一种三维打印方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维打印方法，包括获取打印物体的三维网格模型；确定所述打印物体的三维打印参数，所述三维打印参数包括蒙皮参数和/或刚架参数，所述蒙皮参数包括蒙皮层厚度以及蒙皮层外形尺寸，所述刚架参数包括支撑杆个数、支撑杆半径、支撑杆长度以及节点位置，所述节点为支撑杆间的连接点，所述刚架支撑所述蒙皮层；根据所述三维打印参数进行打印。三维打印参数包括蒙皮参数和/或刚架参数，刚架支撑蒙皮层，实现在打印蒙皮表面的同时，在物体内部嵌入刚架结构作支撑，降低打印材料成本，使打印物体满足所要求的物理强度、受力稳定性、自平衡性及可打印性。
【专利说明】一种三维打印方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维打印技术，尤其涉及一种三维打印方法。
【背景技术】
[0002]三维打印，也称增材制造或者积层造型，是利用数字模型加工出物理对象的过程。在加工过程中,通过逐层填加材料而建造打印对象。
[0003]通常三维打印的实心打印模式，打印的是整个物体的体积，比较浪费材料。鉴于三维打印的成本较高，为了减小材料的使用量，最直接的方法是均匀掏空物体，并且可能在其内部填充预先定义好的规则模式(如蜂窝结构)以增加强度。均匀掏空的厚度和规则模式的尺寸及密度等参数都是由用户经验式指定。由于规则模式不够灵活，很难适应于多样的打印物体，从而不能保证得到物理稳定的结构。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的目的是提供一种三维打印方法，实现不损失所打印物体的物理特性下有效减少实际打印体积。
[0005]本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种三维打印方法，包括:
[0007]获取打印物体的三维网格模型；
[0008]确定所述打印物体的三维打印参数,所述三维打印参数包括蒙皮参数和/或刚架参数，所述蒙皮参数包括蒙皮层厚度以及蒙皮层外形尺寸，所述刚架参数包括支撑杆个数、支撑杆半径、支撑杆长度以及节点位置，所述节点为支撑杆间的连接点，所述刚架支撑所述
蒙皮层;
[0009]根据所述三维打印参数进行打印。
[0010]由上述本发明提供的技术方案可以看出，三维打印参数包括蒙皮参数和/或刚架参数，刚架支撑蒙皮层，实现在打印蒙皮表面的同时，在物体内部嵌入刚架结构作支撑，降低打印材料成本，使打印物体满足所要求的物理强度、受力稳定性、自平衡性及可打印性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0012]图1为本发明实施例提供的三维打印方法的流程示意图。
[0013]图2为本发明实施例提供的三维打印方法中“蒙皮-刚架”示意图。
[0014]图3为本发明实施例提供的三维打印方法弹性性质约束条件示意图。
[0015]图4为本发明实施例提供的三维打印方法中初始化，尺寸优化，拓扑优化，几何优化示意图。
[0016]图5为本发明实施例提供的三维打印方法以悬挂球为例的优化示意图。
[0017]图6为本发明实施例提供的三维打印方法实验数据。
[0018]图7中从左到右依次为图6中战斗机、电视外星人、钓鱼青蛙及佛头的“蒙皮-刚架，，及其对应的三维打印示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0020]本发明实施例三维打印方法基于“蒙皮-刚架”轻质结构的多目标优化设计，在物体内部自动地嵌入尽可能简洁的刚架结构来支撑和承受各种物理受力，从而在不损失所打印物体的物理特性下有效减少实际打印体积。
[0021]蒙皮结构是在空间构架的纵、横肋上蒙上一层板，形成共同作用体系，蒙皮可承受面内拉、压和剪应力，它相当于连续分布的支撑，起到空间受力的效果。刚架结构由一些节点以及支撑杆组成，其间具有很大的空隙。
[0022]如图1所示，本发明实施例提供一种三维打印方法，包括:
[0023]步骤11、获取打印物体的三维网格模型。
[0024]步骤12、确定打印物体的三维打印参数,所述三维打印参数包括蒙皮参数/或刚架参数。所述蒙皮参数包括蒙皮层厚度以及蒙皮层外形尺寸。所述刚架参数包括支撑杆的个数、支撑杆半径、支撑杆长度(半径和长度需要满足欧拉屈曲长细比约束)以及节点位置。所述节点为支撑杆间的连接点。
[0025]步骤13、根据所述三维打印参数进行打印。
[0026]可见，本发明实施例三维打印方法有效地降低打印材料成本，并使打印物体满足所要求的物理强度、受力稳定性、自平衡性及可打印性。
[0027]本发明实施例三维打印方法，三维打印参数包括蒙皮参数和/或刚架参数，那么，确定刚架参数后，还可以实现仅打印刚架结构。
[0028]本发明实施例三维打印方法可以用于三维设计的快速成型和三维物体的增材制造。通过在输入的三维模型内部嵌入刚架式支撑杆，从而形成受力强度大、物理稳定性好、可打印的“蒙皮-刚架”轻质结构，以便三维打印输出。
