具有过滤以促进2.5轴减材制造过程的计算机辅助生成式设计制造技术

提供了用于使用生成式设计过程进行的物理结构的计算机辅助设计的方法、系统和设备，包括介质编码的计算机程序产品，其中产生所述物理结构的3D模型，以便促进使用2.5轴减材制造系统和技术进行的所述物理结构的制造，所述方法、系统和设备包括：获得要制造的对象的设计空间、设计标准和载荷情况；迭代地修改建模对象的生成式设计的3D形状，包括生成所述3D形状的更新版本的2D轮廓表示(对应于离散层)、沿着铣削方向挤出所述2D轮廓表示以及从通过所述挤出产生的3D表示的组合形成所述建模对象的所述3D形状的下一版本；以及提供所述建模对象的所述生成式设计的3D形状以用于使用2.5轴减材制造过程来制造所述物理结构。减材制造过程来制造所述物理结构。减材制造过程来制造所述物理结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有过滤以促进2.5轴减材制造过程的计算机辅助生成式设计

技术介绍

[0001]本说明书涉及可使用增材制造、减材制造和/或其他制造系统和技术制造的物理结构的计算机辅助设计。
[0002]已经开发了计算机辅助设计(CAD)软件并使用其来生成对象的三维(3D)表示，并且已经开发了计算机辅助制造(CAM)软件并使用其来评估、计划和控制这些对象的物理结构的制造，例如，使用计算机数控(CNC)制造技术。典型地，CAD软件使用边界表示(B
‑
Rep)格式存储正在建模的对象的几何形状的3D表示。B
‑
Rep模型是指定所建模的3D对象的实体部分和非实体部分之间的边界的一组连接的表面元素。在B
‑
Rep模型(通常称为B
‑
Rep)中，几何形状使用平滑和精确的数学曲面存储在计算机中，这与可能难以在CAD程序中使用的网格模型的离散和近似曲面形成对比。
[0003]CAD程序已与减材制造系统和技术结合使用。减材制造是指通过切除毛坯材料(通常是比3D对象大的“坯件”或“工件”)的部分而从毛坯材料创建3D对象的任何制造过程。此类制造过程典型地涉及在以粗加工操作、任选的半精加工操作和精加工操作开始的一系列操作中使用多个CNC机床切削刀具。除了CNC机加工外，其他减材制造技术包括电极放电机加工、化学机加工、水射流机加工等。相反，增材制造(也称为实体自由成形制造或3D打印)是指从原材料(一般是粉末、液体、悬浮液或熔融固体)在一系列层或横截面中构建3D对象的任何制造过程。增材制造的示例包括熔丝制造(FFF)和选择性激光烧结(SLS)。从原材料构建3D对象的其他制造技术包括铸造和锻造(热锻和冷锻两者)。
[0004]另外，已经设计出CAD软件以便对要制造的更大的零件系统中的一个零件或一个或多个零件使用拓扑优化(生成式设计)来执行3D几何形状的自动生成。这种3D几何形状的自动生成通常限于由CAD软件的用户指定的设计空间，并且3D几何形状生成典型地由设计目标和约束管理，这些目标和约束可由CAD软件的用户或由另一方定义并导入到CAD软件中。设计目标(诸如最小化设计零件的重量)可用于推动几何形状生成过程朝向更好的设计。设计约束可包括对单个零件的结构完整性约束(即，要求在零件的使用期间零件在预期结构载荷下不应出故障)和由较大系统施加的物理约束(即，要求零件在使用期间不干扰系统中的另一个零件)两者。此外，设计约束的示例包括最大质量、载荷下的最大变形、最大应力等。
[0005]生成式设计过程的输入可包括指定了生成式设计过程的边界条件的一组输入实体(B
‑
Rep输入)，但许多现代生成式设计求解器并不直接对其输入实体的精确表面边界表示进行操作。相反，对B
‑
Rep进行采样并将其替换为体积表示，诸如水平集或四面体或六面体网格，这对于求解器计算的物理模拟和材料合成来说明显更加方便和高效。输入实体集可包括“保留体”，保留体应始终存在于设计中并表示与系统其他零件或应当应用边界条件(例如，机械载荷和约束)的位置的接口。也可以类似的方式提供应当或不应当生成几何形状的其他区域，诸如定义“障碍体”的输入实体，障碍体表示不应当生成新几何形状的区域。

