一种并行式多种材料的三维成形方法
【专利说明】一种并行式多种材料的三维成形方法 发明领域
[0001] 本发明属于快速成形技术领域，涉及到利用全面积打印喷头的一种并行式的多材 料的三维成形方法。
[0002] 发明背景 三维打印层叠快速成形技术的概念最早是由美国麻省理工学院（MIT)的scans E.M.和 cima M.J.等人于1992年提出的。三维层叠打印是一种基于液滴喷射成形的快速成形技 术，单层打印成形类似于喷墨打印过程，即在数字信号的激励下，使打印头工作腔内的液态 材料在瞬间形成液滴或者由射流形成液滴，以一定的频率和速度从喷嘴喷出，并喷射到指 定位置，逐层堆积，形成三维实体模型。现有的三维成型技术为粉末粘结成形三维打印和直 接成形三维打印两种为主。 目前的三维成形方法对单体模型进行数字模型分层处理，形成平面模型的打印成型数 据，并逐层打印积累，形成实际的物理模型。由于受到三维成方形法和成形设备的限制，存 在成形材料品种单一，成形的制件模型强度低，打印速度慢，打印的时间过长等问题，模型 有翘曲变形，层间剥离等一系列缺陷。
【发明内容】
[0003] 针对目前现有三维成形方法中所制成的模型的构成材料单一，成形的模型强度 低，成形时间过长等相关缺陷，本发明提出一种并行式多种材料的三维成形方法。这种方法 通过对三维模型的有限元分析，明确模型的多材料组成。实现并行式的同步多种材料连续 堆叠成形的制造方法。
[0004] 本发明提出一种并行式多材料的三维成型方法，这种方法首先根据模型功能要求 进行几何结构的STL建模，再依据有限元分析结果进行成型材料的空间结构分配；包含STL 模型和有限元分析结构空间性能的二重三维STL模型进行模块化划分，获得一系列的成型 模块信息，包括STL模型、成型材料的构成、精度等成型工艺参数等；对三维成型模型进行 结构和空间组成材料的一体化的对应绑定，即将模型的有限元分析后得到的云图上分布色 彩信息，渲染到同一模型的STL模型的空间结构上，使STL模型成为带有空间色彩分布的二 重三维STL模型，并定义为一种颜色对应一种性能不同的成型材料，实现模型功能要求进 行模型的几何拓扑形状（单色STL面模型数据表示）和材料组成机构(彩色信息表示)的同 步一体化设计，模型中包含多种颜色对应模型由多种材料构成。对二重STL模型进行切片 分层或功能模块单元化分配，获得一些列彩色切片或彩色模块单元。
[0005] 利用全面积成形系统，依据逐层堆叠成形制造方式，制造出多材料组成的模型。
[0006] 利用本发明的并行式多材料的三维成型方法和空间结构一体化的设计思想， 在二重三维模型成型过程中其模型中的任意一点纟可以表示为其中 S_七鶴樣，表示 模块的第i行第j列个像素点、M表示该点的材料分布矩阵、^表示切片或模型的厚度、η表 示该模型的总的切片或模块数量。
[0007] 在本发明中为了得到精确的切层图像，须将零件截面在Pro/ENGINEER或CAD等 工程图模块下，按照1:1的比例显示并打印成图片格式文件，并对图像进行彩色赋值。切层 图像处理过程包括图像的灰度化和二值化。灰度化是将通过Pro/ENGINEER或CAD得到的 24位真彩色图像每个像素点的RGB值通过一系列计算后，使三者值相等。二值化是选取适 当的阈值Tn与每一个像素点的灰度值进行比较，将所有大于或等于阈值的像素点的灰度 值设置为255,所有小于阈值的像素点的灰度值设置为0,从而将整幅图像中每个像素点的 灰度值设为〇或255,使整副图像呈现出明显的黑白效果。 在本发明采用的24位RGB表示（R为红色、G位绿色、B为蓝色）每个像素位置点的彩 色信息，RGB各有256级亮度，用数字表示为从0、1、2...直到255,理论上计算2553得到 16, 582, 375种色彩。根据一种色彩对应一种材料，所以三维成型模型的各切片或模块上的 色彩种类与所需要材料要相一致，从1~16, 582, 375种成型材料，即本发明的全面积成型 系统的材料数量为N种，N可为1~16, 582, 375种。
[0008] 并行式多材料三维成型方法的工艺过程如图1所示为： (1)构建三维CAD实体模型 建模的过程，就是利用AutoCAD计算机辅助设计软件设计并制作完成所需模型的电子 数据结构。并将形成三维的实体模型转换成STL格式文件，形成三维模型的数据，构造成所 设计的CAD立体模型。
[0009] (2)模型进行有限元分析 将形成的三维立体模型作为有限元分析（ANSYS)的模型数据，通过限定有限元适应参 数，对形成的三维模型进行实用性分析和计算，这些分析包括运动仿真、结构强度分析、疲 劳分析等，生成显示不同区域物理状态的云图，通过这样ANSYS分析和计算的分布云图，明 确模型的不同区域的受力强度、受热强度，以及运动状态中结构的塑性变化等特征性能。利 用这种经过有限元分析的结果，来评估和确定模型受热、受力等物理状态的区域分布，进而 为确定模型不同区域和位置的材料分布。
