一种面向3D打印的物体内部结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，该方法基于Voronoi图和FEM(Finite Element Analysis Method,有限元分析)，通过FEM计算模型在外力下的应力图，并通过Voronoi图结合应力图计算并产生类蜂窝状的内部结构；蜂窝状的结构可以在提供很好的结构强度的同时最小化耗材，不仅可以在3D打印的过程中节省材料，还可以赋予打印物体类蜂窝状的内部结构，承受给定的外力，使得物体更加坚固、结实。

【技术实现步骤摘要】
一种面向3D打印的物体内部结构优化方法
本专利技术涉及本专利技术涉及一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，具体涉及一种基于VOTonoi图和有限元分析的优化物体强度体积比的方法。
技术介绍
3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。最近几年，3D打印越来越多的被人们所提及，将数字模型文件打印成实物的能力，使得它在许多行业得到广泛应用。从技术实现上来看，3D打印通常是将打印材料“一层一层”地叠加起来，从而将数字蓝图变为实物。所以，模型的体积直接关系到打印过程中的耗材，大型复杂的模型将会耗费大量的材料。而打印过程的耗材直接决定了打印的成本。针对这个问题，Wang等人在2013年提出了用蒙皮框架结构代替内部材料的方法(WANG, ff.，WANG, T.Y.，YANG, Z.，LIU, L.，TONG, X.，TONG, ff.，DENG, J.，CHEN, F., AND LIU, X.2013.Cost-effective printing of3D objects with skin-framestructures.ACM Transactions on Graphics (Proc.SIGGRAPH Asia) 32，5),为了减少内部材料，该方法将问题抽象为在物理和几何的条件约束下的框架结构(数目)的优化问题，但是该方法只考虑了自承重的情形，即只考虑所打印物体受重力的影响，并未考虑到物体受外力的情形，所以该方法的结果虽然可以很大程度的节省材料，但是所打印出来的物体不能保证承受足够的外力。另一方面，出于对打印物体的平衡性的考虑，Prevost等人在 2013 年提出的方法(PR ' EV0ST, R.，WHITING, E.，LEFEBVRE, S.，AND S0RKINEH0RNUNG, 0.2013.Make it stand:balancing shapes for3D fabrication.ACM Trans.Graph.32，4 (July) ,81:1-81:10.),该方法可以使物体保持平衡，同时也能在一定程度上节省材料，该方法将这一问题形式化为包含平衡性与形变程度两项加权和的目标函数，并将问题定义为能量最小优化问题，来求解出使目标函数目标最优的模型，但是该方法仅仅是为了保持物体站立平衡。上述的方法在减少打印耗材的同时，都在一定程度上改变了打印物体的物理强度，因为物体的用料与物理强度是紧密相连的。考虑到这一点，Zhou等人在2013年将这样一个结构问题看做带约束的优化问题(ZH0U，Q.，PANETTA, J.，AND ZORIN, D.2013.fforst-case structural analysis.ACM Trans.Graph.32, 4 (July), 137:1 - 137:12),该文章为我们提供了物体结构分析的方法，该方法可以对于任意的模型，计算分析得出模型中最薄弱易碎的区域。另外，Stava等人在2012年提出了迭代优化的方法(STAVA 0.VANEK, J.BENESj B.CARRj N.，AND M ▽ E545CH，R.2012.Stress relief:1mproving structuralstrength of3D printable objects.ACM Trans.Graph.31，4 (July)，48:1 - 48:11)，通过在模型内部挖洞，对模型表面增厚和增加内部支撑结构的方式来增强物体的结构强度，同时也达到了节省材料的目的，问题在于该方法会改变物体的表面结构，对模型的外观产生影响。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，该方法基于 Voronoi 图和 FEM(Finite Element Analysis Method,有限兀分析)，通过 FEM计算模型在外力下的应力图，并通过Voronoi图结合应力图计算并产生类蜂窝状的内部结构；蜂窝状的结构可以在提供很好的结构强度的同时最小化耗材，不仅可以在3D打印的过程中节省材料，还可以赋予打印物体类蜂窝状的内部结构，承受给定的外力，使得物体更加坚固、结实。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案:一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，包括以下步骤:(I)计算初始给定的实心模型S的应力分布SM(S，F)，确定目标优化函数的参数值，并将其初始化；(2)根据计算得到的应力分布,进行重心Voronoi分割,得到α个Voronoi分割区域单元c = Ic1,…Ci,…，ca},计算分割区域单元Harmonic场的等值曲面；(3)将Voronoi分割区域单元中等值曲面内的部分挖空,建立新的实心模型S',令S = S',重新计算其应力分布；(4)根据新的应力分布,对比每个Voronoi分割区域单元,如果每个Voronoi单元内部都没有大于屈服点的应力点，转到(7);如果VOTonoi分割区域单元中有大于屈服点的应力点且该分割区域单元Harmonic场的等值面与每轮迭代等值面系数的减少步长的差值小于每轮迭代的等值面系数阈值，则转到步骤(5);如果VOTonoi分割区域单元中有大于屈服点的应力点且该分割区域单元Harmonic场的等值面与每轮迭代等值面系数的减少步长的差值不小于每轮迭代的等值面系数阈值，否则，转到步骤(6)；(5)将S内的相邻且等值面参数一样的单元合并，产生新的Vwonoi分割区域单元，新的单元的等值面系数不变，转到步骤(3)；(6)减小该分割区域单元Harmonic场的等值面,增加该Voronoi分割区域单元的材料；转到步骤⑶；(7)根据Voronoi分割区域单元，将各个单元内等值面内的部分挖空，得到新的模型，将该模型输出。