技术实现思路

[0006]本说明书描述了与使用生成式设计过程的物理结构的计算机辅助设计相关的技术，其中产生物理结构的三维(3D)模型以便促进使用2.5轴减材制造系统和技术来制造物理结构。减材制造技术可包括2轴、2.5轴、3轴或更多轴铣削；2轴铣削可切穿毛坯但没有能力调整铣削头的高度水平；3轴铣削可在沿三个单独的维度移动铣削刀具的同时切穿毛坯；2.5轴铣削可使用3轴铣床，因为铣削刀具(或铣削刀具和夹具支架的组合)可在所有的三个单独维度上移动，但在大多数切削操作期间，铣削刀具仅相对于工件在2个轴上移动，这导致更高效的制造过程。
[0007]一般来说，本说明书中描述的主题的一个或多个方面可体现在一种或多种方法(以及一种或多种非暂时性计算机可读介质，所述一种或多种非暂时性计算机可读介质对计算机程序有形地编码，所述计算机程序可操作以致使数据处理设备执行操作)中，所述一种或多种方法包括：由计算机辅助设计程序获得对应的物理结构将使用2.5轴减材制造过程来制造的建模对象的设计空间、所述建模对象的一个或多个设计标准以及所述物理结构的一个或多个使用中载荷情况；由所述计算机辅助设计程序根据所述一个或多个设计标准和所述一个或多个使用中载荷情况在所述设计空间中迭代地修改所述建模对象的生成式设计的三维形状，包括修改所述三维形状的几何形状和所述三维形状的拓扑两者，其中所述迭代地修改包括：根据所述三维形状的当前版本和所述一个或多个使用中载荷情况来执行所述建模对象的数值模拟，以产生所述建模对象的物理响应的当前数值评估；基于所述物理响应的所述当前数值评估来更新所述三维形状的所述当前版本，以产生所述建模对象的所述三维形状的更新版本；生成所述三维形状的所述更新版本的二维轮廓表示，其中所述二维轮廓表示对应于垂直于所述2.5轴减材制造过程的铣削方向的离散层；沿着所述铣削方向挤出所述二维轮廓表示以产生所述三维形状的所述更新版本的三维表示，其中所述三维表示具有法线垂直于所述铣削方向的侧面；从具有法线垂直于所述铣削方向的侧面的所述三维表示的组合形成所述建模对象的所述三维形状的下一版本；以及至少重复所述执行、所述更新、所述生成、所述挤出和所述形成直到已经执行预定义次数的形状修改迭代，所述设计空间中的所述建模对象的所述生成式设计的三维形状满足所述一个或多个设计标准和所述一个或多个使用中载荷情况或这两者；以及由所述计算机辅助设计程序提供所述建模对象的所述生成式设计的三维形状以用于使用采用所述2.5轴减材制造过程的一个或多个计算机控制的制造系统来制造所述物理结构。
[0008]所述生成可包括通过确定所述三维形状的所述更新版本的既位于对应的离散层内又位于相对于所述铣削方向在所述对应的离散层上方的所述离散层中的任一者内的一个或多个部分的廓影来生成所述对应的离散层的所述二维轮廓表示中的每一者。所述铣削方向可包括具有相应的离散层集的两个或更多个铣削方向，可对所述两个或更多个铣削方向中的每一者执行所述生成以产生所述三维形状的所述更新版本的相应的二维轮廓表示集，可对所述两个或更多个铣削方向中的每一者执行所述挤出以产生具有法线垂直于所述相应的两个或更多个铣削方向的侧面的相应的三维表示集，并且所述形成可包括：对所述相应的三维表示集中的所述三维表示执行布尔并集，以针对所述两个或更多个铣削方向中的每一者产生一个或多个三维体；以及对针对所述两个或更多个铣削方向产生的所述三维体执行布尔交集，以形成所述建模对象的所述三维形状的所述下一版本。
[0009]所述迭代地修改可包括对于多次迭代中的每一者，通过将来自先前迭代的所述三维形状的所述下一版本与来自所述先前迭代的所述三维形状的所述更新版本进行混合来产生所述建模对象的所述三维形状的所述当前版本，其中对于所述多次迭代中的两个或更多个后续迭代中的每一者，所述混合所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，所述方法包括：由计算机辅助设计程序获得对应的物理结构将使用2.5轴减材制造过程来制造的建模对象的设计空间、所述建模对象的一个或多个设计标准以及所述物理结构的一个或多个使用中载荷情况；由所述计算机辅助设计程序根据所述一个或多个设计标准和所述一个或多个使用中载荷情况在所述设计空间中迭代地修改所述建模对象的生成式设计的三维形状，包括修改所述三维形状的几何形状和所述三维形状的拓扑两者，其中所述迭代地修改包括：根据所述三维形状的当前版本和所述一个或多个使用中载荷情况来执行所述建模对象的数值模拟，以产生所述建模对象的物理响应的当前数值评估；基于所述物理响应的所述当前数值评估来更新所述三维形状的所述当前版本，以产生所述建模对象的所述三维形状的更新版本；生成所述三维形状的所述更新版本的二维轮廓表示，其中所述二维轮廓表示对应于垂直于所述2.5轴减材制造过程的铣削方向的离散层；沿着所述铣削方向挤出所述二维轮廓表示，以产生所述三维形状的所述更新版本的三维表示，其中所述三维表示具有法线垂直于所述铣削方向的侧面；从具有法线垂直于所述铣削方向的侧面的所述三维表示的组合形成所述建模对象的所述三维形状的下一版本；以及至少重复所述执行、所述更新、所述生成、所述挤出和所述形成直到已经执行预定义次数的形状修改迭代，所述设计空间中的所述建模对象的所述生成式设计的三维形状满足所述一个或多个设计标准和所述一个或多个使用中载荷情况或这两者；以及由所述计算机辅助设计程序提供所述建模对象的所述生成式设计的三维形状以用于使用采用所述2.5轴减材制造过程的一个或多个计算机控制的制造系统来制造所述物理结构。