3D打印設(shè)計(jì)與個性化制造技術(shù).pdf

1、3D打印是一種快速成型技術(shù)，能夠高效地將數(shù)字化三維模型制造成實(shí)體，有效提高設(shè)計(jì)、制造物體的效率。隨著桌面級3D打印機(jī)價(jià)格不斷下降，3D打印技術(shù)的快速普及使普通用戶體驗(yàn)到制造個性化模型的樂趣。在進(jìn)行3D打印之前，需要首先對物體進(jìn)行數(shù)字化建模，但是如何將普通用戶的設(shè)計(jì)想法轉(zhuǎn)換為可打印3D數(shù)字化模型是目前普遍存在的難點(diǎn)之一。用戶要求模型美觀、能夠滿足特定需求、并具有個性化和趣味性。所以在模型設(shè)計(jì)階段需要充分考慮打印成品的功能性，對數(shù)字模型進(jìn)行

2、相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整。目前常用的3D建模軟件能夠生成可3D打印模型，但建模過程主要基于物體外觀進(jìn)行，難以保證打印物體滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)功能。由于建模過程中缺少對于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，常常導(dǎo)致打印材料的浪費(fèi)，增加打印耗時。對于用戶個性化的需求，比如制作不倒翁玩具、類似糖畫的可食用物體，日前并沒有可行解決方案，而制作過程中涉及到網(wǎng)格編輯、物體結(jié)構(gòu)分析與仿真、圖像抽象化等內(nèi)容對于普通用戶十分繁瑣，需要相應(yīng)算法滿足此類需求。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出了一

3、種優(yōu)化殼體厚度參數(shù)的方法，能夠在保持物體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減少打印材料消耗。在用戶輸入網(wǎng)格模型和相應(yīng)受力情況后，本算法能夠自動根據(jù)應(yīng)力約束對厚度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并生成可進(jìn)行3D打印的封閉殼體。本算法主要有以下兩點(diǎn)貢獻(xiàn)：使用分割算法對輸入網(wǎng)格模型進(jìn)行分塊。采用殼單元有限元仿真模型對物體進(jìn)行仿真；本算法推導(dǎo)了剛度矩陣、節(jié)點(diǎn)位移等物理量對厚度參數(shù)的導(dǎo)數(shù)解析形式，提高了仿真優(yōu)化過程速度。采用交替優(yōu)化過程求解優(yōu)化問題，將非線性優(yōu)化問題在局部轉(zhuǎn)化為線

4、性規(guī)劃問題。采用靈敏度分析方法進(jìn)一步加速優(yōu)化過程。使用不同種類3D打印機(jī)、多種打印材料制作模型進(jìn)行相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)。本算法能夠在較短時間內(nèi)求解厚度參數(shù)。仿真、優(yōu)化結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試相符。⑵提出了一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)算法，幫助普通用戶設(shè)計(jì)并制作個性化不倒翁。本算法生成的模型能夠在外力推動后搖而不倒，最終靜止在平衡位置。基于力矩與能量相關(guān)知識，我們推導(dǎo)了不倒翁質(zhì)心和底部形狀需要滿足的約束條件。將設(shè)計(jì)制作不倒翁問題抽象為優(yōu)化問題，并在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中加入

5、節(jié)省打印材料、增加不倒翁穩(wěn)定性、增加搖擺幅度、外形比例協(xié)調(diào)等約束條件。我們制作了多種模型進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證推導(dǎo)的物理約束和優(yōu)化算法有效性。本算法提供了簡單易用的框架，能夠幫助普通用戶使用常見3D打印機(jī)制作不倒翁玩具。⑶提出了一種根據(jù)肖像進(jìn)行3D食品打印制作的方法。本算法使用3D食品打印機(jī)，打印材料使用麥芽糖、巧克力、果醬等可食用材料。在保持輸入圖像特征的情況下，本算法能夠自動將輸入肖像進(jìn)行抽象化，并轉(zhuǎn)化為可打印路徑。本方法主要分為兩階段