料自支撑性的STL格式3D模型支撑结构生成方法

说明书

本发明公开一种基于材料自支撑性的STL格式3D模型支撑结构生成方法，涉及3D打印支撑结构领域，本发明在确定支撑体时包括确定基础支撑体和确定最终支撑体，基础支撑体为三角面片△BCD和A点组成的三棱锥，A点与△BCD形成的三个侧面与打印平台所成角度值等于打印临界角θ；如果基础支撑体与模型或打印平台相交，则只保留模型或打印平台与三角面片之间的部分支撑体作为最终支撑体；如果基础支撑体与打印模型或打印平台不相交，则对基础支撑体进行向下延伸，延伸后得到的三棱锥与模型相交的表面区域或与打印平台相交的表面区域中Z坐标最大的一点作为支撑点E，最终支撑体即为E‑BCD，本发明的方法同时具有支撑结构耗材量低、支撑稳固的优点。

技术领域

本发明涉及3D打印支撑结构领域，尤其涉及一种基于材料自支撑性的STL 格式3D模型支撑结构生成方法。

背景技术

3D打印以材料的逐层累加为基本的成型原理，通过将模型按照一定的方向 (通常为Z轴正方向)、一定的厚度离散为一系列二维截面信息，根据每层轮廓 信息确定加工路径，然后材料按照每一层生成的路径逐层堆积成型。在一些打印 方法中，模型当前打印层是在上一层的基础上进行堆积，模型上一层对当前层有 着关键的定位和支撑作用。如果当前打印的截面大于对其起支撑作用的截面，而 且上一层截面没有合理的支撑结构，模型悬空部分就会出现塌陷或变形，影响打 印过程以及模型的精度，因此，能否为相应的待支撑区域添加合理的支撑结构， 直接影响到模型能否连续打印以及模型最终的精度。需要支撑结构的3D打印方 法有广泛应用立体光固化成型法(Stereo Lithography Appearance，SLA)和熔 融沉积式(Fused Deposition Modeling,FDM)3D打印等。

在此以FDM 3D打印方法为例对支撑结构生成方法进行说明，此方法也适用 于其他需要支撑的3D打印方法。基于FDM技术的3D打印是通过喷头挤出的液态 塑料材料(PLA、ABS等)的凝固堆积形成零件，而液态打印材料具有粘性，所 以并非所有悬空表面均需要支撑。在如图8所示的零件中，面一(4)与Z轴之 间的倾斜度较小，可以不用添加支撑直接打印，面二(5)与Z轴之间的倾斜角 度很大，必须添加支撑才能进行打印。图9中面三(6)与打印平台的夹角为α， 仅当α满足θ≤α≤90°时，该面无需添加支撑；当0≤αθ时，该面需要 支撑。θ为可打印临界角，θ的具体值根据打印机和打印材料的不同而不同。

STL格式文件是当前3D打印领域最常用文件类型，是3D打印领域的事实标 准格式。如图10所示，STL文件是用一系列小三角形面片对CAD模型表面进行 三角化离散而得到的,三角面片之间存在固定的连接关系。STL文件存储的数据 是这一系列三角面片的顶点坐标数据、三角面片的法向量数据以及三角面片之间 的毗邻关系数据。

目前的支撑结构的形状分为两类，一类是在支撑区域下方生成完全密集的柱 状支撑结构。比如，广泛使用的开源3D打印软件——Cura切片软件采用此类支 撑结构，生成方法为：以图8的模型为例，在打印过程中，识别出待支撑区域(面 二、面三)后，在支撑区域正下方生成横截面与支撑面投影形状相同的柱状支撑， 柱状支撑的最下方与打印平台相接触，如图11所示。此方法的优点是支撑结构 密度大、支撑强度高；缺点是支撑耗材量较大、浪费耗材，打印耗时较长。

第二类是在待支撑区域下方生成较稀疏的支撑结构。比如开源3D打印系统Meshmixer切片软件采用此类支撑结构，生成方法为：如图12所示，在打印过 程中，当识别出待支撑区域后，在待支撑区域上进行等距离采点，将这些采样点 称为树的叶子节点，然后以叶子节点为顶点向打印平台方向做圆锥，圆锥与圆锥 相交处产生新的节点，连接圆锥顶点与新节点形成树枝。如图13所示，p₁、p₂为 待支撑区域中两个采样点，s为产生的新节点，p₁s、p₂s为新生成的树枝。此方 法的优点是支撑耗材量小，打印耗时较短；缺点是支撑结构稳定性较差。