一種優化物體整體剛度的三維打印方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種優化物體整體剛度的三維打印方法，屬于三維打印技術領域。
【背景技術】
[0002] 三維打印技術是快速成型技術的一種，也稱增材制造。該技術以數字模型文件為 基礎，使用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來加工出物理對象。
[0003] 三維打印通常采用數字技術材料打印機實現，常在模具制造、工業設計等領域用 于模型的制造，而后也逐漸用于直接制造一些產品，并已有使用該技術打印生成的零部件。 該技術應用廣泛，在建筑、工程工業設計、珠寶、鞋類以及汽車、土木工程、牙科和醫療產業、 教育、航空航天、地理信息系統、槍支等領域都有所涉及。
[0004] 三維打印主要的設計過程如下：首先通過計算機軟件建模，然后將建成的三維模 型分成逐層的截面（即切片過程），以指導打印機進行逐層打印。三維打印機讀取橫截面信 息，再用液體狀、粉狀或片狀的材料將些截面逐個打印，最后將各層截面以各種方式粘合起 來制造出一個實體。該項技術幾乎可以造出任何形狀的物體。
[0005] 通常三維打印技術打印出的物體，本身存在各種脆弱區域，難以適應真實世界各 種復雜受力要求，例如但不限于：物體運輸過程中各個方向的碰撞、擠壓等，外力的捏、拉、 壓、擰等。現存的三維打印物體剛度優化方法，均為在某個特定的受力模式下改進物體的剛 度，即加強物體在某種特定受力下的強度，不能適應上述的復雜情形。

【發明內容】

[0006] 本發明正是針對現有技術存在的不足，提供一種優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化，即物體在各種未知的 受力分布下，脆弱區域的強度得到整體提升。
[0007] 為解決上述問題，本發明所采取的技術方案如下：
[0008] -種優化物體整體剛度的三維打印方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟A:獲取用戶輸入的打印物體三維網格模型；
[0010] 步驟B:根據步驟A獲取的三維網格模型確定并優化表皮參數和框架參數；所述表 皮參數包括表皮外形尺寸和自適應厚度；所述框架參數包括支桿個數、半徑、長度及節點位 置；
[0011] 步驟C:根據上述步驟B獲得的優化參數生成實體模型；
[0012] 步驟D:打印上述步驟C生成的實體模型。
[0013] 作為上述技術方案的具體優化，所述步驟B中優化表皮參數和框架參數的方法 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，建立三維打印模型。本發明重點 闡述表皮參數和框架參數的優化，對于根據三維網格模型確定表皮參數和框架參數的方法 可以參考現有技術中已公開的"蒙皮-框架"三維打印技術相關的資料，具體地如中國專利 文獻CN103568325A所公開的內容。
[0014] 作為上述技術方案的具體優化，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] 作為上述技術方案的具體優化，打印物體所用材料體積的約束，通過下列公式一 實現：
【主權項】
1. 一種優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:獲取用戶輸入的打印物體三維網格模型； 步驟B:根據步驟A獲取的三維網格模型確定并優化表皮參數和框架參數；所述表皮參 數包括表皮外形尺寸和自適應厚度；所述框架參數包括支桿個數、半徑、長度及節點位置； 步驟C:根據上述步驟B獲得的優化參數生成實體模型； 步驟D:打印上述步驟C生成的實體模型。
2. 如權利要求1所述的一種優化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，所述步驟B 中優化表皮參數和框架參數的方法為：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，建立三維打印模型。
3. 如權利要求2所述的一種優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. 如權利要求2所述的一種優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，通過下列公式一實現：
其中4表示支桿，j是支桿的編號，是^的半徑，L是^的長度，a^是ej寸表面自 適應厚度插值計算的影響區域面積（如圖4所示），氏是內部支桿的集合，Es是邊界支桿的 集合，W是用戶指定的體積上限。
5. 如權利要求2所述的一種優化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，打印條件 包括三維打印機的打印半徑上下限，且打印半徑的約束通過下列公式二實現： 公式二
其中4表示支桿，j是支桿的編號，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. 如權利要求2所述的一種優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，且平衡約束通過下列公式三和公式四實現： 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|}是所有節點的位置坐標組成的矩陣，節點Vi的位置坐標為 _(XV,，>V,，ZV,).r表示由所有支桿的半徑組成的向量，K(V，r)表示由節點位置和支桿 半徑確定的剛度矩陣；F={fpf2，…，f|v|}表示施加在所有節點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節點處的位移量A,X2, 乂3是由所有節點的 1,7,2坐標組成的向量，（乂。，1，乂。，2，乂。， 3)是模型的中心點。
7. 如權利要求2所述的一種優化物體整體剛度的三維打印方法，其特征是，模型整體 剛度的極大化通過下列公式五實現： 公式五
其中v= {Vi，v2，…，V|V|}是所有節點的位置坐標組成的矩陣，節點Vi的位置坐標 為巧=〇^，3^,，\).1"表示由所有支桿的半徑組成的向量，1((丨1〇表示由節點位置 9 和支桿半徑確定的剛度矩陣A表示所有內部節點的集合；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。
【專利摘要】本發明公開了一種優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格模型；優化打印物體的三維打印參數，其中參數包括模型表皮參數和框架參數，所述表皮參數包括表皮外形尺寸和自適應厚度，所述框架參數包括支桿數目、半徑、長度及節點位置；根據三維打印參數生成適于打印的實體模型。本發明所述的一種優化物體整體剛度的三維打印方法，通過自適應厚度的表皮結構和框架結構近似打印物體，這兩種結構均起到支撐作用，以達到在節省材料的同時保證物體的強度和受力穩定性要求；本發明通過打印參數的優化來提高打印物體的整體剛度；本發明輸出為優化后的實體模型，適用于當前的所有三維打印方式。
【IPC分類】B22F3-115, B29C67-00, B33Y10-00
【公開號】CN104690970
【申請號】CN201510085552
【發明人】楊周旺, 劉利剛, 張朋
【申請人】合肥阿巴賽信息科技有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月17日