一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，属于汽车造型概念设计领域。步骤如下：(1)基于图像/草图的模型三维重建；(2)面向3D打印的模型结构优化；(3)面向3D打印的实体建模；(4)支撑结构的生成；(5)3D打印成型五个部分。该工艺实现了从汽车图片/草图到汽车实物模型的快速表现，在快速实现个性化实物模型的同时降低了模型加工成本，提高加工效率，而且操作简单。该工艺在汽车概念设计阶段，为汽车造型工程师提供了一个可靠的3D打印汽车造型概念模型加工工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺
本专利技术属于汽车造型概念设计领域，具体地涉及一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺。
技术介绍
近年来，3D打印技术作为一项创新性技术得到了广泛的应用。该技术在成型原理上采用层层叠加的方式，加工工艺不受实体原形复杂程度的影响，可以实现具有复杂外轮廓的形状制品制备，该技术在医学、机械、教学、艺术设计等领域有着广泛的应用。目前，3D打印技术在牙模、头部医学模型、京剧脸谱等方面的制作工艺已有公开。本专利技术公开一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，该工艺包括基于图像/草图的模型三维重建、面向3D打印的结构优化、面向3D打印的实体建模、支撑结构的生成、3D打印成型五个步骤。在3D打印汽车造型概念模型加工工艺中，其中所述基于图像/草图的模型三维重建，传统的方法根据模型图像的特征信息，手动提取模型特征曲线，根据曲线与不同视图中图像的对应关系，调节曲线位置，得到模型的空间曲线模型，然后生成三维曲面模型，该方法需要点、线、面的反复操作，且模型不能重用。本专利技术所用李宝军等(CN104392042A)“基于模型数据库的快速3D车身造型方法”，该方法是在“基于图像/草图的模型重建”方法基础上的一种改进和创新，该方法利用定义的车身特征线构建车身数据库，利用参数化模型可变形、可重用的特点，通过输入车身右视图，能够快速重建车身三维模型；在面向3D打印的模型结构优化方面有许多相关的研究，Whiting等(WhitingEJW.Designofstructurally-soundmasonrybuildingsusing3Dstaticanalysis[D].MassachusettsInstituteofTechnology,2012.)利用“拱形结构”具有自支撑的特点，将拱形结构代替原有实体结构，并通过优化拱形结构尺寸使得模型满足静力平衡要求，达到节省材料的目的。Lu等(LuL,SharfA,ZhaoH,etal.Build-to-last:Strengthtoweight3Dprintedobjects[J].ACMTransactionsonGraphics(TOG),2014,33(4):97.)提出了采用蜂窝状结构对模型进行镂空的优化方法，利用蜂窝状结构具有较高的“强度/重量”比，该结构较实体结构能够大幅度降低材料成本。Wang等(WangW,WangTY,YangZ,etal.Cost-effectiveprintingof3Dobjectswithskin-framestructures[J].ACMTransactionsonGraphics(TOG),2013,32(6):177.)构造“蒙皮—刚架”式结构优化模型，通过优化刚架中杆件的数量和体积，达到降低模型质量，提高模型稳定性的目的。以上“蜂窝状”、“拱形结构”、“蒙皮—刚架”式结构，其主要思想是通过利用轻量化的“替代结构”来代替原有模型内部实体填充结构，并在模型给定工况下优化“替代结构”的尺寸和形状达到模型轻量化的目的。本专利技术所用基于板壳结构模型的变厚度优化方法主要针对车身板壳类模型的打印，以模型板壳结构单元厚度为变量，质量最小为目标，得到满足模型强度要求的板壳最优厚度分布；所述支撑结构生成方面，树状支撑结构较传统Makerware所用支撑结构，能够降低支撑材料40％以上，且在模型后处理中，支撑结构的去除相对较容易，模型表面质量较好。该工艺特点在于综合各部分的优点，形成了针对汽车模型的制作的工艺，该工艺具有操作简单、制作周期短、成本低的优点，在汽车概念设计阶段为设计师快速表面实物模型提供了一个很好的方案。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，从汽车图片/草图到汽车实物模型打印的一整套工艺流程，该流程在快速实现个性化实物模型的同时降低模型加工成本，提高加工效率，而且操作简单。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，包含以下步骤：(一)基于图像/草图的模型三维重建本专利技术所用“一种基于模型数据库的快速3D车身造型方法，申请号201410680380.8”是在“基于图像/草图的模型三维重建”方法的一种改进，该方法具体流程如下：(1-1)定义特征线模板：按照车身结构特征对不同车型定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板。(1-2)特征线模型速配：将实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像与步骤(1-1)得到的特征线模板进行精确速配；匹配步骤：首先利用图像分割方法提取实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像，再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线，然后将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配。