基于多轴制造技术

本发明专利技术涉及一种基于多轴

【技术实现步骤摘要】
基于多轴3D打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法


[0001]本专利技术属于结构工程
，尤其涉及一种基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法，多轴指
3D
打印的旋转轴总数大于3轴，包括打印头的旋转轴和底座的旋转轴
。

技术介绍

[0002]近年来
3D
打印技术逐渐在机械建筑
、
航空航天和生物医学等众多行业得以广泛应用
。
然而，传统
3D
打印采用的是三轴配置，在制造过程中需要添加额外支撑结构，从而带来材料浪费以及支撑结构拆除难度的问题，而对于金属
3D
打印，拆除支撑结构甚至会损坏成型的构件
。
[0003]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
。
然而，
3D
打印仍需满足相应的制造约束，以确保打印过程的成功
。
在各种制造约束中，由重力引起的悬垂效应是
3D
打印的主要制造约束之一
。
当结构边界与水平面夹角小于临界值时，重力会导致材料在沉积过程中发生塌陷现象，从而影响结构的打印质量，甚至导致打印失败
。
这一制造约束极大地限制了
3D
打印制造复杂几何形状构件的能力
。
[0004]为了克服悬垂效应，目前常用的一种方法是在悬垂部位添加支撑结构，但该方法会引入额外的材料消耗，并且对于某些材料后期难以去除
。
另一种方法则是从结构设计的角度出发，引入角度约束进行优化设计，以获得能够在特定角度下自支撑的最优结构形态
。
然而，目前该这种方法主要集中在3轴
3D
打印上，虽然可以获得自支撑结构，但在某些情况下可能会导致材料的浪费和结构性能的降低
。
[0005]与三轴方法相比，多轴
3D
打印通过引入可旋转打印平台等方式以获得更多的自由度，使得打印方向可在打印过程中动态变化，对应切片层不再局限于平面，以实现更高的制造灵活性，从而有助于缓解甚至解决悬垂效应带来的支撑问题
。
作为一种前景广阔的制造方法，多轴
3D
打印技术的无支撑工艺路径规划是该领域的热点研究问题
。
[0006]在结构优化与多轴
3D
打印相结合方面，目前已有一种新的思路，即先将设计域分解为多个分区，然后利用优化方法确定每个分区的局部打印方向
。
然而，该方法主要适用于二维桁架结构，在解决三维桁架问题时会遇到数值计算困难
。
因此，研究一种基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法是十分必要的
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法
。
[0008]这种基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法，包括以下步骤：
[0009]S1、
识别给定结构的打印曲面：输入桁架设计参数后，进行
3D
设计域分割并表示局部打印方向，然后建立打印面连续约束，限制相邻分区的投影旋转角，进行
3D
打印面优化得到优化的打印路径；
[0010]S2、
一体优化结构：在步骤
S1
优化问题的基础上，引入优化结构悬垂违反特征最少
、
约束构件节点和分区不缩小到无限小的约束条件，对结构打印路径进行半一体优化迭代，直至确定初始解而实现完全自支撑；
[0011]S3、3D
打印一体制造：对步骤
S2
得到的优化结果进行
3D
建模，实体模型切片和打印路径生成后进行无支撑打印制造
。
[0012]作为优选，步骤
S1
中：
3D
打印面优化的表达式为
[0013][0014][0015][0016][0017][0018]φ
x
，
t
≤
φ
t
，
max
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1f)
[0019]φ
y
，
t
≤
φ
t
，
max
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1g)
[0020][0021][0022]式中，
β
μ
，
v
，
w
，
γ
μ
,v,w
分别是各构件悬垂角度在
xoz、yoz
平面上的投影；
φ
x
，
μ
，
v
，
w
，
φ
y
，
μ
，
v
，
w
分别是各分区局部打印方向在
xoz、yoz
平面上的投影；
θ
x
，
μ
，
v
，
w
，
θ
y
，
μ
，
v
，
w
分别是各构件方向角在
xoz、yoz
平面上的投影，
φ
max
是设定的最大悬垂角度；
e
是0‑1映射矩阵，用于将节点坐标与所属分区联系起来；
μ
，
v
，
w
分别是分区的索引，
n
μ
、n
v
和
n
w
分别是分区的行
、
列和深度的数量；
φ
t
，
max
是最大打印旋转角度；
