[发明专利]一种可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法及系统

权利要求书

1.一种可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，其特征在于，包括模拟充气膨胀和实际生产加工两部分；所述的模拟充气膨胀部分主要是将用户输入的空腔结构几何参数，根据目标的充气体积，进行动态力学充气模拟和评估，将最终充气结果可视化并输出可打印的3D模型；所述实际生产加工部分主要包括基于模拟充气膨胀部分所输出的3D模型进行3D打印，加热3D打印件使其软化后充入气体，得到变形后空腔结构，该过程中的加热参数、充气参数均与模拟充气膨胀部分一致。

2.根据权利要求1所述的可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，其特征在于，所述的模拟充气膨胀部分具体包括如下步骤：

输入空腔几何：用户输入由面组成的基本几何体作为变形空腔结构的基础部分，并在基本几何体表面上画由直线和/或曲线组成的几何图案作为限制部分；最后，用户指定表面一点作为生成气嘴的标记点；

设置结构参数：由用户设置基础部分中几何面的沿法向向内偏移的参数作为其厚度；设置限制部分中的线条在所属表面上垂直法向的偏移参数作为限制宽度，和沿法向向内的偏移参数作为限制厚度；其中基础部分厚度与限制部分厚度应存在一定的厚度差距；

动态充气模拟：首先将基础部分转化成由近似等边三角形组成的网格模型，再根据用户输入的限制部分线条及其宽度参数，将基础部分重新进行网格划分，其中默认气嘴标记点所在表面为锚定部分，该表面上所有的网格点保持位置不变，以确保边界固定无法扩展；

动态充气模拟基于位置约束的动力学算法(Position-Based Dynamics Model)及Kangaroo软件实现，将网格模型看成一个遵循胡克定律的弹簧系统，在网格顶点上施加沿模型表面法向的恒定力作为变形的驱动力，网格的边作为弹簧，其相应产生的弹力作为约束力，当达到力平衡状态时，即整体能量最小化时，所有网格单元位置稳定，则可模拟出膨胀的形态；该过程实时计算膨胀后结构的体积直至达到目标充气体积；

由于不同部位的弹性变形系数的差异是由用户预设的材料、加热时间和不同部位的厚度参数决定，由此可以计算整个模型不同部位在一定加热时间后的弹性变形系数，从而确定出在达到目标充气体积时的稳定状态下，模型不同部位由于具有不同的弹性形变系数而发生不同程度拉伸的结果；

生成可打印模型：不断调整基础部分基本几何体参数及限制部分线条参数直至获得满意的动态模拟效果，根据所确定的基础部分、限制部分、气嘴部分确定实体，对所得实体进行布尔运算得到可打印的3D模型。

3.根据权利要求2所述的可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，其特征在于，对于FDM 3D打印而言，所述的厚度差距在0.8mm以上。

4.根据权利要求2所述的可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，其特征在于，动态充气模拟中所述的将基础部分重新进行网格划分，具体为：按所设定宽度将限制部分中线条左右对称偏移后得到几何图案，将基础部分由近似等边三角形组成的网格模型中距离所述几何图案在网格上的投影最近的网格顶点挪到该几何投影上。

5.根据权利要求2所述的可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，其特征在于，动态充气模拟中所述的计算整个模型不同部位在一定加热时间后的弹性变形系数，需要进行预先物理实验并拟合确定不同材料在特定加热温度下不同厚度及不同加热时间与材料弹性变形系数之间的关系。

6.根据权利要求5所述的可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，其特征在于，所述的特定加热温度为T～T+20℃，其中T为所述材料的玻璃化转变温度。

7.根据权利要求5所述的可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，其特征在于，所述预先物理实验包括对不同材料制作不同厚度样品，针对不同厚度样品测定其在特定加热温度下加热不同时间后的拉伸系数。