(1-3)建立数据库：将步骤(1-2)得到的实际二维车身图像与对应特征线模型进行匹配注册，建立模型数据库；(1-4)由实际二维车身右视图的二维特征线重建三维曲线网格：重建方式如下：a)输入车身右视图图片，通过步骤(1-2)获取实际二维车身右视图特征线，分析实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图间特征线的对应关系，选择实际二维车身右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线；b)平均3D形变模型的生成：对于不同的车型，分别建立多个3D曲线网格模型，建立3D网格模型库，将各3D曲线网格模型对应坐标值算数平均得到平均3D形变模型。c)实际二维车身右视图特征线生成3D特征线网格：利用步骤(b)中得到的平均3D形变模型，以实际二维车身右视图特征线上控制点的x方向和y方向坐标固定为刚性约束，基于稀疏重建方法求得所有3D特征线的参数。d)3D特征线的后处理：通过分析实际二维车身结构，根据迭代算法调整相连两条特征线之间的连续性关系，包括C0，C1等。e)生成车身三维曲面模型：将车身曲面分成三类：四边曲线网格曲面(TCM)、N边曲面(NSS)和边约束裁剪曲面(TS)。根据车身结构将不同特征线组合形成的模块定义为对应的曲面生成方法，实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型，将输出的车身三维曲面模型存入数据库中。同时生成相应的三维*step，*prt，*igs等格式的工业模型数据，更好的表现了设计意图。(二)面向3D打印的模型结构优化本专利技术中所用基于板壳结构模型的变厚度优化方法，该方法具体流程如下：(2-1)将步骤(一)中得到的车身三维曲面模型进行三角网格刨分，得到模型Fout，将Fout向内进行厚度为T的偏置得到模型Fin，然后缝合Fin和Fout的边界得到封闭的三角网格M，其中M内表面Fin为可变形体。(2-2)抽取三角网格M的中面Fm，根据实际车身受力工况，设定中面Fm的载荷和边界条件，建立厚度为T的等厚度有限元模型，进行有限元求解计算，得到等厚度模型的强度、刚度或模态等计算结果，由强度、刚度或模态确定在变厚度拓扑优化中模型的约束条件，使得变厚度模型满足与等厚度相同或相近的强度、刚度或者模态等结果。(2-3)对中面Fm建立变厚度优化模型，以Fm质量最小为优化目标；Fm的每个单元厚度t为设计变量，t的取值范围为(Tmin，T)，其中Tmin为打印机最小打印尺寸和能进行可靠打印的最小厚度，T为等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，其特征在于，步骤如下：(一)基于图像/草图的模型三维重建(1‑1)定义特征线模板：按照车身结构特征对不同车型定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板；(1‑2)特征线模型速配：将实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像与步骤(1‑1)得到的特征线模板进行精确速配；匹配步骤：首先利用图像分割方法提取实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像，再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线，然后将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配；(1‑3)建立数据库：将步骤(1‑2)得到的实际二维车身图像与对应特征线模型进行匹配注册，建立模型数据库；(1‑4)由实际二维车身右视图的二维特征线重建三维曲线网格：重建方式如下：a)输入车身右视图图片，通过步骤(1‑2)获取实际二维车身右视图特征线，分析实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图间特征线的对应关系，选择实际二维车身右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线；b)平均3D形变模型的生成：对于不同的车型，分别建立多个3D曲线网格模型，建立3D网格模型库，将各3D曲线网格模型对应坐标值算数平均得到平均3D形变模型；c)实际二维车身右视图特征线生成3D特征线网格：利用步骤b)中得到的平均3D形变模型，以实际二维车身右视图特征线上控制点的x方向和y方向坐标固定为刚性约束，基于稀疏重建方法求得所有3D特征线的参数；d)3D特征线的后处理：通过分析实际二维车身结构，根据迭代算法调整相连两条特征线之间的连续性关系；e)生成车身三维曲面模型：将车身曲面分成三类：四边曲线网格曲面、N边曲面和边约束裁剪曲面；根据车身结构将不同特征线组合形成的模块定义为对应的曲面生成方法，实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型，将输出的车身三维曲面模型存入数据库；同时生成相应的三维格式的工业模型数据；(二)面向3D打印的模型结构优化(2‑1)将步骤(一)中得到的车身三维曲面模型进行三角网格刨分，得到模型Fout，将Fout向内进行厚度为T的偏置得到模型Fin，然后缝合Fin和Fout的边界得到封闭的三角网格M，其中M内表面Fin为可变形体；(2‑2)抽取三角网格M的中面Fm，根据实际车身受力工况，设定中面Fm的载荷和边界条件，建立厚度为T的等厚度有限元模型，进行有限元求解计算，得到等厚度模型的强度、刚度或模态结果，由强度、刚度或模态确