【技术实现步骤摘要】
多轴3D打印两步优化设计及制造方法
[0001]本专利技术属于结构工程和增材制造
，尤其涉及一种多轴3D打印两步优化设计及制造方法。多轴指3D打印旋转轴总数大于3轴，包括打印机头旋转轴和变位装置旋转轴。
技术介绍
[0002]相比于传统制造工艺，3D打印技术具有高效率、高精度等优势，更加适应复杂结构的加工制造。随着现代工程结构趋于复杂化和个性化，复杂结构件3D打印的需求也不断增加，传统结构设计方法往往难以实现，拓扑优化为此提供了一种有效解决方案。经拓扑优化后的结构具有优良的力学性能、合理的材料分布，但几何构造往往较为复杂。
[0003]3D打印仍需结构符合相应制造约束以确保打印成功；在诸多制造约束中，重力导致的悬垂效应是主要制造约束之一。悬垂效应即当结构边界与水平面夹角小于临界值时，由于重力的存在，材料沉积过程会出现塌落现象，影响结构打印质量，甚至导致打印失败。克服悬垂效应的一种有效方法是从结构设计角度出发，在结构优化设计中引入角度约束以获得满足角度制造约束的最优力学性能结构。目前相关研究主要集中在机械臂的3轴...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多轴3D打印两步优化设计及制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、第一步设计：首先采用无悬垂约束拓扑优化获得最优结构，然后进行打印分区域划分，对划分出的不同打印分区域计算局部最优打印方向；如果不可打印比率小于阈值σ
r
，则优化终止进入步骤S3，如果不可打印比率大于等于阈值σ
r
，进入步骤S2；S2、第二步设计：考虑悬垂约束，将局部最优打印方向作为单元悬垂角度约束，并加入单元水平邻域单元密度约束项以避免优化过程的悬垂特征；采用一体化拓扑优化进行含角度约束的一体化拓扑优化，同时进行灵敏度分析，抑制不可打印单元，从而获得自支撑结构；S3、多轴3D打印制造：提取优化结构信息，建立3D实体模型，分区切片并生成打印路径，进行自支撑结构多轴3D打印制造。2.根据权利要求1所述的多轴3D打印两步优化设计及制造方法，其特征在于，步骤S1中：无悬垂约束拓扑优化的方法具体为，采用基于密度的SIMP模型，考虑自由形态，将涉及拓扑优化的设计域内各单元密度ρ＝ρ1,ρ2,...,ρ
nele
作为设计变量，结构拓扑优化的表达式为式中，U为整体位移向量；F为整体节点荷载向量；K为总刚度矩阵；目标函数C(ρ)为外力作用下总应变能；v
i
为第i个单元体积；f为空间占比；涉及拓扑优化的设计域内各单元密度ρ取值为0～1。3.根据权利要求1所述的多轴3D打印两步优化设计及制造方法，其特征在于，步骤S1中：通过对整个设计域进行网格离散或采用人工划分方法对打印分区域进行划分；人工划分方法具体为，采用Harris或SUSAN角点检测算法获得简单结构的结构角点，并将角点作为分区域顶点划分，得到的矩形分区域即为打印分区域。4.根据权利要求1所述的多轴3D打印两步优化设计及制造方法，其特征在于，步骤S1中：每个打印分区域的最佳打印方向由打印分区域中边界单元的倾斜方向决定，边界单元为相邻集合中具有空单元的单元，边界单元的判定表达式为，式中，值用于表征单元是否为边界单元，当某单元为边界单元时其值为1，当某单元为内部单元时其值为0；采用卷积核获取单元密度梯度方向，转换获得边界单元的倾斜方向，并考虑各个打印分区域中边界单元的可打印性，以确定各个打印分区域的局部最优打印方向；
采用卷积核获取单元密度梯度方向，单元密度梯度方向描述为：式中，x
j
、y
j
为单元坐标位置；在设计域边缘中引入边缘附加单元，与基台相邻的设计域边缘附加单元密度设置为1，其他设计域边缘附加单元密度设置为0；将单元密度梯度方向转换为结构边界的倾斜方向，结构边界的倾斜方向为结构边界与x轴间的夹角，结构边界的倾斜方向与单元密度梯度方向正交；对于不同象限的单元密度梯度方向，对应结构边界的倾斜方向为：式中，为处于0和π之间的结构边界倾斜方向，为单元密度梯度向量。5.根据权利要求4所述的多轴3D打印两步优化设计及制造方法，其特征在于：与基台相邻的单元均设为无效边界单元，同时也为设计域第1层；当垂直打印方向上不可打印单元出现在第i层，此时第i层以下单元均视为无效边界单元；满足下式的单元也视为无效边界单元，b
i
≤ω|a
i
|
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(5)式中，为基台允许转动角度，取θ为最大悬...
【专利技术属性】
技术研发人员：王震，叶俊，赵阳，朱凯昱，陆泓家，汤慧萍，丁智，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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