混凝土3D打印工艺方案生成方法、装置及电子设备

混凝土3d打印工艺方案生成方法、装置及电子设备
技术领域
1.本技术属于增材制造技术领域，具体涉及一种混凝土3d打印工艺方案生成方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.增材制造(additive manufacturing，am)俗称3d打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。
3.相关技术中，3d打印工艺中打印材料的材料特性影响着打印物的打印质量。以建筑业中的混凝土3d打印为例，混凝土3d打印生产工艺是通过逐层累加材料形成三维实体建筑物，影响打印物质量的一个关键因素就是相邻两层材料粘结性。混凝土材料性能随着时间逐渐变化的而逐渐变化，在材料混合搅拌初期具备较大的流动性，中期材料发生水化反应从而流动性降低且逐渐具备支撑能力，后期材料水化反应基本完成因此材料硬化具备更高支撑性，但是硬化的材料的粘结性变差，在材料已经硬化不具备粘结性的时候，打印物的质量就会大打折扣。
4.因此，针对混凝土这种打印材料，如何基于材料特性生成混凝土3d打印工艺方案，以进行合理有效的3d打印作业就成为了一个亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种混凝土3d打印工艺方案生成方法、装置及电子设备，以解决如何基于材料特性生成合理有效的混凝土3d打印工艺方案的技术问题。
6.为实现以上目的，本技术采用如下技术方案：
7.第一方面，
8.本技术提供一种混凝土3d打印工艺方案生成方法，该方法包括：
9.获取目标打印物所对应的三维数字模型，并对所述三维数字模型进行分层切片处理；
10.针对切片处理得到的任一切片层分别进行如下处理步骤：基于混凝土的凝固特性，对该切片层中的切片层图案进行组合分割处理，生成一次打印出料所对应的图案模型，基于生成结果确定该切片层的打印控制方式；
11.根据各所述切片层的打印控制方式生成所述目标打印物的混凝土3d打印工艺方案。
12.可选地，所述基于混凝土的凝固特性，对该切片层中的切片层图案进行组合分割处理，生成一次打印出料所对应的图案模型，基于生成结果确定该切片层的打印控制方式，包括：
13.计算确定各所述切片层图案所需的打印时长；
14.根据各所述切片层图案的打印时长，以混凝土的凝固可支持时间参数值和初凝时间参数值为分类界限，将各所述切片层图案划分为，打印时长小于等于凝固可支持时间参数值的i类图案，打印时长大于凝固可支持时间参数且小于初凝参数值的ii类图案，以及打印时长大于等于初凝参数值的iii类图案，其中，所述凝固可支持时间参数值小于所述初凝参数值；
15.针对分类为i类图案的切片层图案，进行图案就近组合，使每一组合的打印时长接近所述初凝参数值，并将每一图案组合确定为一所述图案模型；
16.针对分类为ii类的切片层图案，将每一图案确定为一所述图案模型；
17.针对分类为iii类的切片层图案，进行图案分割，使分割得到的每一子图案的打印时长接近所述初凝参数值，并将每一子图案确定为一所述图案模型；
18.基于确定的各个所述图案模型，生成该切片层打印控制方式中的出料控制信息。
19.可选地，所述基于生成结果确定该切片层的打印控制方式，还包括：
20.针对该切片层中各所述图案模型，进行最短打印路径规划，确定该切片层打印控制方式中的打印路径控制信息。
21.可选地，基于遗传算法进行所述最短打印路径规划。
22.可选地，所述计算确定各所述切片层图案所需的打印时长，包括针对任一所述切片层图案分别进行如下处理步骤：
23.对该切片层图案进行解析计算，确定图案的总打印长度；
24.计算所述总打印长度与预设打印速度值的比值，得到该切片层图案的打印时长。
25.第二方面，
26.本技术提供一种混凝土3d打印工艺方案生成装置，该混凝土3d打印工艺方案生成装置包括：
27.获取及分层处理模块，用于获取目标打印物所对应的三维数字模型，并对所述三维数字模型进行分层切片处理；