定在变厚度拓扑优化中模型的约束条件，使得变厚度模型满足与等厚度相同或相近的强度、刚度或者模态结果；(2‑3)对中面Fm建立变厚度优化模型，以Fm质量最小为优化目标；Fm的每个单元厚度t为设计变量，t的取值范围为(Tmin，T)，其中Tmin为打印机最小打印尺寸和进行可靠打印的最小厚度，T为等厚度偏置尺寸；以强度、刚度或者模态设为模型约束条件，对中面Fm进行变厚度优化求解计算，得到满足约束条件的中面Fm最优单元厚度分布结果，并提取中面Fm各节点所对应的厚度值；(三)面向3D打印的实体建模根据步骤(二)中得到的中面Fm各节点所对应的厚度值，利用Fm与Fin的节点相映射关系，得到Fin厚度场分布信息，然后利用节点偏置的方法对Fin变形，调节M的厚度，得到变厚度的汽车板壳结构模型m；(四)支撑结构的生成以熔融沉积成型工艺和立体光固化成型工艺型3D打印机进行打印，模型的悬垂部分需要设置支撑结构，以保证模型的可靠打印，生成支撑结构的具体流程如下：(4‑1)选择变厚度的汽车板壳结构模型打印方向对变厚度汽车板壳结构模型的打印方向空间进行均匀采样，计算模型在采样空间各个方向的支撑总长度和模型的支撑面积，根据支撑总长度和支撑面积进行模型打印方向的选择；(4‑2)检测模型悬垂部分悬垂部分包括三种：a)悬垂点：点的位置低于它的相邻点局部最低点或者全局最低点；b)悬垂面片：α为该面片所在的平面和打印方向之间的夹角，如果α大于所定义的临界角则为悬挂面片，的大小与打印机和打印材料有关，最大达到45度；c)悬垂边：其定义与悬挂面片相似，其中悬垂边的法向为与之相邻的两个面片的平均值；(4‑3)生成支撑结构：所述树状支撑结构限制为线性连接结构，生成具体流程如下：P为模型需要支撑结构支撑的点集、S为支撑结构合并的交点集、C为P点所对应的锥形体集合，其中锥形体是以顶角作圆锥，该流程的输入是一系列点P，这些点从上到下排序，步骤如下：a)计算点pi∈p所对应的锥形体ci∈C与模型m以及C中其它的锥形体的交集H；b)在H中，选择距离点pi最近的点s以及该交点s所对应的锥形体cj，如果交点s超出m的范围，则从P和C中移除相应的pi和ci，循环第1步，找到所有的s点；c)在P中插入点s，s点成为新的悬挂点，两个支撑杆，从pi点以及cj所对...

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺方法，其特征在于，步骤如下：(一)基于图像/草图的模型三维重建(1-1)定义特征线模板：按照车身结构特征对不同车型定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板；(1-2)特征线模型速配：将实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像与步骤(1-1)得到的特征线模板进行精确速配；匹配步骤：首先利用图像分割方法提取实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像，再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线，然后将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配；(1-3)建立数据库：将步骤(1-2)得到的实际二维车身图像与对应特征线模型进行匹配注册，建立模型数据库；(1-4)由实际二维车身右视图的二维特征线重建三维曲线网格：重建方式如下：a)输入车身右视图图片，通过步骤(1-2)获取实际二维车身右视图特征线，分析实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图间特征线的对应关系，选择实际二维车身右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线；b)平均3D形变模型的生成：对于不同的车型，分别建立多个3D曲线网格模型，建立3D网格模型库，将各3D曲线网格模型对应坐标值算数平均得到平均3D形变模型；c)实际二维车身右视图特征线生成3D特征线网格：利用步骤b)中得到的平均3D形变模型，以实际二维车身右视图特征线上控制点的x方向和y方向坐标固定为刚性约束，基于稀疏重建方法求得所有3D特征线的参数；d)3D特征线的后处理：通过分析实际二维车身结构，根据迭代算法调整相连两条特征线之间的连续性关系；e)生成车身三维曲面模型：将车身曲面分成三类：四边曲线网格曲面、N边曲面和边约束裁剪曲面；根据车身结构将不同特征线组合形成的模块定义为对应的曲面生成方法，实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型，将输出的车身三维曲面模型存入数据库；同时生成相应的三维格式的工业模型数据；(二)面向3D打印的模型结构优化(2-1)将步骤(一)中得到的车身三维曲面模型进行三角网格刨分，得到模型Fout，将Fout向内进行厚度为T的偏置得到模型Fin，然后缝合Fin和Fout的边界得到封闭的三角网格M，其中M内表面Fin为可变形体；(2-2)抽取三角网格M的中面Fm，根据实际车身受力工况，设定中面Fm的载荷和边界条件，建立厚度为T的等厚度有限元模型，进行有限元求解计算，得到等厚度模型的强度、刚度或模态结果，由强度、刚度或模态确定在变厚度拓扑优化中模型的约束条件，使得变厚度模型满足与等厚度相同或相近的强度、刚度或者模态结果；(2-3)对中面Fm建立变厚度优化模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝军，胡平，吕掌权，王博，杨磊，靳春宁，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21