[发明专利]一种用于3D打印技术的壳模型构造方法

说明书

一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，包括：S1，获取待打印模型及其外表面参数R；S2，获得待打印模型的壳模型i；S3，若壳模型i的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则增加预设厚度的厚度，并执行步骤S2；否则，执行步骤S4；S4，计算壳模型i所有顶点的外扩距离，得到壳模型i+1，并判断外扩距离是否为0；若壳模型i所有顶点的外扩距离均为0，则壳模型i为最终结果壳模型；否则，计算壳模型i+1的应力分布，并执行步骤S5；S5，若壳模型i+1的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则壳模型i即为结果壳模型；否则，对壳模型i+1的顶点进行外扩，将i置为i+1，并执行步骤S4。构造出具有极小体积的非均匀厚度壳模型，大幅降低打印成本。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种用于3D打印技术的壳模型构造方法。

背景技术

3D打印是一种以3D数字文件为基础，运用塑料、石膏等打印材料，在计算机控制下逐层打印、层层叠加原材料构造物体的技术。近年来，3D打印技术逐渐成熟，并在各行各业得到广泛应用，然而打印材料价格高昂，制约了3D打印技术的进一步推广，以常用的PLA材质为例，价格为40元/千克，光敏树脂更是高达2000元/千克，因此如何优化模型结构，减少打印体积是解决打印成本问题的关键。为此，有学者提出基于应力分布来对模型空间进行自适应Voronoi分割，得到大小不同的Voronoi单元，通过掏空Voronoi单元构造出类似于蜂窝的内部结构，以及基于物体的中轴和骨骼结构的启发结构型，主要由中轴结构、边界框架以及一组连接杆件这三部分组成。上述研究成果减少了模型的打印体积，但均是通过在模型内部构造稀疏空间结构的方式，优化结果模型的内部存在大量的悬空结构。此类模型在打印时需要采用无需支撑的打印技术如3DP(三维喷涂粘结)、SLS(选区激光烧结)或者使用可溶解的支撑材料，否则打印支撑难以去除。这一定程度上提高了打印的硬件门槛和操作难度。另有研究提出通过自动检测薄弱区域并对模型进行内部挖洞、局部加厚以及加支撑这三种方式来提高模型的强度，调整后的模型可以承受用户指定的载荷。该方法依据模型的边界面和用户指定的外力，根据应力约束来优化厚度参数以挤出内外表面，最终构造出满足应力约束的壳模型。上述方法虽然能有效的提高模型强度，但均会改变模型的表面结构，导致模型外观的变化，影响使用体验。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本发明提供了一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，基于待打印模型的应力分布，构造出具有极小体积的非均匀厚度壳模型，大幅降低打印成本；另外，构造的壳模型内部不存在任何悬空结构，适用于当前所有的三维打印方式，且内部打印支撑结构容易去除。

(二)技术方案

本发明提供了一种用于3D打印技术的壳模型构造方法，包括：S1，获取待打印模型及其外表面参数R；S2，按照预设厚度获取待打印模型的内表面参数S_i，根据内表面参数、外表面参数R以及预设厚度获得待打印模型的壳模型i；S3，若壳模型i的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则增加预设厚度的厚度，并执行步骤S2；若壳模型i的最大应力小于或等于打印材料的屈服强度约束，则执行步骤S4；S4，计算壳模型i的内表面S_i上所有顶点的外扩距离，得到壳模型i+1，并判断外扩距离是否为0；若壳模型i的内表面S_i上所有顶点的外扩距离均为0，则壳模型i即为最终结果壳模型；否则，计算壳模型i+1的应力分布，并执行步骤S5；S5，若壳模型i+1的最大应力大于打印材料的屈服强度约束，则壳模型i即为结果壳模型；否则，以壳模型i+1的内表面为起点对壳模型i+1的顶点进行外扩，将i置为i+1，并执行步骤S4。

可选地，步骤S4中计算壳模型i的内表面S_i上所有顶点的外扩距离具体为：根据壳模型i的应力分布信息计算壳模型i的内表面S_i上所有顶点的外扩距离。

可选地，外扩距离_dv的计算公式为：