一种基于人脸照片合成模型个性化定制的3D打印护目镜的制作方法技术

一种基于人脸照片合成模型个性化定制的3D打印护目镜的制作方法，属于3D打印技术及医用护具领域。本发明专利技术使用FaceGen Modeller通过人脸照片合成头部立体建模模型，通过SolidWorks软件制作护目镜前端模型，将前端模型和头部立体建模模型导入Magics软件获取定制化三维护目镜模型，通过Ansys Workbench软件对护目镜进行尺寸优化和拓扑优化，得到完全贴合使用者面部的护目镜模型。最终得到的模型进行切片并导入FDM打印机，按照一定的打印参数进行护目镜的制作，最终得到打印完成的护目镜。镜。镜。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人脸照片合成模型个性化定制的3D打印护目镜的制作方法


[0001]本专利技术涉及一种使用照片合成三维人脸模型的技术、一种将人脸模型组合到护目镜并进行优化的方法以及一种3D打印口罩的制作方法，属于增材制造领域和医用护具领域，制作贴合使用者面部轮廓的个性化3D打印护目镜。

技术介绍

[0002]近距离接触经飞沫传播的传染病患者时，医护人员必须佩戴护目镜。医用护目镜可以防止液体喷溅或者气溶胶传播，是医护人员生命健康的坚实保障。当前，我国护目镜相关标准为《个人用眼护具技术要求》(GB 14866
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2006)，我国没有医用护目镜的专项技术标准，只要护目镜符合性能要求，均可使用。护目镜容易起雾，影响视野，导致一线医护人员在诊疗护理过程中工作效率降低、增加诊疗护理工作难度；护目镜长时间挤压皮肤会对医护人员的接触面产生创伤。
[0003]随着仿真模拟技术的不断发展，我们能够更容易的对护目镜的力学和热力学性能进行仿真模拟分析，以得到更加贴合实际使用情况的仿真数据，用于加强护目镜的结构以及减轻重量，并在同时提高眼罩的密封性及佩戴舒适度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于用照片生成人脸模型，利用3D打印技术制作个性化定制防护护目镜的方法。
[0005]本专利技术是通过以下软件及材料实现的：FaceGen Modeller人脸模型生成软件、Ansys Workbench有限元分析软件、SolidWorks三维CAD软件、Magics软件、掺入纳米银的PLA材料。
[0006]本专利技术是通过以下方式实现的：
[0007]一、使用FaceGen Modeller 3.6软件进行头部模型的制作
[0008]将一张正面左右侧脸各一张共三张人脸照片导入到软件中并调整照片，分配人脸的特征点，软件自动生成头部模型，最后将头部模型导出。
[0009]二、使用SolidWorks软件制作护目镜前端模型
[0010]护目镜使用了可更换式镜片卡扣设计，满足护目镜的密封性和强度要求又满足了镜片的可更换性；可更换式干燥剂模块设计能有效降低使用时护目镜内产生凝结水珠，并可满足护目镜的多次使用，延长护目镜的使用寿命；护目镜上端倾斜设计可引导凝结水珠的流动方向，避免了水珠影响护目镜使用者的视野；低面部负担设计能够降低护目镜作用在人面部的压应力，减轻了面部的负担，减少压疮产生的可能性。
[0011]三、利用Magics软件获取三维人脸护目镜
[0012]将头部立体建模stl文件导入Magics软件后进行镂空操作，获得头部壳层模型，获得护目镜边缘。使用边缘模型与通用护目镜模型切割获得切割后通用模型。将切割后模型
与边缘模型进行合并，获得定制化护目镜
[0013]四、使用Ansys Workbench软件对护目镜进行尺寸优化和拓扑优化
[0014]将SolidWorks与Ansys Workbench相关联，利用SolidWorks打开模型文件，调整网格质量，计算等效弹性应变与应力，得到原始模型的解。运用response surface在mesh里选择优化目标为镜片内外温差和贴合部分所受压力，进行尺寸优化，拟合处变量之间的关系曲线，判断出与优化目标正反相关的变量，添加验证点进行验证，运用多目标遗传算法(MOGA)，得到三个最好的结果并选择其一。最后进行拓扑优化，得到结果并进行改进。
[0015]五、3D打印护目镜制作过程
[0016]将优化完成的模型导入切片软件Simplify 3D，并设置打印参数。点击准备打印，得到完成切片的gcode文件。将文件导入FDM打印机，即可开始打印。打印完成后，去除表面多余材料即可得到打印完成的护目镜。
[0017]本专利技术具有以下创新性：
[0018](1)本专利技术利用Ansys Workbench软件对护目镜模型进行尺寸优化和拓扑优化，优化了护目镜的结构，在保证护目镜与用户面部紧密贴合的前提下，减轻了重量，同时保证了护目镜的结构强度，提升了护目镜的性能，能够加快护目镜的打印速度并降低制作成本。首先利用拓扑优化，对于模型的初步结构，按照性能指标(在保证力学性能的同时实现轻量化)，去寻找一个更为理想的结构，在保证护目镜与人脸接触面所受平均应力不变的条件下，实现轻量化，并选择出更好的结构。利用尺寸优化，调整护目镜的各项尺寸，以降低使用者的负担，以减少压疮对人体皮肤的伤害。利用显示动力学分析，分析出护目镜的抗冲击能力。
