一种薄壳体3D打印优化方法技术

本发明专利技术公开了一种薄壳体3D打印优化方法，包括以下三个步骤，1、确定每个顶点位置能够达到的最大厚度；2、对模型进行分片操作，对区域边界相交处进行扩展得到过渡区域,对于每一个独立的片和每一个顶点均采用一个厚度参数；3、根据需求，对厚度参数进行优化，得到优化后的三维模型。通过本文提出的方法框架可以快速自动地计算在特定使用场景下，具有足够结构强度并且使用较少材料的可3D打印模型。方法明确，速度较快，结果鲁棒。可用于计算机辅助设计，生成3D打印模型等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种薄壳体3D打印优化方法
本专利技术涉及计算机图形与辅助设计领域，3D打印
，特别是涉及薄壳体3D打印优化厚度参数得到可打印实体的方法。
技术介绍
3D打印(三维打印)是增材制造技术(AM,additiveManufacturing)的俗称，通过数字化设计模型，运用粉末状材料(塑料或金属)，通过热熔粘合技术采用叠加成型的方式生成三维实体。智能数字化技术在3D打印过程中扮演重要作用。借助计算机实现，能够只能的实现用户的意图并生成可打印的实体。随着技术不断发展，3D打印机可以采用多种材料，包括粉末，所料，金属等，以及在特殊应用场景下的巧克力，人体干细胞等。通过分层加工，叠加成型的方式实现能够制造复杂模型。基于以上优点，3D打印技术在工业制造，航空航天，机器人，生物医学等领域快速发展。也由于3D打印机制造成本的降低，让这一技术在广大普通用户中得到迅速推广。在制造模型的过程中，用户借助3D建模软件(如Maya,3DSMax等)建立网格模型。通过此种方法建立出来的模型通常是边界曲面模型，而这样生成的实体通常是非常薄不能够直接用来打印。为了解决这个问题，大多数3D打印软件采用以下两种方法：1、将曲面表面洞进行填充，整体曲面封闭生成实体；2、对整体模型设定一个厚度，生成等距曲面封闭之后形成实体。然而对于方法1，会显著改变模型表面结构，同时这样打印会将内部空间全部打印成实体，在打印过程中会增加打印的时长，消耗更多的材料。而对于方法2，厚度确定的过小会使得打印出的物体难以满足实际需求，承受一定的外力；厚度过大会影响整体的外观。近几年有一些研究者专注研究如何增强打印物体的结构强度。STAVA和VANEK提出通过改善物体形状和增加支撑来增加物体的结构强度，同时减少打印消耗的材料，参见STAVA,O.,VANEK,J.,BENES,B.,CARR,N.,ANDMˇECH,R.：Stressrelief:Improvingstructuralstrengthof3dprintable，566，2012，ACMTrans.Graph.31,4,48:1–48:11。Wang等通过构建框架支撑状结构实现坚固结构和节省材料的平衡。参见WANG,W.,WANG,T.Y.,YANG,Z.,LIU,L.,TONG,X.,TONG,W.,DENG,J.,CHEN,F.,ANDLIU,X.2013.Cost-effectiveprintingof3dobjectswithskin-framestructures.ACMTrans.Graph.32,6,177:1–177:10。然而以上方法对于薄壳状结构的物体并不适用。由于薄壳状物体内外表面都可见，增加支撑的做法会影响外观形状，同时难以满足用户设计时的使用需求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种薄壳体3D打印优化方法，能够实现根据输入的模型和需要达到的结构强度，自动计算每点厚度参数，并生成可打印的密闭网格模型。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种薄壳体3D打印优化方法，包括以下步骤：(1)根据三维网格模型几何结构，确定每个顶点位置能够达到的最大厚度和最小厚度；(2)根据模型的几何结构，对模型进行分片操作，得到多个分片区域，对分片区域边界相交处进行扩展得到过渡区域。