[发明专利]一种基于应力分析的优化三维打印物体结构的算法

说明书

本发明公开一种基于应力分析的优化三维打印物体结构的算法，包括以下步骤：获取打印物体的三维网格模型，用户设置受力分布和打印材料体积约束；自动优化三维模型打印参数，通过用户输入，自动生成非均匀的框架结构，确定初始参数并进行优化；根据上述优化打印参数生成实体模型；将生成的实体模型进行三维打印，以打印材料的物理特性、打印条件及打印物体的材料体积为约束，以打印模型所受应力最小化为目标，建立三维打印模型。本发明能够自适应优化框架中的放缩比和数量，以达到在使用规定材料体积条件下保证物体的强度要求，并且能够对模型进行简化；本发明通过参数的优化来提高打印物体的强度并且简化物体的拓扑结构。

技术领域

本发明涉及三维打印技术，具体是一种基于应力分析的优化三维打印物体结构的算法。

背景技术

三维打印技术是快速成型技术的一种，也称增材制造。该技术依据数字模型文件，使用离散材料（如粉末状金属或塑料等），通过逐层累加粘合的方式来加工出物理对象。

三维打印技术能够制造任意复杂形状的物体，因此常用于模具制造、建筑、工程工业设计等领域。在航空航天、生物医疗领域，该技术也被广泛应用，并已有使用该技术生产的零件。此外，该技术在珠宝、文化创意等个性化定制，以及汽车、土木工程、教育、地理信息系统、枪支等领域都有所涉及。

三维打印的主要流程包括如下步骤：首先通过三维建模软件建模或通过三维扫描设备获取三维模型数据后建模；然后将建成的三维模型进行切片计算，将模型分为一片片的薄片，用于打印机逐层打印；接下来为每一层薄片规划具体的打印路径；最后三维打印机读取横截面信息，再用液体状、粉状或片状的材料将每个薄层逐个打印，并且将各层粘合起来制造出实体。

数字模型在计算机中能够稳定存在，但是三维打印出来的物体却常常因难以适应真实世界中各种受力要求而发生损坏。对于一些拓扑较为复杂，有较多细杆结构的物体，受力分析十分复杂，某些较细的部分甚至无法被三维打印机打印出来。现存的针对三维打印物体结构优化方法均无法很好优化物体的强度，并且无法自适应地进行拓扑结构的简化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于应力分析的优化三维打印物体结构的算法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于应力分析的优化三维打印物体结构的算法，包括以下步骤：

（1）获取打印物体的三维网格模型，用户设置受力分布和打印材料体积约束；

（2）自动优化三维模型打印参数，通过用户输入，自动生成非均匀的框架结构，确定初始参数并进行优化，所述参数包括非均匀框架结构中杆的半径和数量；

（3）根据步骤（2）的优化打印参数生成实体模型；

（4）将步骤（3）所生成的实体模型进行三维打印，以打印材料的物理特性、打印条件及打印物体的材料体积中的一种或多种条件为约束，以打印模型所受应力最小化为目标，建立三维打印模型。

作为进一步地优选，本发明所述步骤（2）中非均匀框架结构包括：

（21）原始模型；

（22）骨架结构，其对应的三维打印参数为：杆放缩比和半径；

（23）对于原始模型的划分，骨架部分随着骨架进行放缩，连接部分通过骨架部分光滑拼接缩放。

作为进一步地优选，本发明所述打印材料的物理特性包括材料的杨氏模量、剪切模量、泊松比。

作为进一步地优选，本发明所述打印物体所用材料体积的约束，通过下列公式一实现：

公式一：，