3D打印切片软件支撑算法研究

3D打印切片软件支撑算法研究

一、为何需要自动支撑？

3D打印与传统模具制造方式不同，3D打印是增材制造，将模型整体分割成n层，逐层打印的过程，每一层是基于上一层的基础之上的累加。目前根据设备机构主要分为以下几个大类：FDM，LCD，SLM，SLA，DLP。
其中：
FDM也称耗材3d打印，主要材料为pla，abs等，如创想三维、anycubic，目前消费级机型售价大概1500–3000之间，各种变种，如最新比较潜力的“发光字打印机”、以水泥为打印材料，多彩色打印（以磨合为辅助，切片时记录纹理信息）
LCD为两年前开始出现的机型，属于光固化系列，材料为光敏树脂，精度比FDM高很多，可以打印的很精细，市面低端1500–3000如anycubic，浙江锐辰等，高端的上万元或以上，如Preform，诺瓦智能，金达雷等，目前局限是打印尺寸小，以及分辨率大多数为2k，少部分企业正在尝试4k屏，如能顺利即可解决水波纹、大尺寸等问题，将是一个新的提升
SLM为金属粉末烧结技术，材料为金属，精度非常高，可打印航空材料，都是有钱的大公司才会研发这样的设备，如先临
SLA激光束在液态树脂表面勾画出物体形状，层层打印出模型，速度比较慢，但精度较高，成本也较大，大公司sla设备以极光尔沃、大族激光等为主
DLP和LCD类似，但比LCD精度更高，利用数字光投影技术，目前成本较大，感兴趣的可具体去了解
为何要支撑？
3d打印，逐层累加，就无法避免层突变，即悬空打印，上一层无材料的情况下，突变当前层，无支撑时必然会“掉”到工作平台之上，导致打印失败。

• 1、解决悬空的情况。
• 2、防止特有的几何面被破坏，故意抬升添加支撑
• 3、保持横截面变化均匀，受力均匀，以免模型内应力导致模型变形

二、扫描待支撑的区域

目前待打印模型多数为stl、obj、3mf等数字化模型文件，都是以三角面片为载体记录模型信息，模型文件的可视化效果如下：

很多切片软件中对三角面片的边不显示，看起来就为一体，对于用户来讲是透明的，而对于研发人员，三角面片才是数据的重点。 既然待打印模型都是三角面片的集合，应该如何寻找自动支撑的区域呢？ 根据模型每个面片、每条边、给个顶点而言，具备局部的集合信息，需要对这些信息进行分析，分类，处理以达到支撑的效果。如典型的FDM，大多数都是基于curaengin为基础，很多人基于后面拓展。cura的支撑算法为，先分层切片，然后在当前层对比前面n层然后求差，得到当前层“超出”下方的部分，即为带支撑的部分，然后直接把支撑结构也进行切片，在打印过程中，一并打印。然而这种算法不适用于LCD类型设备，为何？因为LCD类型设备不可能打印这么多支撑，否则模型表面会全部磨坏，本身高精度的模型表面会稀巴烂。所以目前很多光固化设备的切片软件的自动支撑算法是：检测带支撑区域、然后对支撑区域进行采样支撑。

自动支撑常规步骤：

• 1、检测模型的最低点
• 2、检测模型的最低边
• 3、检测法向量朝下的悬空面片
• 4、对悬空面进行分区域处理
• 5、对每个区域进行xy平面投影
• 6、用栅格划分投影平面，然后得到栅格交点
• 7、将交点利用重心坐标映射回模型的面片中
• 8、将最低点+最低边+采样点组合为最终的支撑点
• 9、生成支撑结构（如垂直结构、树状结构等）

检测模型的最低点：

如上图所示，模型非常复杂，怎么利用模型数据把最低点都检测出来呢？

如上图所示，Vi 点比邻域内vj点低，那么Vi就是局部最低点

int vn=mesh.vertexs.size();
for(int i=0;ineibors=mesh.neibors[i];
	vec vi=mesh.vertexs[i];
	int n=neibors.size();
	bool is_min_p=true;
	for(int j=0;j=vj[2])
		{
			is_min_p=false;
			break;
		}
	}
	if(is_min_p)
	{
		vertex_list.push_back(vi);
	}
}

检测最低边：

如上图所示，两个面片的公共边，en为边的法向量，由两个面片法向量fn加权平均求得，同时边与水平面的夹角alpha小于给定的阈值如45°，则认为是最低边

float angle=45*PI/180;
vec fn0=mesh.facenormal[i];
vec fn1=mesh.facenormal[j];
vec en=fn0+fn1;
normalize(en);
if(en DOT vec(0,0,1)<0)
{
	vec v0=mesh.vertexs[id0];
	vec v1=mesh.vertexs[id1];
	vec vp=v0-v1;
	float l0=len(vp);
	vp[2]=0;
	float l1=len(vp);
	float theta=acos(l1/l0);
	if(theta

检测悬空面片

int fn=mesh.faces.size();
for(int i=0;i

分区域：

setflist;
setcheck_flags;
vector>regionset;
for(auto item:face_lists)flist.insert(item);
while(!flist.empty())
{
	vectorregion;
	queue Q;
	auto it=flist.begin();
	Q.push(*it);
	check_flags.inset(*it);
	flist.erase(it);
	while(!Q.empty())
	{
		int id=Q.front();
		Q.pop();
		region.push_back(id);
		Face f=mesh.faces[id];
		for(int i=0;i<3;i++)
		{
			int vid=f[i];
			vectoradsf=mesh.adjfaces[vid];
			for(auto fid:adsf)
			{
				auto itf=check_flags.find(fid);
				if(itf!=check_flags.end())continue;
				auto itlst=flist.find(fid);
				if(itlst!=flist.end())
				{
					flist.erase(itlsl);
					Q.push(fid);
				}
			}
		}
     }
     if(region.empty())continue;
     regionset.push_back(region);
}

采样点重映射回网格

float step=2;
int fn=region.size();
for(int i=0;i

三、生成支撑结构

支撑结构分多种，最常用的就是垂直方式，也有树状结构。垂直结构，比较牢固，但比较耗材，支撑也是成本。树状支撑比较省成本，但算法计算复杂，越往下根越少，趋于稀疏。

上面两幅图为一样的支撑点数量，生成的垂直支撑和树状支撑。 技巧：悬空区域大时建议用垂直支撑，更加牢固，稳定，若选用树状支撑，适当加粗枝干参数

四、自动支撑的局限与难点

• 1、无法根据人为经验判断该处是否添加支撑
• 2、复杂拓补结构的网格支撑非常困难
• 3、建立网格拓补关系需要大量的内存消耗，大模型加支撑非常吃力，并导致渲染系统卡顿
• 4、复杂模型的支撑碰撞检测相当繁琐
• 5、支撑密度根据不同类型模型控制较为繁琐，需要不断测试，并无最合适的密度参数
• 6、栅格采样法，会错过很多细小的特征，step跨度越大，错过概率越大，导致有些模型恰好都错过面片，支撑失败。后续升级为更好的支撑算法，支撑效果更理想。