一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法技术

本发明专利技术公开了一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，对待3D打印的物品进行扫描，得到物品的点云数据，然后利用点云数据重构物品的三维结构体；针对物理场对三维结构体内部区域进行划分，确定划分后的区域需要填充的不同尺寸的轻量化支撑结构，对不同尺寸的轻量化支撑结构进行拼接；将拼接好的轻量化支撑结构进行布尔运算，然后将经过布尔运算的轻量化支撑通过点云信息重组以及三角面片重组，将三维结构体与轻量化支撑结构合并，得到能够用于3D打印的结构体。该方法可以在模型内部区域填充不同尺寸的轻量化支撑结构，以有效的节省打印材料，并能够实现在不同的位置使用不同轻量化支撑结构的目标。轻量化支撑结构的目标。轻量化支撑结构的目标。

【技术实现步骤摘要】
一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法


[0001]本专利技术属于增材制造中对数字模型进行轻量化支撑结构设计
，具体涉及一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法。

技术介绍

[0002]多孔支架的研究引起了科学界和工业界的广泛关注，在众多的工程领域具有重要意义，在泡沫金属传热、高渗透结构制造、膜蒸馏结构优化等方面发挥着关键作用。针对不同形状的CAD模型，轻量化结构体与CAD模型之间存在显著的关联，轻量化支撑结构体可以提供更好的支撑和可控制的孔隙率密度，为所需设计的模型提供更鲁棒的机械性能。同时针对不同的CAD模型，在使用3D打印机打印时需要进行轻量化支撑结构体的填充，而填充时根据不同的物理特性会有多种选择。
[0003]Qureshi等人表明，基于TPMS的相变材料在潜热储能系统中具有良好的应用潜力。结果表明，当使用TPMS类型的单元结构时，热导率显著提高，其中主要的影响因素是单元晶格类型、结构和孔隙率。
[0004]Rueger等人提出了一种在拐角处带有灵活链接的旋转立方体组成的三维晶格结构。它存在各向异性的负泊松比，扭转和弯曲时会出现尺寸效应，这些效应与Cosserat弹性一致，同时Cosserat弹性结构体对应变梯度表现出较大的敏感性。
[0005]Ozdemir等人进行了霍普金森压杆(HPB)试验表明，立方晶格和菱形晶格结构能够及时分散冲击载荷并降低峰值冲击应力，确定了载荷变形特性的显著速率依赖性。
[0006]Liang等人通过选择性激光熔化(SLM)制备了基于菱形十二面体微观结构的多孔铁基金属玻璃(MG)基复合材料，然后将其应用于催化降解cibacron亮红色3B
‑
A(BR3B
‑
A)染料溶液。SLM制备的多孔铁基MG基质复合材料具有优异的整体催化能力、高反应速率常数和低活化能。
[0007]将基于各种晶格结构的设计融入到数值算法中的技术是启发式的，且引起了人们对不同类别的集成优化算法的广泛关注。Garner等人提出了一种基于微观结构拓扑优化的多尺度方法。他们的方法包含了功能梯度材料和多尺度结构，且推广到了综合考虑长度梯度和各向同性的特征。他们在一系列广泛的研究中，针对最大体积模量进行了研究，结果表明，单个细胞的体积模量达到了Hashin
‑
Shtrikman模型预测的理论边界，即意味着兼容性的优化不会影响单个细胞的性能。
[0008]Li等人提出了一种方法，将基于周期性极小曲面的算法和随机策略相结合，以控制六面体网格中的平均孔径。通过将周期性极小曲面的孔隙映射到六面体网格中，使多孔支架具有更大的自由度和灵活性，然后采用增材制造技术来制造多孔支架。
[0009]Gao等人提出了用于蜂窝复合结构多尺度设计的并行拓扑优化算法，采用改进的SIMP方法实现并发拓扑设计，并基于能量的均质化方法(EBHM)评估了微观结构的宏观有效性能。
[0010]Yu等人提出了一种高效和系统化的基于PFM的多尺度拓扑优化方法。该方法采用
了多区域微观结构的复合设计算法，在满足各种约束的条件下，对目标函数进行优化。为了将晶格结构的计算特点与结构尺寸相结合，并在设计过程中降低多孔支架的设计复杂性，针对理论设计空间的局限性，构建了一种有效的数值方法。
[0011]由于物理场景中的数字模型由大量数据组成，这些数据由顶点连接的三角形组成，因此对于复杂的操作条件，应使用具有统一规范的文件。近十年来，如何将数字模型的多级设计与有限的存储空间和简单的计算操作相结合一直是热点的研究方向。
[0012]Navangul等人开发了一种算法，用于选择性地修改STL文件，以实现零件特征上规定的所需公差。在其设计过程中，消除了缺陷零件，减少了增材制造框架下的材料支出。Stroud等人提出了扩展的STL格式，以克服STL文件格式冗余、近似方法粗糙等缺陷。从而获得较小的最终模型并允许更快的几何处理，并能够重建精确的物体几何形状，从而避免体积畸变，以一致地控制切片和层近似，以及提供了一种允许附加制造信息的机制。
[0013]Zha等人提出了一种新的STL修改算法，称为基于曲面的修改算法(SMA)。基于零件单个表面的弦误差、轮廓误差和圆柱度误差，SMA选择性和自适应地修改STL模型中的某些STL曲面，以减少模型的尖点高度，而不会增加不必要的文件大小。
[0014]以上方法虽然针对STL文件的存储空间、处理速度等方面进行了一定的改进，但是依然存在一些缺点。目前的3D打印机针对给定的STL文件进行打印时，是根据现有的算法对三维结构体内部进行轻量化支撑结构的填充，通常是无差别的填充较为基本的单元，填充的轻量化支撑结构尺寸相同且单一，目的只是为了将STL支撑起来。这样的操作会产生以下三个缺点：1)打印出来的模型不具有一个较好的物理性质，例如刚度或抗弯曲等要求；2)填充的轻量化支撑结构尺寸大小相同，会使打印材料的成本增加；3)填充的轻量化支撑结构单一，不能实现在模型中的不同区域填充不同轻量化支撑结构的目标。

