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面向制造(3D打印)的几何设计与优化的研究

发布时间:2017-10-25点击量:

  在3D打印中,3D数字化模型是前提和基础,3D 打印是结果,它使3D模型“落地开花”。但是,在很多情况下,3D模型并不能直接输出给3D打印机或者打印出来的物体不满足用户的需求。这时,就需要经过一些几何建模与处理的方法,将输入的3D模型进行修正、调整、处理和优化,使其能更好地满足3D打印的需求,避免打印出的物体无法正常发挥功能。
  在计算机图形学或计算机辅助几何设计中,3D建模的主要目的是为造型、渲染或动画,考虑的是模型的数学属性,比如曲面的形状、连续性、光滑性、材质、变形等性质;而在3D打印中,3D模型输出的是一个实物模型,更多需要考虑的是实物模型的物理属性(力学属性与功能属性)。因此,传统的3D建模与处理的手段需要进一步修正和加强,需要在建模的过程中就考虑到输出实物模型的力学及功能属性。一方面,模型的数学属性影响着其物理属性;另一方面,对物理属性的要求影响着数学属性的修改,这两个属性相互影响,往往在处理和优化的过程中需要迭代进行。我们称之为面向制造的几何设计与优化(Fabrication oriented geometric design and optimization)。这里具有大量的几何处理与优化的计算问题,我们简要总结如下:
  1。 几何计算问题:给定一个3D数字模型,需要离散成三角网格(STL文件),然后加填充结构、加支撑结构,然后切片计算和路径规划,最后才送到3D打印机,通过G代码输出一个实物模型。这个过程是3D打印机的切片引擎软件的主要工作,中间涉及到大量的几何计算;
  2. 打印约束问题:在很多情况下,输入的3D模型存在着一些问题,并不能直接输出给3D打印机,比如:3D模型本身的拓扑结构不规范,无法切片;由于出现悬空部分而打印失败;模型的尺寸太大,超过打印机所能打印的尺寸限制;没有考虑稳定性导致打印出物体无法正常放置等;
  3。 结构优化问题:由于设计师缺乏一些设计经验与力学知识,会导致其设计结果因为结构问题不能正常打印或在3D打印后会存在一些结构强度问题。强度不足可能会使3D模型在打印、运输或日常使用过程中受到破坏。这种问题我们称其为结构分析与优化问题;这时就需要通过力学与物理的仿真计算(有限元方法--FEM)来优化模型的结构来满足需求;
  4。 功能定制问题:定制化是3D打印最大的优势之一,这里催生了大量的研究问题和研究方法。比如,(1) 将绘制理论中发展起来的各种模型和方法应用于3D打印,涉及到打印材料的外观模拟、测量以及合成优化等技术;(2) 面向医疗、教育、娱乐和时尚等需求的模型定制问题以及面向光影与声音效果的逆向设计问题;(3) 通过子块设计与打印以及通过铰链,滑轮,齿轮,电机等机械装置组装而成的具有特定功能的物体,其中有许多机构设计与优化问题。
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