对层边界进行确定以促进2.5轴减材制造工艺的计算机辅助生成式设计制造技术

本文描述了用于使用生成式设计过程来对物理结构进行计算机辅助设计的包括介质编码的计算机程序产品在内的方法、系统和设备，其中产生物理结构的3D模型以促进使用2.5轴减材制造系统和技术来制造物理结构，所述方法、系统和设备包括：获得设计空间、设计标准和在用案例；根据设计标准和在用案例，使用生成式设计的形状的基于密度的表示在设计空间中迭代修改生成式设计的形状，并且包括在迭代修改的至少两次迭代中根据2.5轴减材制造工艺的铣削方向，调整生成式设计的三维形状的基于密度的表示；以及提供生成式设计的形状以用于使用采用2.5轴减材制造工艺的计算机控制的制造系统来制造物理结构。来制造物理结构。来制造物理结构。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对层边界进行确定以促进2.5轴减材制造工艺的计算机辅助生成式设计
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求以专利技术人David Jon Weinberg和Nam Ho Kim的名义于2020年5月20日提交的美国专利申请号16/879,547的优先权，并在此通过引用并入。

技术介绍

[0003]本说明书涉及可以使用增材制造、减材制造和/或其他制造系统和技术来制造的物理结构的计算机辅助设计。
[0004]计算机辅助设计(CAD)软件已经被开发并且用于生成对象的三维(3D)表示，并且计算机辅助制造(CAM)软件已经被开发并且用于评估、计划和控制那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)。通常，CAD软件使用边界表示(B
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Rep)格式存储正在被建模的对象的几何图形的3D表示。B
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Rep模型是一组连接的表面元素，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。在B
‑
Rep模型(通常称为B
‑
Rep)中，几何图形使用平滑和精确的数学曲面存储在计算机中，这与网格模型的离散和近似曲面形成对比，网格模型可能难以在CAD程序中使用。
[0005]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部分原料而从原料(通常是比3D对象大的“坯件”或“工件”)创建3D对象的任何制造过程。此类制造过程通常涉及在从粗加工操作、可选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加工，其他减材制造技术包括电极放电加工、化学加工、水射流加工等。相反，增材制造，还称为实体自由成形制造或3D打印，是指在一系列层或横截面中由原始材料(一般是粉末、液体、悬浮液或熔融固体)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)。
[0006]此外，CAD软件已经被设计为使用拓扑优化(生成式设计)对要制造的一个零件或更大的零件系统中的一个或多个零件执行3D几何图形的自动生成。这种3D几何图形的自动生成通常受限于CAD软件用户指定的设计空间，并且3D几何图形生成通常受设计目标和约束的支配，这些目标和约束可以由CAD软件的用户或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)可以用于推动几何图形生成过程朝着更好的设计方向发展。设计约束可以包括对单独零件的结构完整性约束(即，在零件的使用期间在预期结构负载下零件不会失效的要求)和由更大系统施加的物理约束(即，零件在使用期间不干扰系统中的另一零件的要求)。此外，设计约束的示例包括最大质量、负载下的最大变形、最大应力等。
[0007]生成式设计过程的输入可以包括一组输入实体(B
‑
Rep输入)，该组输入实体指定生成式设计过程的边界条件，但许多现代生成式设计求解器并不直接在其输入实体的精确表面边界表示上运行。相反，B
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Rep被采样并替换为体积表示，诸如水平集或四面体网格或六面体网格，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
体集可以包括“保留体”，它们应始终存在于设计中，并表示与应该应用边界条件(例如机械载荷和约束)的其他零件或位置的界面。其他应该或不应该生成几何图形的区域也可以以类似的方式提供，诸如定义“障碍体”的输入实体，其表示不应生成新几何图形的区域。