[0010] 将模型分析云图所具有16, 582, 375种颜色作为不同成型材料分配的依据，在有 限元分析的云图中常规的颜色被默认为九种颜色，用RGB分别表示为{0, 0, 255}纯蓝色、 {0，128, 255}青色、{0, 255, 255}湖蓝色、{0, 255，128}粉绿色、{0, 255,0}绿色、{128， 255, 0}草绿色、{255, 255, 0}黄色、{255，128, 0}橙色、{255, 0, 0}红色。
[0011] (3)模型格式转换 利用STL法（即三角化处理方法）将模型进行面化处理，利用小三角面片逼近不规则自 由曲面，每个小三角面片由三个坐标顶点和法向矢量这四个数据来表示，整个模型是一组 矢量的集合。通过控制小三角面片大小，得到近似程度不同的曲面模型。
[0012] 将经过有限元分析的模型数据转换成全面积成型系统所接STL文件格式。并将有 限元分析的云图的颜色分布，依据模型的结构渲染的所建立的三维模型中。以模型的不同 颜色分布对于不同材料选择，形成模型中不同材料的模块化的的数据包，利用模型的模块 化的支撑结构，形成支撑结构数据包。将这些数据包直接传给本发明的全面积成型系统中， 依据数据参数自动选择打印成型所需要的不同材料。同时将数据和模型保存在文件*. STL 副本中，并弹出参数分配设置对话窗口中，来根据实际的加工精度要求设置弦高度和角度 等成型参数。
[0013] (4)模型成型数据的自动修复 由于模型经过有限元分析和文件的格式转换成STL文件。STL模型对于实体几何模型 的面片法线方向反向、面与面的间隙、面丢失、面重合、面交叉、多余面、部件脱离导致切片 轮廓数据的丢失，通过对切片轮廓的不封闭轮廓线的处理，找到轮廓断开点，计算各个断点 之间的距离，连接距离最近的断开点，并修正各段轮廓线的方向。
[0014] 在STL模型分成后的轮廓信息文件中，对于其中的一些微小线段，在当前的成型 系统的精度要求下，无法插补加工，可以作为冗余点去除这些数据。还有剔除重合点和一条 直线段的多余点的数据，以减少多余的插补运算。这样利用全面积成型软件系统可以对所 形成的缺陷进行自动寻找的补充，并进行修复。
[0015] (5)模型定向 完成二重三维模型设计后，选择二重三维模型的摆放方向和位置。
[0016] (6)支撑结构的生成 在三维成型系统中，对模型中的悬垂部分和较大的悬臂及梁等结构制备支撑或连接结 构。根据二重三维模型的摆放的位垂直水平面投影自动生成支撑结构，通过平行水平面投 影自动生成支撑结构，这些支撑结构在模型打印成型完成后能过拆除，不影响模型的整体 结构。
[0017] (7)模型切片或模块划分 模型分层是利用分成软件将三维数字模型进行分层化处理。分层是沿模型的堆积方向 按照层厚进行分成，获得每层截面的轮廓信息，包括分成后进行的纠错处理，截面轮廓线生 成以及截面轮廓区域填充等。在成形时间范围内，采用最小的切层厚度，从而获得较高的模 型制作精度。
[0018] (8)全面积三维成型设备的调试 在每次成型过程中都要对打印头进行清洗，以保障打印头的清洁和喷头的畅通。在开 始成形之前启动成形调试程序，将所有成形喷孔开始喷材料，喷到显色对比试纸上，如果成 形测试所显色与显色对比试纸上的颜色一致，说明成形头没有堵塞，否则说明成形头上的 喷孔堵塞。
[0019] (9)全面积三维成型过程 利用全面积三维成型系统来自动识别成型模型中不同物理状态区域颜色和位置，根据 多种显示不同物理状态的颜色来自动选择不同的成型材料。首先根据三维模型的STL文件 数据来选择三维成形的位置，每一层的具体位置坐标和数据。其次利用有限元分析的结果， 自动选择所用的成形材料，这个材料是与颜色位置信息相一致的。
[0020] 设置模型成形参数，初始位置参数，连接到打印成型的全面积打印喷头系统中，自 动生成支撑结构和选择支撑材料，打印形成支结构。再根据模型中不同物理状态模块颜色 分布一次性连续打印成型模型模块，将这些模块依据位置顺序自动成形衔接起来就形成所 要的三维模型。
[0021] (10)成型实体模型的后处理 将打印好的实体模型从工作台上取出来，去除支撑，清洗实体模型，打磨，大型模型拼 接，部分模型还要除夹具。
[0022] 本发明的并行式多材料三维成型方法所成型的模型所采用的成型材料可以为热 熔性材料、光固聚合物、混合凝固的粉状材料以及生物材料中的一种或多种，在属性上可以 分为金属材料、无机材料、有机材料等三大类。
[0023] 其中金属材料(如不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重 金属、银萊合金、钽、铌等金属和合金、碱金属及其合金、氧化铁、