28.打印方式确定模块，用于对切片处理得到任一切片层分别进行如下处理：基于混凝土的凝固特性，对该切片层中的切片层图案进行组合分割处理，生成一次打印出料所对应的图案模型，基于生成结果确定该切片层的打印控制方式；
29.方案生成模块，用于根据各所述切片层的打印控制方式生成所述目标打印物的混凝土3d打印工艺方案。
30.可选地，所述打印方式确定模块，被配置为：针对切片处理得到的任一切片层分别进行如下处理步骤：
31.计算确定该切片层中各所述切片层图案所需的打印时长；
32.根据各所述切片层图案的打印时长，以混凝土的凝固可支持时间参数值和初凝时间参数值为分类界限，将各所述切片层图案划分为，打印时长小于等于凝固可支持时间参数值的i类图案，打印时长大于凝固可支持时间参数且小于初凝参数值的ii类图案，以及打印时长大于等于初凝参数值的iii类图案，其中，所述凝固可支持时间参数值小于所述初凝参数值；
33.针对分类为i类图案的切片层图案，进行图案就近组合，使每一组合的打印时长接
近所述初凝参数值，并将每一图案组合确定为一所述图案模型；
34.针对分类为ii类的切片层图案，将每一图案确定为一所述图案模型；
35.针对分类为iii类的切片层图案，进行图案分割，使分割得到的每一子图案的打印时长接近所述初凝参数值，并将每一子图案确定为一所述图案模型；
36.基于确定的各所述图案模型，生成该切片层打印控制方式中的出料控制信息。
37.第三方面，
38.本技术提供一种电子设备，包括：
39.存储器，其上存储有可执行程序；
40.处理器，用于执行所述存储器中的所述可执行程序，以实现上述所述方法的步骤。
41.本技术采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：
42.本技术的技术方案，在混凝土3d打印工艺方案生成过程中，具体考虑了混凝土的凝固特性，对切片层图案进行组合分割，重新生成一次打印出料所对应的图案模型，可保证实际中一次打印出料作业满足支持性及粘结性要求，进而可生成合理有效的混凝土3d打印工艺方案。
43.本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
44.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
45.图1为本技术一个实施例提供的混凝土3d打印工艺方案生成方法的流程示意图；
46.图2为本技术一个实施例中切片层图案的分类界限的说明示意图；
47.图3为本技术一个实施例中基于遗传算法进行路径规划的总体流程示意图；
48.图4为本技术一个实施例中基于遗传算法进行路径规划过程中基因移位的说明示意图；
49.图5为本技术一个实施例中基于遗传算法进行路径规划过程中基因换位的说明示意图；
50.图6为本技术一个实施例提供的混凝土3d打印工艺方案生成装置的结构示意图；
51.图7为本技术一个实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
52.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本技术所保护的范围。
53.如背景技术中所述，3d打印工艺中打印材料的材料特性影响着打印物的打印质量。以建筑业中的混凝土3d打印为例，混凝土3d打印生产工艺是通过逐层累加材料形成三
维实体建筑物，影响打印物质量的一个关键因素就是相邻两层材料粘结性。混凝土材料性能随着时间逐渐变化的而逐渐变化，在材料混合搅拌初期具备较大的流动性，中期材料发生水化反应从而流动性降低且逐渐具备支撑能力，后期材料水化反应基本完成因此材料硬化具备更高支撑性，但是硬化的材料的粘结性变差，在材料已经硬化不具备粘结性的时候，打印物的质量就会大打折扣。
54.因此，针对混凝土这种打印材料，如何基于材料特性生成混凝土3d打印工艺方案，以进行合理有效的3d打印作业就成为了一个亟待解决的技术问题。