所述步骤(1)中，应力分布SM(S，F)的计算方法，具体包括以下步骤:(1-1)将实心模型S四面体化；(1-2)对四面体化后的模型进行有限元分析，得到模型内部的应力分布。所述步骤(2)中，重心Voronoi分割的具体方法,包括以下步骤:(2-1)在S内部使用误差扩散的方法(error diffusion)来生成α个初始站点，这样在应力大的区域分布的站点数多于应力小的地方，使得站点的分布与应力分布相匹配，具体为:(2-1-a)在S内部随机分布一个点P ；[0021 ] (2-1-b)定义点ρ关于ρ点处应力值的接受概率函数，该函数与P点处的应力值成正比，并通过随机数生成来判定点P是否被接受；(2-1-c)重复(a) (b)过程，直至有α个点被接受，即生成了 α个初始站点。(2-2)根据公式 Vor(c,:) = {x e S| ||x — C11| < ||x - Cj ||, Vj 矣 i}，用 Lloyd 方法计算重心Voronoi分割,其中，i = 1，...，α ； j = 1，...，α ； χ为特定材料的屈服点。所述步骤(2)中，计算分割区域单元Harmonic场的等值面的具体方法,包括以下步骤:(2-a)对于每个Voronoi分割区域单元Ci e c,计算Ci内部的Harmonic距离场，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，其特征是：包括以下步骤：(1)计算初始给定的实心模型S的应力分布SM(S，F)，确定目标优化函数的参数值，并将其初始化；(2)根据计算得到的应力分布，进行重心Voronoi分割，得到α个Voronoi分割区域单元c＝{c1,…ci,…,cα}，计算分割区域单元Harmonic场的等值曲面；(3)将Voronoi分割区域单元中等值曲面内的部分挖空，建立新的实心模型S′，令S＝S′，重新计算其应力分布；(4)根据新的应力分布，对比每个Voronoi分割区域单元，如果每个Voronoi单元内部都没有大于屈服点的应力点，转到(7)；如果Voronoi分割区域单元中有大于屈服点的应力点且该分割区域单元Harmonic场的等值面与每轮迭代等值面系数的减少步长的差值小于每轮迭代的等值面系数阈值，则转到步骤(5)；如果Voronoi分割区域单元中有大于屈服点的应力点且该分割区域单元Harmonic场的等值面与每轮迭代等值面系数的减少步长的差值不小于每轮迭代的等值面系数阈值，否则，转到步骤(6)；(5)将S内的相邻且等值面参数一样的单元合并，产生新的Voronoi分割区域单元，新的单元的等值面系数不变，转到步骤(3)；(6)减小该分割区域单元Harmonic场的等值面，增加该Voronoi分割区域单元的材料；转到步骤(3)；(7)根据Voronoi分割区域单元，将各个单元内等值面内的部分挖空，得到新的模型，将该模型输出。...

【技术特征摘要】
1.一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，其特征是:包括以下步骤: (1)计算初始给定的实心模型S的应力分布SM(S，F)，确定目标优化函数的参数值，并将其初始化； (2)根据计算得到的应力分布,进行重心Voronoi分割,得到α个Voronoi分割区域单元c = Ic1,…Ci,…，ca},计算分割区域单元Harmonic场的等值曲面； (3)将Voronoi分割区域单元中等值曲面内的部分挖空,建立新的实心模型S',令S=S',重新计算其应力分布； (4)根据新的应力分布,对比每个Voronoi分割区域单元,如果每个Voronoi单元内部都没有大于屈服点的应力点，转到(7);如果Voronoi分割区域单元中有大于屈服点的应力点且该分割区域单元Harmonic场的等值面与每轮迭代等值面系数的减少步长的差值小于每轮迭代的等值面系数阈值，则转到步骤(5);如果VOTonoi分割区域单元中有大于屈服点的应力点且该分割区域单元Harmonic场的等值面与每轮迭代等值面系数的减少步长的差值不小于每轮迭代的等值面系数阈值，否则，转到步骤(6)； (5)将S内的相邻且等值面参数一样的单元合并,产生新的Voronoi分割区域单元,新的单元的等值面系数不变，转到步骤(3)； (6)减小该分割区域单元Harmonic场的等值面,增加该Voronoi分割区域单元的材料；转到步骤⑶； (7)根据Voronoi分 割区域单元，将各个单元内等值面内的部分挖空，得到新的模型，将该模型输出。2.如权利要求1所述的一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，其特征是:所述步骤(I)中，应力分布SM(S，F)的计算方法，具体包括以下步骤: (1-1)将实心模型S四面体化； (1-2)对四面体化后的模型进行有限元分析，得到模型内部的应力分布。3.如权利要求1所述的一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，其特征是:所述步骤(2)中，重心Voronoi分割的具体方法，包括以下步骤: (2-1)在S内部使用误差扩散的方法(error diffusion)来生成α个初始站点,这样在应力大的区域分布的站点数多于应力小的地方，使得站点的分布与应力分布相匹配；(2-2)根据公式 Vor(q) = {.r G S| ||.r — c,:|| < ||x — Cj \\,Vj Ψ i),用 Lloyd 方法计算重心Voronoi分割,其中，i = 1，…，α ；j = I,…，α ； χ为特定材料的屈服点。4.如权利要求3所述的一种面向3D打印的物体内部结构优化方法，其特征是:所述步骤(2-1)具体包括以下步骤: (2-1-a)在S内部随机分布一...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琳，屠长河，陈宝权，陈学霖，赵海森，魏源，樊庆楠，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37