2.如权利要求1所述的方法，其中所述生成包括通过确定所述三维形状的所述更新版本的既位于对应的离散层内又位于相对于所述铣削方向在所述对应的离散层上方的所述离散层中的任一者内的一个或多个部分的廓影来生成所述对应的离散层的所述二维轮廓表示中的每一者。3.如权利要求2所述的方法，其中所述铣削方向包括具有相应的离散层集的两个或更多个铣削方向，对所述两个或更多个铣削方向中的每一者执行所述生成以产生所述三维形状的所述更新版本的相应的二维轮廓表示集，对所述两个或更多个铣削方向中的每一者执行所述挤出以产生具有法线垂直于所述相应的两个或更多个铣削方向的侧面的相应的三维表示集，并且所述形成包括：对所述相应的三维表示集中的所述三维表示执行布尔并集，以针对所述两个或更多个铣削方向中的每一者产生一个或多个三维体；以及对针对所述两个或更多个铣削方向产生的所述三维体执行布尔交集，以形成所述建模对象的所述三维形状的所述下一版本。4.如权利要求2所述的方法，其中所述迭代地修改包括对于多次迭代中的每一者，通过将来自先前迭代的所述三维形状的所述下一版本与来自所述先前迭代的所述三维形状的所述更新版本进行混合来产生所述建模对象的所述三维形状的所述当前版本，其中对于所
述多次迭代中的两个或更多个后续迭代中的每一者，所述混合所使用的所述下一版本的量相对于所述更新版本的量增加，直到所述更新版本和所有的所述下一版本在所述修改的下一迭代中都不用作所述建模对象的所述三维形状的所述当前版本。5.如权利要求2所述的方法，其中所述建模对象的所述生成式设计的三维形状包括所述建模对象的隐式表面的水平集表示，并且所述更新包括根据基于所述物理响应的所述当前数值评估为所述隐式表面计算的形状改变速度来更新所述水平集表示。6.如权利要求5所述的方法，其中所述迭代地修改包括在所述挤出之前：将所述二维轮廓表示中的每一者向外偏移至少等于可用于与所述一个或多个计算机控制的制造系统一起使用的最小铣削刀具的半径的量；以及随后将所述二维轮廓表示中的每一者向内偏移所述量。7.如权利要求6所述的方法，所述方法包括基于在所述2.5轴减材制造过程期间针对二维轮廓表示铣削一个离散层而需要刀具穿透到所述物理结构中的量来设置将所述离散层中的一者的所述二维轮廓表示偏移的所述量。8.如权利要求7所述的方法，其中生成所述对应的离散层的所述二维轮廓表示包括将射线沿着所述铣削方向穿过所述隐式表面的所述水平集表示从最上面离散层的顶部部分向下投射到所述对应的离散层的底部部分，并且其中所述设置包括将所述量设置为(i)可用的所述最小铣削刀具的所述半径和(ii)差值的预定义分数中的最大值，所述预定义分数大于零且小于一。9.如权利要求7所述的方法，所述方法包括：将所述二维轮廓表示进行比较以至少识别相对于所述铣削方向在第二轮廓表示上方的第一轮廓表示，其中所述第一轮廓表示的第一部分与所述第二轮廓表示的第二部分之间的距离低于阈值距离；改变所述第一轮廓表示的所述第一部分以匹配所述第二轮廓表示的所述第二部分；以及在所述第一部分的任一侧上修改所述第一轮廓表示以移除所述第一轮廓表示中的由所述改变引起的任何不连续性。10.如权利要求5所述的方法，其中修改所述三维形状的所述拓扑包括在使用针对所述二维轮廓表示中的至少一者生成的中心线选择的位置处将空隙插入所述水平集表示中，以在所述迭代地修改的多次迭代中的至少一些期间改变所述隐式表面。11.如权利要求1所述的方法，其中所述更新包括：对所述相应的离散层中的所述当前数值评估进行过滤，以产生经过滤的物理评估，所述经过滤的物理评估在所述更新期间促成与所述2.5轴减材制造过程相符的所述三维形状的所述隐式表面的所述几何形状的修改；以及根据所述经过滤的物理评估来更新所述三维形状的所述当前版本。12.如权利要求11所述的方法，其中所述建模对象的所述生成式设计的三维形状包括所述隐式表面的水平集表示，并且所述过滤包括：在所述离散层中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J严，RK伯拉，J罗德里格斯，BM维斯，N李，
申请(专利权)人：欧特克公司，
类型：发明
国别省市：