55.基于此，本技术提出一种混凝土3d打印工艺方案生成方法，在一实施例中，如图1所示，本技术提出的混凝土3d打印工艺方案生成方法，包括：
56.步骤s110、获取目标打印物所对应的三维数字模型，并对三维数字模型进行分层切片处理；
57.本领域技术人员容易理解的是，步骤s110中，这里的三维数字模型为在实际进行打印前，对设计的打印物(本技术称为目标打印物)进行三维建模而来，一般而言，三维建模的结果需要保存为stl文件格式(stl文件格式中对体的定义是通过多个三角形面实现的，三角形面包含的数据为各顶点的空间坐标信息，以及面的法向矢量信息)；
58.而步骤s110中的分层切片处理，其处理过程就是将空间点数据信息转换为平面点信息以便后续实际打印设备的读取，切片的一个关键参数是每层的厚度，步骤s110中的相关实现方式可现于现有公开技术资料，本技术这里就不进行进一步详述了。
59.本领域技术人员容易理解的是，分层切片后得到了若干个切片层，切片层中图层信息为打印物每层的结构轮廓，包括外轮廓和内轮廓，分别是外观形状和内部结构切片处理以后形成的。实际中，可根据轮廓图形的形状规划填充路径，并设置出料方式，进而在对全部切片层进行规划和设置后，基于规划和设置信息生成设备的控制程序(打印工艺方案)，而基于实际打印设备的差异，生成的程序格式和逻辑一般不同，但程序的内容实质均为规划后的点位信息。
60.对应到本技术技术方案中，步骤s110之后，进行步骤s120，针对切片处理得到的任一切片层分别进行如下处理步骤：
61.基于混凝土的凝固特性，对该切片层中的切片层图案进行组合分割处理，生成一次打印出料所对应的图案模型，基于生成结果确定该切片层的打印控制方式；
62.这里以切片处理后得到的某一切片层a为例，对步骤s120进行进一步说明；
63.具体的，步骤s120中，针对切片层a，计算确定切片层a中各切片层图案(指各独立的轮廓图形)所需的打印时长；
64.根据各切片层图案的打印时长，以混凝土的凝固可支持时间参数值(指流动性的混凝土从喷出到硬化凝固到满足支撑性的时长，该参数值可基于预先对混凝土进行试验来确定)和初凝时间参数值(指流动性的混凝土从喷出到硬化凝固到不具有粘结性的时长)为分类界限，将各切片层图案划分为，
65.打印时长小于等于凝固可支持时间参数值的i类图案，打印时长大于凝固可支持时间参数且小于初凝参数值的ii类图案，以及打印时长大于等于初凝参数值的iii类图案，其中，凝固可支持时间参数值小于初凝参数值；
66.针对分类为i类图案的切片层图案，进行图案就近组合，使每一组合的打印时长接
近初凝参数值(指靠近而不超过，实际实施中可采用两者差值小于预设阈值的方式进行条件限定)，并将每一图案组合确定为一图案模型；
67.针对分类为ii类的切片层图案，将每一图案确定为一图案模型；
68.针对分类为iii类的切片层图案，进行图案分割，使分割得到的每一子图案的打印时长接近初凝参数值，并将每一子图案确定为一图案模型；
69.基于确定的各个图案模型，生成该切片层a打印控制方式中的出料控制信息。
70.换言之，该实施例中上述处理生成方式，是在对切片层图案分类的基础上，针对未超出凝固可支持时间的图形采用合并打印的方式，合理分配组合这类轮廓图形，使每个组合的总打印量最大限度的接近初凝时间而不超过；而针对超出初凝时间的轮廓图形采用分割打印的方式，由于超出初凝时间的图形轮廓无法在混凝土凝固之前一次性完成，所以将其分割为多个图案再分别进行打印，并使每个图案的打印量接近混凝土的凝固时间。
71.上述过程中，分类的原则及打印策略可结合时间窗口的概念来说明，如图2所示，从混凝土具备可支撑性(图2中时间轴上t1处)到混凝土到达初凝时间为止(图2中时间轴上t2处)建立时间窗口，将待打印物(切片层图案)分类为居左、居中、居右；居中的打印物直接进行打印，居左的按照时间可和其他打印物联合打印，居右的打印物分区域进行打印，使得“所有区域的打印物”(指图案模型)都为居中的。
72.容易理解的，本技术中的方法还可适应性地应用于与混凝土性质类似的打印材料，如粘土等。