[0029]本发明实施例三维打印方法属于一种自动优化方法，在满足诸如刚度、稳定性、几何逼近、自平衡以及可打印性等约束的前提下，通过在内部生成轻质刚架结构从而掏空打印物体，对三维打印物体对象的材料代价进行极小化。这种嵌入刚架结构是由一些节点以及圆柱杆组成，其间具有很大的空隙。刚架结构对三维打印的好处主要体现在如下两方面:其一，通过嵌入刚架结构在保持物理强度和刚度的前提下，显著降低打印物体的质量；其
二，刚架结构为实现三维打印中的各种限制条件提供了足够的变量和灵活性。
[0030]如图2所示，蒙皮-刚架结构包括:蒙皮层21 (Skin)、节点22 (Node)、支撑杆23 (Strut)0蒙皮层21 (包括蒙皮层内表面和蒙皮层外表面)在几何上逼近打印物体外形，其厚度hs (蒙皮层内表面和蒙皮层外表面之间的厚度)一般取为三维打印机可打印半径下限的2倍，或者由用户指定。蒙皮-刚架结构中的节点22分为表面节点221和内部节点222。支撑杆23是连接节点22之间的边，可看成是它是一个半径为r长度为I的圆柱体。支撑杆也分为表面支撑杆231，即两端点都是表面节点和内部支撑杆232，即至少有一端点为内部节点。
[0031]本发明实施例三维打印方法，还可以包括:
[0032]以打印环境以及打印材料的物理特性为约束条件，以所述支撑杆总体积最小以及所述支撑杆个数最小为目标，建立多目标的三维打印模型。
[0033]具体的，所述打印环境可以包括三维打印机的打印半径下限，所述打印材料的物理特性包括拉伸或压缩强度O，剪切强度T，拉伸弹性模量Y，剪切模量U，欧拉屈曲长细比a，所述节点包括表面节点和内部节点，所述支撑杆包括表面支撑杆和内部支撑杆。
[0034]此时，以打印环境以及打印材料的物理特性为约束条件，可以包括:
[0035]公式(I)刚度约束条件:K(V，r)D = F(r),
[0036]其中，V= Iv1, v2,…，v|v|}表示所有节点的位置矩阵,节点Vi的三维直角坐标Vi=(W)，K(V，r)表示节点位置V和支撑杆半径r的刚度矩阵，F(r) = {f\，f2，…
，f|v|}表示加载在节点上的内外部作用力，D = {dp d2,…，d|V|}表示由作用力引起的形变位
移量;
[0037]公式(2)弹性性质约束条件:
【权利要求】
1.一种三维打印方法，其特征在于，包括: 获取打印物体的三维网格模型； 确定所述打印物体的三维打印参数，所述三维打印参数包括蒙皮参数和/或刚架参数，所述蒙皮参数包括蒙皮层厚度以及蒙皮层外形尺寸，所述刚架参数包括支撑杆个数、支撑杆半径、支撑杆长度以及节点位置，所述节点为支撑杆间的连接点，所述刚架支撑所述蒙皮层； 根据所述三维打印参数进行打印。
2.根据权利要求1所述的三维打印方法，其特征在于，所述方法还包括: 以打印环境以及打印材料的物理特性为约束条件，以所述支撑杆总体积最小以及所述支撑杆个数最小为目标，建立多目标的三维打印模型。
3.根据权利要求2所述的三维打印方法，其特征在于，所述打印环境包括三维打印机的打印半径下限，所述打印材料的物理特性包括拉伸或压缩强度O，剪切强度T，拉伸弹性模量Y，剪切模量U，欧拉屈曲长细比a，所述节点包括表面节点和内部节点，所述支撑杆包括表面支撑杆和内部支撑杆； 此时，以打印环境以及打印材料的物理特性为约束条件，包括:
K (V, r) D = F (r)， (1)刚度约束条件:其中，V = Iv1, V2，…，v|v|}表示所有节点的位置矩阵，节点Vi的三维直角坐标,K(V, r)表示节点位置 V和支撑杆半径r的刚度矩阵，F(r) = {f\，f2，…，f|v|}表示加载在节点上的内外部作用力，D = {dp d2,…，d|V|}表示由作用力引起的形变位移量; （2)弹性性质约束条件:
4.根据权利要求3所述的三维打印方法，其特征在于，JL取值范围为0.05至0.5毫米，f =5毫米。
5.根据权利要求4所述的三维打印方法，其特征在于，所述蒙皮层厚度hs= 2jl，所述蒙皮层外形尺寸在几何上逼近所述打印物体外形尺寸。
6.根据权利要求3所述的三维打印方法，其特征在于，以所述支撑杆总体积最小以及所述支撑杆个数最小为目标，包括: 以所述支撑杆总体积为主目标函数及所述支撑杆个数为次目标函数，主目标函数:
7.根据权利要求3所述的三维打印方法，其特征在于，确定所述打印物体的三维打印参数，包括: 初始化步骤:确定初始表面节点和内部节点数目、位置以及节点之间的支撑杆，生成初始刚架结构；
min VoI(r,F,￡) 尺寸优化步骤:根据f得到初始的支撑杆半径；
s.t.{(IK(2),(3).(4),(5),(6)} 拓扑优化步骤:根据(3.2)和(6.2)得到(7)拓扑松弛约束:
8.根据权利要求7所述的三维打印方法，其特征在于， 初始化步骤中表面节点的数目由
【文档编号】B29C67/00GK103568325SQ201310553950
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】杨周旺, 刘利刚, 邓建松, 陈发来 申请人:中国科学技术大学