[0019](2)本专利技术利用Ansys Workbench对建好的模型进行参数相关性分析以及仿真模拟。通过参数相关性分析，来寻找更适为3D打印加工的零件。对性能影响巨大的参数分别采用了直接优化与代理模型优化(响应面优化)，寻找最好的设计参数，最后将参数修改后进行打印。通过调整仿真模拟参数，使得模拟仿真结果更接近实际，使得优化结果与打印事实相符。
[0020](3)本专利技术利用Magics对人脸模型切割，将人脸在模型上进行切割，利用Ansys Workbench分析切割前后人脸
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护目镜接触面所受的压力大小，发现压力更小，更为均匀，以此解决了压疮的问题。
[0021](4)本专利技术通过将护目镜边缘制成贴合人眼周的形状，与人脸贴合，省去增加缓冲垫的步骤，可以减轻自身重量，减少制作成本。同时本专利技术通过镜片固定结构设计，实现了PLA材料的无胶化固定镜片。
[0022](5)本专利技术通过模块化的设计，预留了扩展接口，可在日后实现护目镜功能的拓展。同时对护目镜加入可更换式的干燥剂模块，解决了护目镜中容易起雾的问题，并优化了此模块的设计，使得干燥剂模块的更换变得更容易。
[0023](6)本专利技术通过使用FaceGen Modeller软件，将三张人脸照片合成相应的三维人脸模型，将模型与护目镜相结合，将护目镜边缘制成完全贴合用户眼周部分的形状，实现个性化定制。
[0024](7)本专利技术护目镜使用了纳米银掺入PLA打印材料进行打印，纳米银材料具有良好的抗菌特性，掺入PLA材料中打印，对众多致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，而且不
会产生耐药性，适合于医护人员的长期佩戴，有助于保护医护人员的生命健康。
[0025](8)本专利技术利用PLA耗材作为3D打印的基础材料，PLA聚乳酸耗材是一种新型的生物降解材料，其具有良好的生物可降解性，使用后能够被自然界中的微生物完全降解，不会造成环境污染。本专利技术中所述打印机的参数能使打印机打印成型度好，并且易于打印后处理护目镜。
[0026](9)本专利技术使用PLA材料打印，市面上的PLA打印耗材提供了许多颜色的选择，护目镜可以根据用户的喜好随意选择颜色搭配护目镜的前端与后端的颜色，提高了护目镜客制化的程度。
附图说明
[0027]图1是图片建模到仿真模拟再到3D打印制作护目镜的完整流程图
[0028]图2是设计完成的护目镜前端
[0029]图3是镜片固定模块模型...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于人脸照片合成模型个性化定制的3D打印护目镜的制作方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过FaceGen Modeller软件用人脸照片制作成人脸模型2)通过SolidWorks制作护目镜前端模型3)利用Magics软件获贴合护目镜前端模型与人脸模型4)通过Ansys Workbench软件对护目镜进行尺寸优化和拓扑优化5)通过Simplify 3D软件对模型进行切片，将切片文件导入FDM打印机中打印，得到制作完成的护目镜。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：使用FaceGen Modeller软件，导入人脸正面、左面、右面的三张照片，用十字基准点分配人脸特征点，并导出STL格式人脸模型。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：其特征在于：护目镜拥有可更换式镜片卡扣设计，可更换式干燥剂模块设计，护目镜上端倾斜设计，低面部负担设计。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：使用Magics软件将设计的护目镜模型和人脸模型相匹配，获得护目镜边缘模型，使用布尔运算并使用“壳体转零件”获得切割后通用模型，将切割后模型与边缘模型合并获得定制化护目镜。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于：在Ansys Workbench材料库选择材料，选择为机械，连接关系为bonding，单元尺寸控制在0.01～0.18m，增长率调整在1.3～1.7，曲率角在10
°
～20
°...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾勇，赵睿豪，荣葆利，陈翰彧，王枭鹏，陈沫言，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：