一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法和装置，所述方法包括：对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。采用本发明专利技术的方法优化模型的结构，只需打印模型的外壳和内部管道，可以达到节约打印材料，节省打印时间的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法和装置
本专利技术涉及面向3D打印的物体内部结构优化领域，具体涉及一种基于TPMS的模型结构优化方法和装置。
技术介绍
3D打印是一种可以将存储于计算机中的三维数字模型转化为实际物体的新型制造技术，近年来，3D打印技术受到工业和学术界的广泛关注。在3D打印过程中，可以对物体设计不同的内部填充结构，如采用不同形状单元进行的规则填充、不规则填充等。内部结构的设计与选择应考虑打印对象的强度要求，应在保证模型强度的前提下消耗尽量少的打印材料与打印时间。目前已经有很多不同的填充方法以及支撑结构来实现满足强度以及轻量化要求的制造。Stava等人在2012年提出了一种对物体内部进行结构优化从而提高物体的强度以及减少打印材料的方法。在该方法中，作者定义了一个迭代优化过程，该过程应用支撑支柱，加厚以及挖空以实现增强物体的结构强度并节省材料的目的。但该方法会改变物体的外形，对物体的外观产生影响。Wang等人在2013年提出了一种用蒙皮框架结构来替代内部材料的方法。该方法可以显著节省打印材料，但无法在保证受力的前提下达到最少的填充材料。Lu等人在2014年提出了一种基于蜂窝结构的内部结构优化方法。该方法通过对模型进行受力分析得到模型的应力分布，根据应力分布在模型的内部生成一种类似蜂窝状的内部结构，从而实现满足强度约束条件下，节约打印材料的目的。但该方法的问题在于内部孔洞之间相互是不连通的，这在一些3D打印工艺下无法去除孔洞内的材料。因此，急需一种易于实施的能够在保证受力的前提下达到最少的填充材料的模型优化方法。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法和装置。该方法基于三周期极小曲面TPMS和有限元分析FEM，通过FEM计算三维模型在外力作用下的应力分布，通过TPMS结合应力分布在三维模型的内部产生一种全连通的管道结构。将内部具有管道结构的数字模型通过3D打印的方式进行加工，在管道内部注入另外一种固化后强度更高的液态材料，可以实现提高3D打印结构强度的目的。同时由于TPMS是一种准免支撑的曲面，本方法生成的管道结构可以实现在3D打印过程中的免支撑。此外本方法只需要打印模型的外壳和内部管道，可以达到节约打印材料，节省打印时间的效果。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法，包括以下步骤：对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。进一步地，所述受力要求为：模型的最大应力不大于材料的屈服强度。进一步地，所述自适应TPMS周期函数P(x)的计算方法包括：用P(x)表示函数周期，定义TPMS周期函数F(x)；将P(x)映射为一个光滑连续的函数；将应力分布规范化和光滑化，并将其线性映射到P(x)上。进一步地，所述根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道包括：在TPMS表面进行采样，生成点集；针对每个采样点，根据管道宽度计算法线方向和负法线方向的偏移，生成管道；将所述管道与给定模型的边界求交，获得模型内部TPMS管道；其中，初始管道宽度为能够保证液体顺利流过的宽度最小值。进一步地，所述对TPMS周期函数和管道宽度进行优化的目标函数为：argminV(TT(P(x),W))s.t.SM(S,F)<χ，其中V表示注入材料的体积，TT(P(x),W)表示TPMS管道，SF(S,F)表示模型内部的应力分布，χ是打印材料与注入材料的屈服点的最小值。进一步地，对管道宽度进行优化包括：保持周期函数不变，根据模型的几何结构计算每个采样点处的管道宽度的上界；计算所有采样点邻域范围内的应力值，对于邻域内应力值大于一定阈值的，增加该点处的管道宽度，增加后的管道宽度不超过其上界。进一步地，对周期函数进行优化包括：在TPMS表面对应力较大的区域进行采样，生成点集；对集合中的每个采样点计算高斯核函数；对集合中所有采样点的组合高斯核函数进行归一化，更新周期函数。进一步地，所述方法还包括：将最终得到的模型输出为3D打印支持的文件格式。根据本专利技术的第二目的，本专利技术还提供了一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现：对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。根据本专利技术的第三目的，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行：对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。本专利技术的有益效果1、本专利技术通过有限元分析FEM计算应力分布的计算，结合应力和三周期极小曲面TPMS在3D打印物体内部生成TPMS管道，管道结构可以实现在3D打印过程中的免支撑，打印过程中只需要打印模型的外壳和内部管道，节约了打印材料，节省了打印时间。2、由于生成的管道是连通的，十分便于向管道内快速注入多种外部材料，在固化后获得高于打印强度的物体；通过将3D打印和外部材料合并在一起，增强了传统3D打印技术。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术的方法流程图；图2模型内部管道示意图；其中，图2(a)为根据给定的三维模型和它所受的外力，在模型内部生成的自适应TPMS；图2(b)为通过对TPMS进行偏移得到的TPMS管道；图3为周期连续变化的P-surface；图4为具有单一TPMS周期和自适应TPMS周期的kitten模型对比图；其中，图4(a)为具有单一TPMS周期的kitten模型；图4(b)为具有自适应TPMS周期的kitten模型；图5为管道与模型边界相交获得的曲面；其中，图5(a)表示由于TPM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。

【技术特征摘要】
1.一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。2.如权利要求1所述的一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法，其特征在于，所述受力要求为：模型的最大应力不大于材料的屈服强度。3.如权利要求1所述的一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法，其特征在于，所述自适应TPMS周期函数P(x)的计算方法包括：用P(x)表示函数周期，定义TPMS周期函数F(x)；将P(x)映射为一个光滑连续的函数；将应力分布规范化和光滑化，并将其线性映射到P(x)上。4.如权利要求1所述的一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法，其特征在于，所述根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道包括：在TPMS表面进行采样，生成点集；针对每个采样点，根据管道宽度计算法线方向和负法线方向的偏移，生成管道；将所述管道与给定模型的边界求交，获得模型内部TPMS管道；其中，初始管道宽度为能够保证液体顺利流过的宽度最小值。5.如权利要求1所述的一种面向3D打印的基于TPMS的模型结...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琳，闫鑫，饶聪，陈宝权，安德雷沙夫，丹尼尔·科恩·奥尔，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37