一种用于3D打印技术的壳模型构造方法技术

一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，包括：S1，获取待打印模型及其外表面参数R；S2，获得待打印模型的壳模型i；S3，若壳模型i的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则增加预设厚度的厚度，并执行步骤S2；否则，执行步骤S4；S4，计算壳模型i所有顶点的外扩距离，得到壳模型i+1，并判断外扩距离是否为0；若壳模型i所有顶点的外扩距离均为0，则壳模型i为最终结果壳模型；否则，计算壳模型i+1的应力分布，并执行步骤S5；S5，若壳模型i+1的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则壳模型i即为结果壳模型；否则，对壳模型i+1的顶点进行外扩，将i置为i+1，并执行步骤S4。构造出具有极小体积的非均匀厚度壳模型，大幅降低打印成本。

A Shell Model Construction Method for 3D Printing Technology

【技术实现步骤摘要】
一种用于3D打印技术的壳模型构造方法
本专利技术涉及3D打印
，尤其涉及一种用于3D打印技术的壳模型构造方法。
技术介绍
3D打印是一种以3D数字文件为基础，运用塑料、石膏等打印材料，在计算机控制下逐层打印、层层叠加原材料构造物体的技术。近年来，3D打印技术逐渐成熟，并在各行各业得到广泛应用，然而打印材料价格高昂，制约了3D打印技术的进一步推广，以常用的PLA材质为例，价格为40元/千克，光敏树脂更是高达2000元/千克，因此如何优化模型结构，减少打印体积是解决打印成本问题的关键。为此，有学者提出基于应力分布来对模型空间进行自适应Voronoi分割，得到大小不同的Voronoi单元，通过掏空Voronoi单元构造出类似于蜂窝的内部结构，以及基于物体的中轴和骨骼结构的启发结构型，主要由中轴结构、边界框架以及一组连接杆件这三部分组成。上述研究成果减少了模型的打印体积，但均是通过在模型内部构造稀疏空间结构的方式，优化结果模型的内部存在大量的悬空结构。此类模型在打印时需要采用无需支撑的打印技术如3DP(三维喷涂粘结)、SLS(选区激光烧结)或者使用可溶解的支撑材料，否则打印支撑难以去除。这一定程度上提高了打印的硬件门槛和操作难度。另有研究提出通过自动检测薄弱区域并对模型进行内部挖洞、局部加厚以及加支撑这三种方式来提高模型的强度，调整后的模型可以承受用户指定的载荷。该方法依据模型的边界面和用户指定的外力，根据应力约束来优化厚度参数以挤出内外表面，最终构造出满足应力约束的壳模型。上述方法虽然能有效的提高模型强度，但均会改变模型的表面结构，导致模型外观的变化，影响使用体验。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本专利技术提供了一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，基于待打印模型的应力分布，构造出具有极小体积的非均匀厚度壳模型，大幅降低打印成本；另外，构造的壳模型内部不存在任何悬空结构，适用于当前所有的三维打印方式，且内部打印支撑结构容易去除。(二)技术方案本专利技术提供了一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，包括：S1，获取待打印模型及其外表面参数R；S2，按照预设厚度获取待打印模型的内表面参数Si，根据内表面参数、外表面参数R以及预设厚度获得待打印模型的壳模型i；S3，若壳模型i的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则增加预设厚度的厚度，并执行步骤S2；若壳模型i的最大应力小于或等于打印材料的屈服强度约束，则执行步骤S4；S4，计算壳模型i所有顶点的外扩距离，得到壳模型i+1，并判断外扩距离是否为0；若壳模型i所有顶点的外扩距离均为0，则壳模型i即为最终结果壳模型；否则，计算壳模型i+1的应力分布，并执行步骤S5；S5，若壳模型i+1的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则壳模型i即为结果壳模型；否则，以壳模型i+1的内表面为起点对壳模型i+1的顶点进行外扩，将i置为i+1，并执行步骤S4。可选地，步骤S4中计算壳模型i所有顶点的外扩距离具体为：根据壳模型i的应力分布信息计算壳模型i所有顶点的外扩距离。可选地，外扩距离dv的计算公式为：其中，do为顶点v到壳模型外表面的距离，σv为顶点v处的应力值，σy为打印材料的屈服强度，tmin为打印机的最小打印厚度，s1为屈服强度的安全系数，s2为最小打印厚度的安全系数。可选地，步骤S2中按照预设厚度获取待打印模型的内表面参数Si具体为：采用基于模型体素化表示的等值面提取算法获取待打印模型的内表面参数Si。可选地，步骤S2具体包括：S21，以预设长度为边长，将待打印模型外表面所在的轴对齐包围盒体素化，得到一体素组；S22，判断体素组中每一体素相对于所述待打印模型外表面的位置；S23，以待打印模型外表面的外表面为边界，构建体素组中每一体素的第一有向距离场，其中，在待打印模型外表面外部的距离值为负，在待打印模型外表面内部的距离值为正；S24，以预设长度的A倍为边长，重复执行步骤S21～S23，以构造第二有向距离场，其中，0＜A＜1；S25，获取第一有向距离场中距离值为预设厚度/预设长度的一层体素；S26，获取步骤S25中得到的一层体素中的每一体素的八个顶点在第二有向距离场中的距离值；S27，提取步骤S26中的距离值的等值面。可选地，步骤S27具体为：根据MarchingCubes算法提取步骤S26中的距离值的等值面。可选地，A为0.25。可选地，步骤S21具体包括：S211，以预设长度的B倍为边长，将待打印模型外表面所在的轴对齐包围盒体素化，得到一大体素组，B为大于1的整数；S212，将大体素组中与待打印模型外表面相交的体素，以预设长度为边长，将大体素组中与待打印模型外表面相交的体素进一步体素化，得到一体素组。可选地，采用vonMises等效应力计算壳模型i或壳模型i+1的应力分布。可选地，采用如下步骤获取壳模型i或壳模型i+1的应力分布：将壳模型i或壳模型i+1网格化得到对应的网格模型参数；将网格模型参数导入静力分析软件中；设置相应的边界条件，边界条件至少包括所受外力、材料属性、固定位置；对网格模型参数进行基于有限元的静力分析，获取应力分布。(三)有益效果本专利技术提供了一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，基于待打印模型的应力分布，在不改变待打印模型外观、满足给定应力约束的情况下，构造出具有极小体积的非均匀厚度壳模型，大幅降低打印成本；另外，构造的壳模型内部不存在任何悬空结构，适用于当前所有的三维打印方式，且内部打印支撑结构容易去除。附图说明图1示意性示出了本公开实施例的用于节材3D打印的壳模型构造方法步骤图；图2示意性示出了本公开实施例的用于节材3D打印的壳模型构造方法详细流程图；图3A示意性示出了本公开实施例的一待打印模型的模型体的模型实体示意图；图3B示意性示出了本公开实施例的图3A对应的待打印模型实体的第一有向距离场表示图；图3C示意性示出了本公开实施例的图3A对应的待打印模型实体的等值面示意图；图3D示意性示出了本公开实施例的图3A对应的待打印模型实体的壳模型示意图；图4A示意性示出了本公开实施例的待打印模型实体的壳模型内表面顶点示意图；图4B示意性示出了本公开实施例的待打印模型实体的壳模型内表面顶点外扩距离示意图；图4C示意性示出了本公开实施例的按图4B的外扩距离进行外扩后的结果示意图；图5A示意性示出了本公开实施例的另一待打印模型的模型体的模型实体示意图；图5B示意性示出了本公开实施例的图5A模型体对应的满足屈服强度约束的初始均匀厚度壳模型；图5C示意性示出了本公开实施例的图5B进行三次外扩后的壳模型；图5D示意性示出了本公开实施例的图5B进行五次外扩后的壳模型。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提供了一种用于节材3D打印的壳模型构造方法。输入为一个待打印的实心三维网格模型，打印材料m，施加载荷F，最小打印厚度tmin。我们假设模型在实心情况下可以承受该载荷，即此时模型的最大应力小于屈服强度；否则，无法生成能够承受该载荷而不产生屈服现象的壳模型，没有壳模型构造的必要。在满足模型外观不变、在载荷F作用下不发生屈服，以及壳模型的最小厚度tm不低与最小打印厚度tm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，包括：S1，获取待打印模型及其外表面参数R；S2，按照预设厚度获取所述待打印模型的内表面参数Si，根据所述内表面参数、外表面参数R以及预设厚度获得所述待打印模型的壳模型i；S3，若所述壳模型i的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则增加所述预设厚度的厚度，并执行步骤S2；若所述壳模型i的最大应力小于或等于打印材料的屈服强度约束，则执行步骤S4；S4，计算所述壳模型i所有顶点的外扩距离，得到壳模型i+1，并判断所述外扩距离是否为0；若所述壳模型i所有顶点的外扩距离均为0，则所述壳模型i即为最终结果壳模型；否则，计算壳模型i+1的应力分布，并执行步骤S5；S5，若壳模型i+1的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则壳模型i即为结果壳模型；否则，以壳模型i+1的内表面为起点对壳模型i+1的顶点进行外扩，将i置为i+1，并执行步骤S4。

