[发明专利]一种基于极小曲面实现超高孔隙率结构的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于极小曲面实现超高孔隙率结构的设计方法，利用三维设计软件确定极小曲面的类型，得到单个周期内极小曲面数据；将零件和单个周期内的极小曲面数据导入晶格设计软件中，读取零件和极小曲面的顶点和三角面片数据；提取其三角面片的边作为造孔的基本单元；用晶格化后的极小曲面对零件进行填充，将填充后的多孔结构转化为STL结构导出，完成基于极小曲面实现超高孔隙率结构的设计。在极小曲面基础上获得超孔隙率结构设计，成为限制目前超高孔隙率结构设计及制造的关键。本发明通过设计极小曲面晶胞结构，映射得到具有高孔隙率的复杂零件的三维模型，使其有望通过现有3D打印成型，提出极小曲面结构获得高孔隙率结构的新思路。

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计和增材制造技术领域，特别涉及一种面向增材制造极小曲面高孔隙率多孔结构设计方法，适用于金属、陶瓷、树脂等3D打印结构设计及应用。

背景技术

为了实现理想支架所需的性能，多孔结构脱颖而出，其具有比表面积大，密度较小等特点，可以避免应力遮挡等问题，同时，还可以对多孔结构的表面进行修饰或进行细胞，生长因子等活性物质的填充。随着3D打印的发展，使得突破基于减材制造的传统设计方法，实现轻量化设计、制造、应用成为可能。借助点阵结构的优异机械力学性能，研究者开展了大量轻量化设计及制造尝试。但是在应力分布分析及增材制造成型过程中，传统的点阵结构展现出承受外加载荷下过早应力集中，以及由于3D打印技术原理约束引发早期失效等问题。

借助计算机图形学的发展，基于隐式曲面设计的方法替代传统点阵结构实现高孔隙率的多孔结构成为当前的研究热点。极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface，TPMS)结构因为其平均曲率为零的特点，能够降低应用集中，且内部贯通率为100%，能够在不牺牲孔隙率的前提下实现更高的减重目标值，是一种性能优越的多孔结构模型。同时，该结构在增材制造过程中能够保持稳定的自支撑能力以及较为一致的横截面积，具有更佳可打印性。目前，研究者针对极小曲面的基础上如何获得进一步高孔隙率结构展开了广泛研究。

有学者基于原始TPMS，采用Sigmond Function拼接不同曲面的设计方法在曲面上进行复合孔设计。通过该设计方法获得的复合TPMS结构孔隙率小于90%，而且其结构在单向压缩加载条件下易导致局部应力集中，从而使结构过早失效。也有研究者采用Delaunay三角剖分方式对TPMS曲面的2D切片轮廓进行设计构建多级孔洞，但是若想实现更高孔隙率，则难以维持原有曲面的连续性。此外，由于增材制造技术本身的限制，通过极小曲面减小壁厚的方式获得高孔隙结构不具备可行性。

发明内容

如何在极小曲面基础上获得超孔隙率结构设计，并突破3D打印技术限制实现设计制造，成为限制目前超高孔隙率结构设计及制造的关键所在。本发明为弥补以上不足为目的，通过设计极小曲面晶胞结构，映射得到具有高孔隙率的复杂零件的三维模型，使其有望通过现有3D打印成型，提出极小曲面结构获得高孔隙率结构的设计新思路。

本发明采用如下技术方案：

一种基于极小曲面实现超高孔隙率结构的设计方法，包括以下步骤：

(1) 在三维设计软件中确定极小曲面的类型、分辨率和晶胞大小，得到单个周期内极小曲面数据，包括等值面数据、顶点以及三角面片数据；

(2) 将零件结构数据和单个周期内的极小曲面数据导入晶格设计软件中，软件读取零件和极小曲面的顶点和三角面片数据；以圆柱体和正方体为例，零件结构数据具体包括外形轮廓尺寸如直径、高度、边长；

(3)对极小曲面进行晶格化操作，提取其三角面片的边作为造孔的基本单元；

(4) 用晶格化后的极小曲面，即造孔的基本单元对零件，比如圆柱体以及正方体，进行填充，得到填充后的多孔结构；

(5) 将填充后的多孔结构转化为STL结构导出，完成基于极小曲面实现超高孔隙率结构的设计，后续可常规进行切片处理后打印。