根据步骤1得到的最大厚度和最小厚度，对于分片区域中每一个独立的片采用一个厚度参数，对于过渡区域中每一个顶点采用一个厚度参数；(3)根据模型需要达到的使用中的应力强度要求，承受外力的情况和打印所使用的材料，使用特定有限元模型模拟仿真和敏感度分析技术，通过交替迭代对步骤2中的厚度参数进行优化，求得网格模型上每一个顶点的最佳厚度，并生成优化后的三维模型。进一步地，步骤(1)中确定每个顶点最大厚度方法，具体为：根据输入三维网格模型，用M表示，求得其包围盒在x,y,z轴的尺寸为(a,b,c)，则模型每个点最大厚度设定为：TMax＝0.05*(a+b+c-min{a,b,c}-max{a,b,c})最小厚度根据3D打印机能够打印的最薄厚度确定：Tmin＝0.5mm根据模型网格几何特征对M上每一点进行厚度修正，采用averageddistancefunctions函数计算网格模型M的距离场函数d(X,M)，表示空间中点X到网格模型M的距离，点x是位于模型M上的点，F(x,t)表示通过点x的积分曲线，表示点x指向F(x,t)的向量，N(x)表示模型M上x点法向方向。在曲面与法向相同方向一侧，最大厚度为：同理在与法向相反一侧，最大厚度为：对于M上点x，修正后的最大厚度TG(x)表示为进一步地，步骤(2)中根据模型几何特征，采用fuzzycut方法对模型进行分片，具体为：扩展分片之间的边界：输入模型的顶点数用n来表示，设定扩展边界的迭代次数Nexpand(至少进行一次)，在每次迭代过程中，将过渡区域中所有顶点的单环邻域内的顶点添加到过渡区域。经过Nexpand迭代后，得到的过渡区域表示为BT；对于分片区域中每一个独立的片的厚度参数以及过渡区域中每一个顶点的厚度参数采用如下办法获得：过渡区域中顶点个数为nT，每一个顶点赋予一个厚度参数，用向量β表示。β中每个分量对应相应顶点的厚度参数，表示为在进行边界扩展后，剩下的部分被分割成彼此不相邻的部分，称为分块区域，表示为BS，不相邻的分块数为nS，每一个单独的分块区域采用同样的分片厚度，用向量α表示。α每个分量对应相应分块区域的厚度，表示为表示α的厚度上限，表示α的厚度下限。对于αi的厚度参数变化范围由其分片区域包含的所有顶点集合决定，即表示β的厚度上限，表示β的厚度下限。对于βi的厚度参数变化范围由其对应的模型顶点决定，即由此，根据分片厚度α及预计算的每个顶点厚度参数β可确定模型M上每个顶点的厚度t。即对于给定的α,β可以求得t。进一步地，步骤(3)中包括步骤：(4.1)将模型M拆分为二次壳体单元和线性平板单元，加快计算速度整体刚度矩阵，可以表示为厚度参数α,β的多项式。(4.2)通过有限元方程建立厚度参数α,β变化对模型每个顶点vonMises力σ变化的影响根据有限元方程，在外力F作用下，根据整体刚度矩阵Ksys可以求解模型每个顶点的位移U：KsysU＝F对于在模型M上顶点i处的厚度ti变化对整体位移产生的影响可以表示为：由于外力保持不变，不随着厚度ti变化，上式可简化为：结合vonMises计算公式，可以根据位移对厚度参数的变化求得(4.3)建立优化目标函数，通过交替迭代优化过程，分别优化α,β。优化目标是在模型承载指定外力的条件下，保证材料不断裂，满足结构强度，保持所需要的打印材料最小并且保持生成曲面光滑。即可用如下形式表达为：其中si表示顶点i邻接三角形面片面积和的控制曲面光滑程度，tmin由3D打印机打印最薄厚度确定，wi表示其邻域顶点的权重，若与点i邻接的顶点数为Nring，则σmax由打印所选取的材料决定。等价于密闭模型的体积VM。通过迭代优化过程求解，在第k次迭代过程中，阶段1和阶段2的求解分别为：阶段1：在阶段1求解过程中，固定β值不变，求解线性优化问题的解为αk+Δαk，通过求解拉普拉斯方程，得到βk。