【技术特征摘要】
1.一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，包括：S1，获取待打印模型及其外表面参数R；S2，按照预设厚度获取所述待打印模型的内表面参数Si，根据所述内表面参数、外表面参数R以及预设厚度获得所述待打印模型的壳模型i；S3，若所述壳模型i的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则增加所述预设厚度的厚度，并执行步骤S2；若所述壳模型i的最大应力小于或等于打印材料的屈服强度约束，则执行步骤S4；S4，计算所述壳模型i所有顶点的外扩距离，得到壳模型i+1，并判断所述外扩距离是否为0；若所述壳模型i所有顶点的外扩距离均为0，则所述壳模型i即为最终结果壳模型；否则，计算壳模型i+1的应力分布，并执行步骤S5；S5，若壳模型i+1的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则壳模型i即为结果壳模型；否则，以壳模型i+1的内表面为起点对壳模型i+1的顶点进行外扩，将i置为i+1，并执行步骤S4。2.根据权利要求1所述的壳模型构造方法，所述步骤S4中所述计算所述壳模型i所有顶点的外扩距离具体为：根据所述壳模型i的应力分布信息计算所述壳模型i所有顶点的外扩距离。3.根据权利要求2所述的壳模型构造方法，所述外扩距离dv的计算公式为：其中，do为顶点v到壳模型外表面的距离，σv为顶点v处的应力值，σy为打印材料的屈服强度，tmin为打印机的最小打印厚度，s1为屈服强度的安全系数，s2为最小打印厚度的安全系数。4.根据权利要求1所述的壳模型构造方法，步骤S2中所述按照预设厚度获取所述待打印模型的内表面参数Si具体为：采用基于模型体素化表示的等值面提取算法获取所述待打印模型的内表面参数Si。5.根据权利要求4所述的壳模型构造方法，所述步骤S2具体包括：S21，以预设长度为边长，将所述待打印模型外表面所在的轴对齐包围盒体素化，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄章进，徐洪飞，宋鹏，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34