技术实现思路

[0008]本说明书描述了与使用生成式设计过程对物理结构进行计算机辅助设计相关的技术，其中产生物理结构的三维(3D)模型以促进使用2.5轴减材制造系统和技术制造物理结构。减材制造技术可以包括2轴、2.5轴、3轴或更多轴铣削；2轴铣削切穿工件，无法调整铣头高度水平；3轴铣削在于三个单独的维度上移动铣刀(例如同时)的同时切穿工件；2.5轴铣削可以使用3轴铣床，因为铣刀(或铣刀和夹具支架的组合)可以在所有三个单独的维度上移动，但在大多数切削操作期间，铣刀是仅相对于工件在2个轴上移动，从而提高了制造过程的效率。
[0009]一般而言，本说明书中描述的主题的一个或多个方面可以体现在一种或多种方法中(并且还体现在一种或多种非暂时性计算机可读介质中，所述非暂时性计算机可读介质对计算机程序进行有形编码，所述计算机程序可操作以使数据处理设备执行操作)，所述方法包括：通过计算机辅助设计程序获得要使用2.5轴减材制造工艺制造其对应物理结构的建模对象的设计空间、建模对象的一个或多个设计标准、以及物理结构的一个或多个在用案例；通过计算机辅助设计程序，根据一个或多个设计标准和一个或多个在用案例，在设计空间中对建模对象的生成式设计的三维形状进行迭代修改，其中迭代修改采用建模对象的生成式设计的三维形状的基于密度的表示，并且迭代修改包括根据2.5轴减材制造工艺在迭代修改的至少两次迭代中的铣削方向，调整生成式设计的三维形状的基于密度的表示；以及通过计算机辅助设计程序提供建模对象的生成式设计的三维形状以用于使用采用2.5轴减材制造工艺的一个或多个计算机控制的制造系统制造物理结构。此外，所述调整包括：收集与生成式设计的三维形状的基于密度的表示中的各个元素的不同子集相关联的不同铣削深度；将不同的铣削深度分组到三个或更多个离散层中的相应层中，这三个或更多个离散层中的每一层都垂直于2.5轴减材制造工艺的铣削方向；以及改变基于密度的表示中的各个元素的至少一部分的密度值，使得为三个或更多个离散层中的每一层产生单个铣削深度。
[0010]所述方法(或由数据处理设备根据有形地编码在一个或多个非暂时性计算机可读介质中的计算机程序执行的操作)可以包括分组，所述分组包括：对不同的铣削深度进行排序以产生排序的铣削深度值；识别排序的铣削深度值中的两个或更多个最大差值；基于排序的铣削深度值内的与两个或更多个最大差值相关的每个子集的铣削深度的位置，将各个元素的每个不同子集中的每一个分配给三个或更多个离散层中的一个；以及基于与分配给离散层的元素子集相关联的铣削深度，在三个或更多个离散层的每个相应离散层中设置单个铣削深度。所述三个或更多个离散层的数量可以是在迭代修改期间保持固定的用户输入值，或者所述数量可以在迭代修改期间改变。
[0011]所述方法(或由数据处理设备根据有形地编码在一个或多个非暂时性计算机可读介质中的计算机程序执行的操作)可以包括迭代修改，所述迭代修改包括：在至少两次迭代中：根据三维形状的当前版本和一个或多个在用案例，对建模对象执行数值模拟，以产生建
模对象的物理响应的当前数值评估；基于对建模对象的物理响应的当前数值评估，并根据2.5轴减材制造工艺的铣削方向，计算灵敏度分析数据；利用包括对物理响应的当前数值评估和灵敏度分析数据的输入，调用基于密度的拓扑优化代码，以改进生成式设计的三维形状相对于一个或多个设计标准的基于密度的表示；根据2.5轴减材制造工艺的铣削方向执行基于密度的表示的调整；以及进行迭代直到设计空间中建模对象本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，其包括：获得要使用2.5轴减材制造工艺制造其对应物理结构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在用案例；根据所述一个或多个设计标准和所述一个或多个在用案例，在所述设计空间中对所述建模对象的生成式设计的三维形状进行迭代修改，其中所述迭代修改采用所述建模对象的所述生成式设计的三维形状的基于密度的表示，并且所述迭代修改包括根据所述2.5轴减材制造工艺在所述迭代修改的至少两次迭代中的铣削方向，调整所述生成式设计的三维形状的所述基于密度的表示，所述调整包括：收集与所述生成式设计的三维形状的所述基于密度的表示中的各个元素的不同子集相关联的不同铣削深度，将所述不同的铣削深度分组到三个或更多个离散层中的相应层中，所述三个或更多个离散层中的每一层都垂直于所述2.5轴减材制造工艺的所述铣削方向，以及改变所述基于密度的表示中的所述各个元素的至少一部分的密度值，使得为所述三个或更多个离散层中的每一层产生单个铣削深度；以及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轴减材制造工艺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.根据权利要求1所述的方法，其中所述分组包括：对所述不同的铣削深度进行排序以产生排序的铣削深度值；识别所述排序的铣削深度值中的两个或更多个最大差值；基于所述排序的铣削深度值内的与所述两个或更多个最大差值相关的每个子集的铣削深度的位置，将所述各个元素的所述不同子集中的每一个分配给所述三个或更多个离散层中的一个；以及基于与分配给所述离散层的元素子集相关联的铣削深度，在所述三个或更多个离散层的每个相应离散层中设置所述单个铣削深度。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述三个或更多个离散层的数量是在所述迭代修改期间保持固定的用户输入值。