φ
x
，
t
、
φ
y
，
t
分别是各分区局部打印方向在
xoz、yoz
平面上的投影旋转角；是投影相对参数；
v
μ
,v,w
是各分区的体积；；分别表示分区的行
、
列和深度在设计域该方向边界范围内
。
[0023]式
(1a)
是优化目标，式
(1b)
～
(1c)
是投影后的悬垂约束，式
(1d)
～
(1e)
是打印面连续性约束，式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
识别给定结构的打印曲面：输入桁架设计参数后，进行
3D
设计域分割并表示局部打印方向，然后建立打印面连续约束，限制相邻分区的投影旋转角，进行
3D
打印面优化得到优化的打印路径；
S2、
一体优化结构：在步骤
S1
优化问题的基础上，引入优化结构悬垂违反特征最少
、
约束构件节点和分区不缩小到无限小的约束条件，对结构打印路径进行半一体优化迭代，直至确定初始解而实现完全自支撑；
S3、3D
打印一体制造：对步骤
S2
得到的优化结果进行
3D
建模，实体模型切片和打印路径生成后进行无支撑打印制造
。2.
根据权利要求1所述的基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法，其特征在于，步骤
S1
中：
3D
打印面优化的表达式为打印面优化的表达式为打印面优化的表达式为打印面优化的表达式为打印面优化的表达式为
φ
x
，
t
≤
φ
t
，
max
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1f)
φ
y
，
t
≤
φ
t
，
max
e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1g)(1g)
式中，
β
μ
，
v
，
w
，
γ
μ
，
v
，
w
分别是各构件悬垂角度在
xoz、yoz
平面上的投影；
φ
x
，
μ
，
v
，
w
，
φ
y
，
μ
，
v
，
w
分别是各分区局部打印方向在
xoz、yoz
平面上的投影；
θ
x
，
μ
，
v
，
w
,
θ
y
，
μ
，
v
，
w
分别是各构件方向角在
xoz、yoz
平面上的投影，
φ
max
是设定的最大悬垂角度；
e
是0‑1映射矩阵，用于将节点坐标与所属分区联系起来；
μ
，
v
，
w
分别是分区的索引，
n
μ
、n
e
和
n
w
分别是分区的行
、
列和深度的数量；
φ
t
，
max
是最大打印旋转角度；
φ
x
，
t
、
φ
y
，
t
分别是各分区局部打印方向在
xoz、yoz
平面上的投影旋转角；是投影相对参数；
v
μ
，
y
，
w
是各分区的体积；分别表示分区的行
、
列和深度在设计域该方向边界范围内
。
式
(1a)
是优化目标，式
(1b)
～
(1c)
是投影后的悬垂约束，式
(1d)
～
(1e)
是打印面连续性约束，式
(1f)
～
(1g)
是相邻分区的投影旋转角约束
。3.
根据权利要求2所述的基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法，其特征在于，步骤
S1
中：进行
3D
设计域分割并表示局部打印方向时，先将各分区的局部打印方向和构件方向投影到
xoz
和
yoz
平面上，随后按照二维方法考虑每个面上的悬垂约束；其中打印面与局部打印方向垂直，投影后的悬垂约束表达式为
β
＝
|
φ
x
e
‑
θ
x
‑
φ
max
e|+|
φ
x
e
‑
θ
x
+
φ
max
e|
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2a)
γ
＝
|
φ
y
e
‑
θ
y
‑
φ
max
e|+|
φ
y
e
‑
θ
y
+
φ
max
e|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2b)
式中，
β
、
γ
分别是各构件悬垂角度在
xoz
和
yoz
平面上的投影；
φ
x
、
φ
y
分别是各分区局部打印方向在
xoz
和
yoz
平面上的投影；
θ
x
、
θ
y
分别是各构件方向角在
xoz
和
yoz
平面上的投影
。4.
根据权利要求2所述的基于多轴
3D
打印的三维自支撑桁架优化设计及制造方法，其特征在于，步骤
S1
中：建立打印面连续约束局的具体方法为，相邻局部打印面在中间平面上共享一条共同的投影线，对应的打印面连续性约束表达式为共享一条共同的投影线，对应的打印面连续性约束表达式为
5.
根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶俊，全冠，王震，赵阳，戴小伟，汤慧萍，林晓阳，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：