[發(fā)明專利]一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應(yīng)設(shè)計方法

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• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號: CN115017560A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李義寶;劉玥含;夏青;馬峻;王世剛
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);無錫市夸克微智造科技有限責(zé)任公司
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06T17/00;G06F113/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應(yīng)設(shè)計方法，確定多尺度材料的極小化周期曲面；最小化多尺度材料的極小化周期曲面表面；根據(jù)最小化多尺度材料的極小化周期曲面表面，構(gòu)造三重周期常數(shù)平均曲率曲面，并生成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面模型；將輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面模型生成三維模型，并將三維模型體素化；對于三維空間的子空間的每個小域，計算符號距離值大于條件閾值的點的數(shù)量，若數(shù)量滿足判斷條件，則在子空間中生成設(shè)定精度的箱體元素；否則，將子空間劃分為細子空間，并重復(fù)上述步驟，直到實現(xiàn)任意數(shù)量級多尺度材料的自適應(yīng)設(shè)計。本發(fā)明根據(jù)距離場或應(yīng)力場信息能夠?qū)⒛Ｐ偷膬?nèi)部區(qū)域分離到不同的精度模塊，與不同尺寸的信息相匹配，快速高效成型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造快速成型技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應(yīng)設(shè)計方法。

背景技術(shù)

快速成型技術(shù)又被稱為快速原型制造技術(shù)，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料對技法的一種高新制造技術(shù)，被認為是幾十年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機械工程、計算機輔助設(shè)計、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵谱鳌⑿略O(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。快速成型技術(shù)發(fā)展至今，一起技術(shù)的高集成性、高柔性、光速性而得到了迅速發(fā)展，具備復(fù)制性高、成本低、周期短互換性高等諸多優(yōu)點。

現(xiàn)有的各種技術(shù)可以歸為兩大類。(i)提高設(shè)備的控制精度和制造速度；(ii) 優(yōu)化計算機輔助設(shè)計(計算機輔助設(shè)計)模型和設(shè)計快速算法，快速成型技術(shù)主要有立體印刷、熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、分層實體制造、光固化成型等方法。但是目前快速成型技術(shù)中材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能滿足功能性、半功能性零件的要求，需要借助于后處理或二次開發(fā)才能生產(chǎn)出令人滿意的產(chǎn)品。同時由于材料技術(shù)開發(fā)的專門性，一般快速成型材料的價格都比較貴，造成生產(chǎn)成本提高，限制了快速成型技術(shù)的推廣應(yīng)用。

此外，現(xiàn)有快速成型機的成型系統(tǒng)都只能進行一種工藝成型，而且大多數(shù)只能用一種或少數(shù)幾種材料成型。這主要是因為快速成型技術(shù)的專利保護問題，各廠家只能生產(chǎn)自己開發(fā)的快速成型工藝成型設(shè)備，隨著技術(shù)的進步，這種保護體制已成為快速成型技術(shù)集成的障礙。由于快速成型的成型工藝發(fā)展還不完善，特別是對快速成型軟件技術(shù)的研究還不成熟。為提高成型件的精度和表面質(zhì)量，必須改進成型工藝和快速成型軟件。

隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，快速成型技術(shù)的軟件問題越來越突出，快速成型軟件系統(tǒng)不但是實現(xiàn)離散/堆積成型的重要環(huán)節(jié)，對成型速度，成型精度，零件表面質(zhì)量等方面都有很大影響，軟件問題已成為快速成型技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。雖然快速成型技術(shù)在航空航天、汽車、機械、電子、電器、醫(yī)學(xué)、玩具、建筑、藝術(shù)品等許多領(lǐng)域都已獲得了廣泛應(yīng)用，但大多僅作為原型件進行新產(chǎn)品開發(fā)及功能測試等，如何高效地生產(chǎn)出多尺度零件也是快速成型技術(shù)面臨的一個重要問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應(yīng)設(shè)計方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的：

一種面向3D打印的多尺度多材料的自適應(yīng)設(shè)計方法，包括以下步驟：

1)采用相場方法確定多尺度材料的極小化周期曲面；

2)采用相場方法最小化多尺度材料的極小化周期曲面表面；

3)根據(jù)最小化多尺度材料的極小化周期曲面表面，構(gòu)造三重周期常數(shù)平均曲率曲面，并生成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面模型；

4)根據(jù)應(yīng)力場或有符號的距離場自適應(yīng)地將輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面模型生成三維模型，并將三維模型體素化，實現(xiàn)面向3D打印的多尺度多材料的自適應(yīng)設(shè)計。

進一步的，步驟1)中，多尺度材料的極小化周期曲面為：