[發明專利]一種基于極小曲面實現超高孔隙率結構的設計方法

在審

• 申請號: 202111565370.6
• 申請日: 2021-12-20
• 公開（公告）號: CN114329661A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 呂先林;李文利;邢占文;劉衛衛
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G16C60/00;G06F113/10
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫周強;陶海鋒

本發明公開了一種基于極小曲面實現超高孔隙率結構的設計方法，利用三維設計軟件確定極小曲面的類型，得到單個周期內極小曲面數據；將零件和單個周期內的極小曲面數據導入晶格設計軟件中，讀取零件和極小曲面的頂點和三角面片數據；提取其三角面片的邊作為造孔的基本單元；用晶格化后的極小曲面對零件進行填充，將填充后的多孔結構轉化為STL結構導出，完成基于極小曲面實現超高孔隙率結構的設計。在極小曲面基礎上獲得超孔隙率結構設計，成為限制目前超高孔隙率結構設計及制造的關鍵。本發明通過設計極小曲面晶胞結構，映射得到具有高孔隙率的復雜零件的三維模型，使其有望通過現有3D打印成型，提出極小曲面結構獲得高孔隙率結構的新思路。

技術領域

本發明涉及計算機輔助設計和增材制造技術領域，特別涉及一種面向增材制造極小曲面高孔隙率多孔結構設計方法，適用于金屬、陶瓷、樹脂等3D打印結構設計及應用。

背景技術

為了實現理想支架所需的性能，多孔結構脫穎而出，其具有比表面積大，密度較小等特點，可以避免應力遮擋等問題，同時，還可以對多孔結構的表面進行修飾或進行細胞，生長因子等活性物質的填充。隨著3D打印的發展，使得突破基于減材制造的傳統設計方法，實現輕量化設計、制造、應用成為可能。借助點陣結構的優異機械力學性能，研究者開展了大量輕量化設計及制造嘗試。但是在應力分布分析及增材制造成型過程中，傳統的點陣結構展現出承受外加載荷下過早應力集中，以及由于3D打印技術原理約束引發早期失效等問題。

借助計算機圖形學的發展，基于隱式曲面設計的方法替代傳統點陣結構實現高孔隙率的多孔結構成為當前的研究熱點。極小曲面(Triply Periodic Minimal Surface，TPMS)結構因為其平均曲率為零的特點，能夠降低應用集中，且內部貫通率為100%，能夠在不犧牲孔隙率的前提下實現更高的減重目標值，是一種性能優越的多孔結構模型。同時，該結構在增材制造過程中能夠保持穩定的自支撐能力以及較為一致的橫截面積，具有更佳可打印性。目前，研究者針對極小曲面的基礎上如何獲得進一步高孔隙率結構展開了廣泛研究。

有學者基于原始TPMS，采用Sigmond Function拼接不同曲面的設計方法在曲面上進行復合孔設計。通過該設計方法獲得的復合TPMS結構孔隙率小于90%，而且其結構在單向壓縮加載條件下易導致局部應力集中，從而使結構過早失效。也有研究者采用Delaunay三角剖分方式對TPMS曲面的2D切片輪廓進行設計構建多級孔洞，但是若想實現更高孔隙率，則難以維持原有曲面的連續性。此外，由于增材制造技術本身的限制，通過極小曲面減小壁厚的方式獲得高孔隙結構不具備可行性。

發明內容

如何在極小曲面基礎上獲得超孔隙率結構設計，并突破3D打印技術限制實現設計制造，成為限制目前超高孔隙率結構設計及制造的關鍵所在。本發明為彌補以上不足為目的，通過設計極小曲面晶胞結構，映射得到具有高孔隙率的復雜零件的三維模型，使其有望通過現有3D打印成型，提出極小曲面結構獲得高孔隙率結構的設計新思路。

本發明采用如下技術方案：

一種基于極小曲面實現超高孔隙率結構的設計方法，包括以下步驟：

(1) 在三維設計軟件中確定極小曲面的類型、分辨率和晶胞大小，得到單個周期內極小曲面數據，包括等值面數據、頂點以及三角面片數據；

(2) 將零件結構數據和單個周期內的極小曲面數據導入晶格設計軟件中，軟件讀取零件和極小曲面的頂點和三角面片數據；以圓柱體和正方體為例，零件結構數據具體包括外形輪廓尺寸如直徑、高度、邊長；

(3)對極小曲面進行晶格化操作，提取其三角面片的邊作為造孔的基本單元；

(4) 用晶格化后的極小曲面，即造孔的基本單元對零件，比如圓柱體以及正方體，進行填充，得到填充后的多孔結構；

(5) 將填充后的多孔結構轉化為STL結構導出，完成基于極小曲面實現超高孔隙率結構的設計，后續可常規進行切片處理后打印。