一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，屬于三維打印技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，也稱(chēng)增材制造。該技術(shù)以數(shù)字模型文件為 基礎(chǔ)，使用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)加工出物理對(duì)象。
[0003] 三維打印通常采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)實(shí)現(xiàn)，常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域用 于模型的制造，而后也逐漸用于直接制造一些產(chǎn)品，并已有使用該技術(shù)打印生成的零部件。 該技術(shù)應(yīng)用廣泛，在建筑、工程工業(yè)設(shè)計(jì)、珠寶、鞋類(lèi)以及汽車(chē)、土木工程、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、 教育、航空航天、地理信息系統(tǒng)、槍支等領(lǐng)域都有所涉及。
[0004] 三維打印主要的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：首先通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建模，然后將建成的三維模 型分成逐層的截面（即切片過(guò)程），以指導(dǎo)打印機(jī)進(jìn)行逐層打印。三維打印機(jī)讀取橫截面信 息，再用液體狀、粉狀或片狀的材料將些截面逐個(gè)打印，最后將各層截面以各種方式粘合起 來(lái)制造出一個(gè)實(shí)體。該項(xiàng)技術(shù)幾乎可以造出任何形狀的物體。
[0005] 通常三維打印技術(shù)打印出的物體，本身存在各種脆弱區(qū)域，難以適應(yīng)真實(shí)世界各 種復(fù)雜受力要求，例如但不限于：物體運(yùn)輸過(guò)程中各個(gè)方向的碰撞、擠壓等，外力的捏、拉、 壓、擰等。現(xiàn)存的三維打印物體剛度優(yōu)化方法，均為在某個(gè)特定的受力模式下改進(jìn)物體的剛 度，即加強(qiáng)物體在某種特定受力下的強(qiáng)度，不能適應(yīng)上述的復(fù)雜情形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方 法，在給定打印材料體積的前提下，使打印物體的整體剛度得到優(yōu)化，即物體在各種未知的 受力分布下，脆弱區(qū)域的強(qiáng)度得到整體提升。
[0007] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：
[0008] -種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟A:獲取用戶(hù)輸入的打印物體三維網(wǎng)格模型；
[0010] 步驟B:根據(jù)步驟A獲取的三維網(wǎng)格模型確定并優(yōu)化表皮參數(shù)和框架參數(shù)；所述表 皮參數(shù)包括表皮外形尺寸和自適應(yīng)厚度；所述框架參數(shù)包括支桿個(gè)數(shù)、半徑、長(zhǎng)度及節(jié)點(diǎn)位 置；
[0011] 步驟C:根據(jù)上述步驟B獲得的優(yōu)化參數(shù)生成實(shí)體模型；
[0012] 步驟D:打印上述步驟C生成的實(shí)體模型。
[0013] 作為上述技術(shù)方案的具體優(yōu)化，所述步驟B中優(yōu)化表皮參數(shù)和框架參數(shù)的方法 為：以打印材料的物理特性、打印條件、打印條件的物理特性及打印物體的材料體積中的一 種或多種體積為約束，以打印模型整體剛度最大化為目標(biāo)，建立三維打印模型。本發(fā)明重點(diǎn) 闡述表皮參數(shù)和框架參數(shù)的優(yōu)化，對(duì)于根據(jù)三維網(wǎng)格模型確定表皮參數(shù)和框架參數(shù)的方法 可以參考現(xiàn)有技術(shù)中已公開(kāi)的"蒙皮-框架"三維打印技術(shù)相關(guān)的資料，具體地如中國(guó)專(zhuān)利 文獻(xiàn)CN103568325A所公開(kāi)的內(nèi)容。
[0014] 作為上述技術(shù)方案的具體優(yōu)化，所述打印材料的物理特性包括材料的楊氏模量E、 剪切模量G、泊松比V。
[0015] 作為上述技術(shù)方案的具體優(yōu)化，打印物體所用材料體積的約束，通過(guò)下列公式一 實(shí)現(xiàn)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟A:獲取用戶(hù)輸入的打印物體三維網(wǎng)格模型； 步驟B:根據(jù)步驟A獲取的三維網(wǎng)格模型確定并優(yōu)化表皮參數(shù)和框架參數(shù)；所述表皮參 數(shù)包括表皮外形尺寸和自適應(yīng)厚度；所述框架參數(shù)包括支桿個(gè)數(shù)、半徑、長(zhǎng)度及節(jié)點(diǎn)位置； 步驟C:根據(jù)上述步驟B獲得的優(yōu)化參數(shù)生成實(shí)體模型； 步驟D:打印上述步驟C生成的實(shí)體模型。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，所述步驟B 中優(yōu)化表皮參數(shù)和框架參數(shù)的方法為：以打印材料的物理特性、打印條件、打印條件的物理 特性及打印物體的材料體積中的一種或多種條件為約束，以打印模型整體剛度最大化為目 標(biāo)，建立三維打印模型。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，所述打印 材料的物理特性包括材料的楊氏模量E、剪切模量G、泊松比v。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，打印物體 所用材料體積的約束，通過(guò)下列公式一實(shí)現(xiàn)：