73.作为一种具体实施方式，计算确定切片层(如切片层a)中各切片层图案所需的打印时长，包括针对该切片层中任一切片层图案分别进行如下处理步骤：
74.对该切片层图案进行解析计算，确定图案的总打印长度；计算总打印长度与预设打印速度值的比值，得到该切片层图案的打印时长。也即，采用相关图形处理技术，判定切片层中每个需要打印的图形的总长度(或者说打印量)。并基于已知设备的额定打印速度，通过打印量计算得出某图形打印所需的时间。
75.此外，容易理解的是，上述以初凝时间等凝固特性参数为界限将对轮廓图形进行分类处理，最终使各图案模型所需的打印时间均在合适的时间窗内(在这个时间窗内完成打印的混凝土能够与下层混凝土有较好的粘结效果，又能支撑上层混凝土)。在此基础上，各图案模型之间的打印排序显然会影响到实际打印的效率。
76.因此，作为一种优选的实施方式，为提高打印效率，步骤s120中，基于生成结果确定该切片层的打印控制方式，还包括：
77.针对该切片层中各图案模型，进行最短打印路径规划，确定该切片层打印控制方式中的打印路径控制信息，举例而言，可基于遗传算法进行最短打印路径规划(具体实现方式在后文进行介绍)。
78.步骤s120中，在对每个切片层都进行上述处理后，就可以进行步骤s130了，即根据各切片层的打印控制方式生成目标打印物的混凝土3d打印工艺方案，该过程与现有技术类似，主要为各层间的衔接控制处理，以及基于打印设备特性进行的控制信息到设备控制指令的转换，本技术这里就不进行详述了。
79.进而在实际打印作业中，打印设备读取控制程序(混凝土3d打印工艺方案)以后，遍历程序中的打印点，并按照程序设定在出料的路径上挤出物料并平铺在打印平板上，然
后逐层叠加形成打印物的实体结构。在需要出料的路径上，会向出料装置发送指令控制其开启；在空程的路径上，控制其关闭。
80.本技术的技术方案，在混凝土3d打印工艺方案生成过程中，具体考虑了混凝土的凝固特性，对切片层图案进行组合分割，重新生成一次打印出料所对应的图案模型，可保证实际中一次打印出料作业满足支撑性及粘结性要求，进而可生成合理有效的混凝土3d打印工艺方案。
81.本技术的技术方案，生成的混凝土3d打印工艺方案中，基于凝固时间的打印控制方法在满足3d打印要求的基础上能够最大限度地利用材料的性能，合理规划打印的路径，能够提高工作效率，有利于工程进度。
82.在实际工程场景中，采用本技术中方法生成的混凝土3d打印工艺方案进行3d打印作业，相比与传统的建筑建造工艺具备效率高、精度高、劳动力成本低等优势，并且还能够建造复杂结构建筑构件。
83.下面再对上述实施例中，基于遗传算法进行最短打印路径规划的实施方式进行一下简要说明。
84.如图3所示，为遗传算法的总体流程说明示意图，具体到本技术的应用中，其规划的目标为，以打印完一个图案模型后再打印下一个图案模型的方式完成工作，以遍历所有图案模型的最短路径为目标对各图案模型的打印排序进行优化，容易理解的，为实现最短打印路径规划，这里可将每一个图案模型简化看作一个位置点(位置点的位置信息，可采用相应图案模型的几何中心位置信息)。
85.在实际算法实施中，涉及如下相关部分：
86.(1)染色体编码
87.编码的规则是，首先对每个图案模型进行编号，用一条染色体表示一个打印设备的访问路径，比如访问路径可表示为1-2-4-3-7-5。
88.(2)初始群体
89.创建初始群体是为遗传算法提供演变的基础，将所有需要打印的图案模型进行随机排列，可以产生n个序列，即为n条染色体作为初始群体，为后面的交叉和变异提供样本。
90.(3)适应度函数
91.适应度大小以遍历完所有图案模型的用时大小为依据计算，路径越短(用时越小)适应度值越大，对染色体性质的筛选就是通过适应度函数来判断，越符合适应度函数的染色体排序具备的优势越大。
92.(4)选择算子
93.这一步就是为了保存优良遗传基因淘汰劣势遗传基因，而适应度函数就是一把尺子，将各基因的表征性能进行筛选。留住优势大的基因，去除优势小的，最终形成最优解。在选择的时候，用每一代最优的个体替换掉最差的，避免最优性能被破坏。