技术实现思路

[0015]针对现有技术中的问题，本专利技术的目的是提供一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，该方法可以在模型内部区域填充不同尺寸的轻量化支撑结构，以有效的节省打印材料，并能够实现在不同的位置使用不同轻量化支撑结构的目标。
[0016]一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，包括以下步骤：
[0017]1)对待3D打印的物品进行扫描，得到物品的点云数据，然后利用点云数据重构出物品的三维结构体；
[0018]2)针对物理场对三维结构体内部区域进行划分，确定划分后的区域需要填充的不同尺寸的轻量化支撑结构，对不同尺寸的轻量化支撑结构进行拼接；
[0019]3)将拼接好的轻量化支撑结构进行布尔运算，然后将经过布尔运算的轻量化支撑结构放置进三维结构体内部；将三维结构体与轻量化支撑结构合并，得到能够用于3D打印的结构体。
[0020]进一步的，利用3D扫描仪对待3D打印的物品进行扫描。
[0021]进一步的，物理场为应力场、符号距离场或温度场。
[0022]进一步的，根据插值方法对不同尺寸的轻量化支撑结构进行拼接。
[0023]进一步的，插值方法采用的插值公式为：
[0024]φ
scaffold
(x,y,z)＝f(x,y,z)φ1(x,y,z)+(1
‑
f(x,y,z))φ2(x,y,z)
[0025]式中，f表示在0到1之间变化的连续加权函数，φ1及φ2表示两个不同尺寸大小或不同类型的轻量化支撑结构；
[0026]f(x,y,z)＝1/(1+expkG(x,y,z))
[0027]式中，G为描述过渡位置的函数，k是用于控制过渡梯度的参数。
[0028]进一步的，将三维结构体与轻量化支撑结构合并，得到能够用于3D打印的结构体，包括以下步骤：
[0029]将三维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对待3D打印的物品进行扫描，得到物品的点云数据，然后利用点云数据重构出物品的三维结构体；2)针对物理场对三维结构体内部区域进行划分，确定划分后的区域需要填充的不同尺寸的轻量化支撑结构，对不同尺寸的轻量化支撑结构进行拼接；3)将拼接好的轻量化支撑结构进行布尔运算，然后将经过布尔运算的轻量化支撑结构通过点云信息重组以及三角面片重组，将三维结构体与轻量化支撑结构合并，得到能够用于3D打印的结构体。2.根据权利要求1所述的一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，其特征在于，利用3D扫描仪对待3D打印的物品进行扫描。3.根据权利要求1所述的一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，其特征在于，物理场为应力场、符号距离场或温度场。4.根据权利要求1所述的一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，其特征在于，根据插值方法对不同尺寸的轻量化支撑结构进行拼接。5.根据权利要求1所述的一种面向多晶格结构自适应合并与重组的普适方法，其特征在于，插值方法采用的插值公式为：φ
scaffold
(x,y,z)＝f(x,y,z)φ1(x,y,z)+(1
‑
f(x,y,z))φ2(x,y,z)式中，f表示在0到1之间变化的连续加权函数，φ1及φ2表示两个不同尺寸大小或不同类型的轻量化支撑结构；f(x,y,z)＝1/(1+expkG(x,...

【专利技术属性】
技术研发人员：李义宝，朱军霞，夏青，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：