[發明專利]一種面向3D打印的物體內部結構優化方法

有效

• 申請號: 201410230442.5
• 申請日: 2014-05-28
• 公開（公告）號: CN103978690A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 呂琳;屠長河;陳寶權;陳學霖;趙海森;魏源;樊慶楠
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00;B22F3/105;G06F17/50
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及本發明涉及一種面向3D打印的物體內部結構優化方法，具體涉及一種基于Voronoi圖和有限元分析的優化物體強度體積比的方法。

背景技術

3D打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

最近幾年，3D打印越來越多的被人們所提及，將數字模型文件打印成實物的能力，使得它在許多行業得到廣泛應用。從技術實現上來看，3D打印通常是將打印材料“一層一層”地疊加起來，從而將數字藍圖變為實物。所以，模型的體積直接關系到打印過程中的耗材，大型復雜的模型將會耗費大量的材料。而打印過程的耗材直接決定了打印的成本。針對這個問題，Wang等人在2013年提出了用蒙皮框架結構代替內部材料的方法(WANG,W.,WANG,T.Y.,YANG,Z.,LIU,L.,TONG,X.,TONG,W.,DENG,J.,CHEN,F.,AND?LIU,X.2013.Cost-effective?printing?of3D?objects?with?skin-frame?structures.ACM?Transactions?on?Graphics(Proc.SIGGRAPH?Asia)32,5)，為了減少內部材料，該方法將問題抽象為在物理和幾何的條件約束下的框架結構(數目)的優化問題，但是該方法只考慮了自承重的情形，即只考慮所打印物體受重力的影響，并未考慮到物體受外力的情形，所以該方法的結果雖然可以很大程度的節省材料，但是所打印出來的物體不能保證承受足夠的外力。另一方面，出于對打印物體的平衡性的考慮，Prevost等人在2013年提出的方法(PR′EVOST,R.,WHITING,E.,LEFEBVRE,S.,AND?SORKINE?HORNUNG,O.2013.Make?it?stand:balancing?shapes?for3D?fabrication.ACM?Trans.Graph.32,4(July),81:1–81:10.)，該方法可以使物體保持平衡，同時也能在一定程度上節省材料，該方法將這一問題形式化為包含平衡性與形變程度兩項加權和的目標函數，并將問題定義為能量最小優化問題，來求解出使目標函數目標最優的模型，但是該方法僅僅是為了保持物體站立平衡。

上述的方法在減少打印耗材的同時，都在一定程度上改變了打印物體的物理強度，因為物體的用料與物理強度是緊密相連的。考慮到這一點，Zhou等人在2013年將這樣一個結構問題看做帶約束的優化問題(ZHOU,Q.,PANETTA,J.,AND?ZORIN,D.2013.Worst-case?structural?analysis.ACM?Trans.Graph.32,4(July),137:1–137:12)，該文章為我們提供了物體結構分析的方法，該方法可以對于任意的模型，計算分析得出模型中最薄弱易碎的區域。另外，Stava等人在2012年提出了迭代優化的方法(STAVA?O.VANEK,J.BENES,B.CARR,N.,AND?MˇE545CH,R.2012.Stress?relief:improving?structural?strength?of3D?printable?objects.ACM?Trans.Graph.31,4(July),48:1–48:11),通過在模型內部挖洞，對模型表面增厚和增加內部支撐結構的方式來增強物體的結構強度，同時也達到了節省材料的目的，問題在于該方法會改變物體的表面結構，對模型的外觀產生影響。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種面向3D打印的物體內部結構優化方法，該方法基于Voronoi圖和FEM(Finite?Element?Analysis?Method,有限元分析)，通過FEM計算模型在外力下的應力圖，并通過Voronoi圖結合應力圖計算并產生類蜂窩狀的內部結構；蜂窩狀的結構可以在提供很好的結構強度的同時最小化耗材，不僅可以在3D打印的過程中節省材料，還可以賦予打印物體類蜂窩狀的內部結構，承受給定的外力，使得物體更加堅固、結實。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種面向3D打印的物體內部結構優化方法，包括以下步驟：

(1)計算初始給定的實心模型S的應力分布SM(S，F)，確定目標優化函數的參數值，并將其初始化；