94.(5)基因重组
95.在遗传算法中一个重要的步骤就是基因重组，重组的方式主要是交叉和变异，但是单亲遗传算法不涉及到两个个体基因的交叉，所以只用个体变异操作实现基因重组。变异操作有两种形式:基因移位、基因换位。
96.如图4所示举例，为基因移位的操作流程，按照一定的概率选择遗传基因数组，随
机选取数组中一个位置a，再选取一个字串b，字串b包含位数随机，将字串最后一位转换到字串最前端，其余位置依次后移形成新的遗传基因数组。
97.如图5所示举例，基因换位是按照一定的概率，选取遗传基因数组，随机产生两个整数c和d，将两个整数对应的数组上的基因互换。
98.(6)形成新种群
99.将变异重组后的染色体编码数组进行适应度测试，选取机制按照单亲遗传算法进行，最后剩下性能优质的图案模型打印排序。
100.而实际中，图3中所示的终止条件可采用遗传迭代次数进行限定。
101.本技术的技术方案中，进行的基于凝固时间的混凝土3d打印方案生成，主要结合了3d打印工艺流程、基于凝固时间限制的路径规划、遗传算法优化这三个部分，本技术的创新点是首次提出了以混凝土的凝固时间为条件研究3d打印，将路径规划的研究内容提升到时间领域，合理解决了混凝土作为打印材料应用于3d打印所面临的问题。
102.图6为本技术一个实施例提供的混凝土3d打印工艺方案生成装置的结构示意图，如图6所示，该混凝土3d打印工艺方案生成装置300包括：
103.获取及分层处理模块301，用于获取目标打印物所对应的三维数字模型，并对三维数字模型进行分层切片处理；
104.打印方式确定模块302，用于对切片处理得到任一切片层分别进行如下处理：基于混凝土的凝固特性，对该切片层中的切片层图案进行组合分割处理，生成一次打印出料所对应的图案模型，基于生成结果确定该切片层的打印控制方式；
105.方案生成模块303，用于根据各所述切片层的打印控制方式生成目标打印物的混凝土3d打印工艺方案。
106.进一步的，打印方式确定模块302，被配置为：针对切片处理得到的任一切片层分别进行如下处理步骤：
107.计算确定该切片层中各所述切片层图案所需的打印时长；
108.根据各切片层图案的打印时长，以混凝土的凝固可支持时间参数值和初凝时间参数值为分类界限，将各所述切片层图案划分为，打印时长小于等于凝固可支持时间参数值的i类图案，打印时长大于凝固可支持时间参数且小于初凝参数值的ii类图案，以及打印时长大于等于初凝参数值的iii类图案，其中，所述凝固可支持时间参数值小于所述初凝参数值；
109.针对分类为i类图案的切片层图案，进行图案就近组合，使每一组合的打印时长接近初凝参数值，并将每一图案组合确定为一图案模型；
110.针对分类为ii类的切片层图案，将每一图案确定为一图案模型；
111.针对分类为iii类的切片层图案，进行图案分割，使分割得到的每一子图案的打印时长接近初凝参数值，并将每一子图案确定为一所述图案模型；
112.基于确定的各图案模型，生成该切片层打印控制方式中的出料控制信息。
113.关于上述相关实施例中的混凝土3d打印工艺方案生成装置300，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
114.图7为本技术一个实施例提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，该电子设备
400包括：
115.存储器401，其上存储有可执行程序；
116.处理器402，用于执行存储器401中的可执行程序，以实现上述方法的步骤。
117.关于上述实施例中的电子设备400，其处理器402执行存储器401中的程序的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
118.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。