阶段2：在阶段2的求解后，得到βk+Δβk，此处同样通过求解拉普拉斯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄壳体3D打印优化方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据三维网格模型几何结构，确定每个顶点位置能够达到的最大厚度和最小厚度；(2)根据模型的几何结构，对模型进行分片操作，得到多个分片区域，对分片区域边界相交处进行扩展得到过渡区域。根据步骤1得到的最大厚度和最小厚度，对于分片区域中每一个独立的片采用一个厚度参数，对于过渡区域中每一个顶点采用一个厚度参数；(3)根据模型需要达到的使用中的应力强度要求，承受外力的情况和打印所使用的材料，使用特定有限元模型模拟仿真和敏感度分析技术，通过交替迭代对步骤2中的厚度参数进行优化，求得网格模型上每一个顶点的最佳厚度，并生成优化后的三维模型。

【技术特征摘要】
1.一种薄壳体3D打印优化方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)根据三维网格模型几何结构，确定每个顶点位置能够达到的最大厚度和最小厚度；具体为：根据输入三维网格模型，用M表示，求得其包围盒在x,y,z轴的尺寸为(a,b,c)，则模型每个点最大厚度设定为：TMax＝0.05*(a+b+c-min{a,b,c}-max{a,b,c})最小厚度根据3D打印机能够打印的最薄厚度确定：Tmin＝0.5mm根据模型网格几何特征对M上每一点进行厚度修正，采用averageddistancefunctions函数计算网格模型M的距离场函数d(X,M)，表示空间中点X到网格模型M的距离，点x是位于模型M上的点，F(x,t)表示通过点x的积分曲线，表示点x指向F(x,t)的向量，N(x)表示模型M上x点法向方向；在曲面与法向相同方向一侧，最大厚度为：同理在与法向相反一侧，最大厚度为：对于M上点x，修正后的最大厚度TG(x)表示为：(2)根据模型的几何结构，对模型进行分片操作，得到多个分片区域，对分片区域边界相交处进行扩展得到过渡区域；根据步骤1得到的最大厚度和最小厚度，对于分片区域中每一个独立的片采用一个厚度参数，对于过渡区域中每一个顶点采用一个厚度参数；其中，采用fuzzycut方法对模型进行分片，具体为：扩展分片之间的边界：输入模型的顶点数用n来表示，设定扩展边界的迭代次数Nexpand，在每次迭代过程中，将过渡区域中所有顶点的单环邻域内的顶点添加到过渡区域；经过Nexpand迭代后，得到的过渡区域表示为BT；对于分片区域中每一个独立的片的厚度参数以及过渡区域中每一个顶点的厚度参数采用如下办法获得：过渡区域中顶点个数为nT，每一个顶点赋予一个厚度参数，用向量β表示；β中每个分量对应相应顶点的厚度参数，表示为在进行边界扩展后，剩下的部分被分割成彼此不相邻的部分，称为分块区域，表示为BS，不相邻的分块数为nS，每一个单独的分块区域采用同样的分片厚度，用向量α表示；α为每个分量对应相应分块区域的厚度，表示为表示α的厚度上限，表示α的厚度下限；对于αi的厚度参数变化范围由其分片区域包含的所有顶点集合决定，即表示β的厚度上限，表示β的厚度下限；对于βi的厚度参数变化范围由其对应的模型顶点决定，即由此，根据分片厚度α及预计算的每个顶点厚度参数β可确定模型M上每个顶点的厚度t；即对于给定的α,β可以求得t；(3)根据模型需要达到的使用中的应力强度要求，承受外力的情况和打印所使用的材料，使用特定有限元模型模拟仿真和敏感度分析技术，通过交替迭代对步骤2中的厚度参数进行优化，求得网格模型上每一个顶点的最佳厚度，并生成优化后的三维模型；包括以下步骤：(3.1)将模型M拆分为二次壳体单元和线性平板单元，加快计算速度整体刚度矩阵，可以表示为厚度参数α,β的多项式；(3.2)通过有限元方程建立厚度参数α,β变化对模型每个顶点vonMises力σ变化的影响根据有限元方程，在外力...

【专利技术属性】
技术研发人员：许威威，赵海明，金小刚，周昆，杨垠，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33