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述迭代修改包括：在所述至少两次迭代中：根据所述三维形状的当前版本和所述一个或多个在用案例，对所述建模对象执行数值模拟，以产生对所述建模对象的物理响应的当前数值评估；基于对所述建模对象的所述物理响应的所述当前数值评估，并根据所述2.5轴减材制造工艺的所述铣削方向，计算灵敏度分析数据；利用包括对所述物理响应的所述当前数值评估和所述灵敏度分析数据的输入，调用基于密度的拓扑优化代码，以改进所述生成式设计的三维形状相对于所述一个或多个设计标准的所述基于密度的表示；根据所述2.5轴减材制造工艺的所述铣削方向，执行所述基于密度的表示的所述调整；以及进行迭代直到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收敛到所述一个或多个设计标准和所述一个或多个在用案例的稳定解决方案。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述基于密度的拓扑优化代码实施拓扑优化的固
体各向同性材料惩罚方法。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述收集包括：将所述生成式设计的三维形状的所述基于密度的表示中的各个元素布置成平行于所述铣削方向的铣削线，其中所述铣削线中的每一条对应于所述各个元素的所述不同子集中的一个；沿所述铣削线中的每一条聚合元素的密度，使得所述元素的所述聚合密度沿所述铣削线中的每一条单调递增；以及使用所述铣削线中的每一条中的所述聚合密度识别所述铣削线中的每一条的铣削深度。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述铣削方向是所述2.5轴减材制造工艺的两个或更多个铣削方向中的第一方向，对所述两个或更多个铣削方向中的每一个分别执行所述调整以产生相应的铣削方向特定数据集，并且所述迭代修改包括组合所述相应的铣削方向特定数据集以更新所述建模对象的所述生成式设计的三维形状的所述基于密度的表示。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述迭代修改包括在没有所述调整的情况下执行的第一组迭代，以及在所述第一组迭代之后执行的第二组迭代，所述第二组迭代包括其中执行了所述调整的所述至少两次迭代。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供包括：根据所述2.5轴减材制造工艺，使用所述建模对象的所述生成式设计的三维形状为减材制造机生成刀具路径规范；以及通过使用所述刀具路径规范的所述减材制造机制造所述物理结构的至少一部分，或用于所述物理结构的模具。10.一种系统，其包括：非暂时性存储介质，其上存储有计算机辅助设计程序的指令；以及一个或多个数据处理设备，其被配置为运行所述计算机辅助设计程序的所述指令以使所述一个或多个数据处理设备：获得要使用2.5轴减材制造工艺制造其对应物理结构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在用案例，根据所述一个或多个设计标准和所述一个或多个在用案例，在所述设计空间中对所述建模对象的生成式设计的三维形状进行迭代修改，其中所述迭代修改采用所述建模对象的所述生成式设计的三维形状的基于密度的表示，并且所述一个或多个处理设备被配置为运行所述计算机辅助设计程序的所述指令以使所述一个或多个数据处理设备根据所述2.5轴减材制造工艺在至少两次迭代中的铣削方向通过以下方式调整所述生成式设计的三维形状的所述基于密度的表示：收集与所述生成式设计的三维形状的所述基于密度的表示中的各个元素的不同子集相关联的不同铣削深度，将所述不同的铣削深度分组到三个或更多个离散层中的相应层中，所述三个或更多个离散层中的每一层都垂直于所述2.5轴减材制造工艺的所述铣削方向，以及改变所述基于密度的表示中的所述各个元素的至少一部分的密度值，使得为所述三个或更多个离散层中的每一层产生单个铣削深度，并且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轴减材制造工艺的一个或多个计算机控制的制造系统制造所述物理结构。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述一个或多个数据处理设备被配置为运行所述计算机辅助设计程序的所述指令以使所述一个或多个数据处理设备：对所述不同的铣削深度进行排序以产生排序的铣削深度值，识别所述排序的铣削深度值中的两个或更多个最大差值；基于所述排序的铣削深度值内的与所述两个或更多个最大差值相关的每个子集的铣削深度的位置，将所述各个元素的所述不同子集中的每一个分配给所述三个或更多个离散层中的一个；并且基于与分配给所述离散层的元素子集相关联的铣削深度，在所述三个或更多个离散层的每个相应离散层中设置所述单个铣削深度。12.根据权利要求10所述的系统，其中所述一个或多个数据处理设备被配置为运行所述计算机辅助设计程序的所述指令以使所述一个或多个数据处理设备：根据所述三维形状的当前版本和所述一个或多个在用案例，对所述建...

【专利技术属性】
技术研发人员：DJ温伯格，NH金，
申请(专利权)人：欧特克公司，
类型：发明
国别省市：