[发明专利]一种自支撑的3D打印梯度弹性多孔材料微结构设计方法

说明书

一种自支撑的3D打印梯度弹性多孔材料微结构设计方法，包括以下步骤：三维区域中立方体网格的划分和Voronoi站点生成；对Voronoi站点生成三维多边形Voronoi图，将Voronoi区域的交界面作为多孔材料实体部分，区域内部作为多孔材料的空腔部分；生成多孔材料的切片图像，逐层输入3D打印设备打印，或对切片图像进行三维重构并输出为用于3D打印的STL模型。本发明提出的方法，实现了多孔材料内部孔洞的自支撑打印，减少了孔内支撑，避免了复杂的后处理工序；同时也实现了材料弹性性能的梯度划分。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是指一种自支撑的3D打印梯度弹性多孔材料微结构设计方法。

背景技术

当前，随着制造技术的深入发展，复杂微结构的制造需求在生物医学、航空航天、汽车制造以及民生消费等领域逐渐提高。材料的内部微结构影响其宏观性能，而微结构通常是参数化的：它们的小尺度几何形状是通过参数控制的，比如厚度或方向。这些参数影响大尺度弹性行为，因此可以通过直接控制这些参数来控制整体的弹性性能。

3D打印是一种增材制造技术，以数字模型文件为基础，通过将三维模型切成一层层有厚度的薄片，即切片，将复杂的三维模型简化为二维平面填充轨迹，再自下而上地逐层叠加出三维的实体。这种制造技术无需传统的刀具或模具，可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，为复杂微结构设计提供了更多的可能，并且可以有效简化生产工序，缩短制造周期。

但是，当打印悬臂结构时，通常需要在打印的过程中增加支撑结构，因此将花费更多的材料和打印时间，并且使得后处理环节更加繁琐。

为了提高打印效率，并节省材料，研究人员们提出了自支撑3D打印。目前已实现的自支撑3D打印主要侧重于对实心模型的外轮廓自支撑打印，但是针对内部的孔洞结构很难实现自支撑打印，而且加在内部孔洞的支撑结构一般都很难去除。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种自支撑的3D打印梯度弹性多孔材料微结构设计方法，该方法不仅能实现多孔材料内部孔洞的自支撑打印，避免复杂的后处理工序，还可以将材料的弹性性能梯度划分。

本发明采用如下技术方案：

一种自支撑的3D打印梯度弹性多孔材料微结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

三维区域中立方体网格的划分和Voronoi站点生成；

对Voronoi站点生成三维多边形Voronoi图，将Voronoi区域的交界面作为多孔材料实体部分，区域内部作为多孔材料的空腔部分；

生成多孔材料的切片图像，逐层输入3D打印设备打印，或对切片图像进行三维重构并输出为用于3D打印的立体光刻(STL)模型。

具体地，所述步骤三维区域中立方体网格的划分和Voronoi站点生成，具体为：

将三维区域划分为若干个边长为a的立方体网格，称为粗网格；

给定三维网格的边长a、中心点c、以及密度函数ρ＝f(c)，计算当前网格内需包含站点数为t＝a³×f(c)个，当t≤23时，随机选择个不同的子网格，这n个子网格中各随机生成一个站点；生成一个0～1之间的随机数x，若x≤t-n，则在剩余的8-n个子网格中随机选取一个，在其中生成一个额外的站点，当t＞2³时，递归地细分当前网格的子网格。

具体地，所述步骤对Voronoi站点生成三维多边形Voronoi图，将Voronoi区域的交界面作为多孔材料实体部分，区域内部作为多孔材料的空腔部分，具体为：

三维区域的切片处理；

将每层切片离散为二维网格，并判断各个网格是否为材料的实体部分，输出切片图像。