其中4表示支桿，j是支桿的編號(hào)，是^的半徑，L是^的長(zhǎng)度，a^是ej寸表面自 適應(yīng)厚度插值計(jì)算的影響區(qū)域面積（如圖4所示），氏是內(nèi)部支桿的集合，Es是邊界支桿的 集合，W是用戶(hù)指定的體積上限。
5. 如權(quán)利要求2所述的一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，打印條件 包括三維打印機(jī)的打印半徑上下限，且打印半徑的約束通過(guò)下列公式二實(shí)現(xiàn)： 公式二
其中4表示支桿，j是支桿的編號(hào)，是^的半徑/是&的半徑下限廠是&的半 徑上限，E是所有支桿的集合。
6. 如權(quán)利要求2所述的一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，打印條件 的物理特性包括平衡約束，且平衡約束通過(guò)下列公式三和公式四實(shí)現(xiàn)： 公式三：K(V，r)D=F， 公式四：1 ?Fi= 0,Fi? (Xi+1-Xc，i+1)-Fi+1 ?(XfU= 0，i= 1，2,3， 其中V= {Vl，v2，…，V|v|}是所有節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)組成的矩陣，節(jié)點(diǎn)Vi的位置坐標(biāo)為 _(XV,，>V,，ZV,).r表示由所有支桿的半徑組成的向量，K(V，r)表示由節(jié)點(diǎn)位置和支桿 半徑確定的剛度矩陣；F={fpf2，…，f|v|}表示施加在所有節(jié)點(diǎn)上的作用力組成的向量；D={屯，d2，…，d|v|}表示由作用力所引起的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的位移量A,X2, 乂3是由所有節(jié)點(diǎn)的 1,7,2坐標(biāo)組成的向量，（乂。，1，乂。，2，乂。， 3)是模型的中心點(diǎn)。
7. 如權(quán)利要求2所述的一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，模型整體 剛度的極大化通過(guò)下列公式五實(shí)現(xiàn)： 公式五
其中v= {Vi，v2，…，V|V|}是所有節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)組成的矩陣，節(jié)點(diǎn)Vi的位置坐標(biāo) 為巧=〇^，3^,，\).1"表示由所有支桿的半徑組成的向量，1((丨1〇表示由節(jié)點(diǎn)位置 9 和支桿半徑確定的剛度矩陣A表示所有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的集合；0表示變量的取值空間； /C,, r))表示剛度矩陣K(V，r)的最小非零特征值。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，包括獲取打印物體的三維網(wǎng)格模型；優(yōu)化打印物體的三維打印參數(shù)，其中參數(shù)包括模型表皮參數(shù)和框架參數(shù)，所述表皮參數(shù)包括表皮外形尺寸和自適應(yīng)厚度，所述框架參數(shù)包括支桿數(shù)目、半徑、長(zhǎng)度及節(jié)點(diǎn)位置；根據(jù)三維打印參數(shù)生成適于打印的實(shí)體模型。本發(fā)明所述的一種優(yōu)化物體整體剛度的三維打印方法，通過(guò)自適應(yīng)厚度的表皮結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)近似打印物體，這兩種結(jié)構(gòu)均起到支撐作用，以達(dá)到在節(jié)省材料的同時(shí)保證物體的強(qiáng)度和受力穩(wěn)定性要求；本發(fā)明通過(guò)打印參數(shù)的優(yōu)化來(lái)提高打印物體的整體剛度；本發(fā)明輸出為優(yōu)化后的實(shí)體模型，適用于當(dāng)前的所有三維打印方式。
【IPC分類(lèi)】B22F3-115, B29C67-00, B33Y10-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104690970
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510085552
【發(fā)明人】楊周旺, 劉利剛, 張朋
【申請(qǐng)人】合肥阿巴賽信息科技有限公司
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年2月17日