[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

说明书

本发明公开了一种可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法及系统，该方法包括模拟充气膨胀和实际生产加工两部分；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；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。本发明方法无需设计和建模复杂的几何形态，无需使用昂贵的精密3D打印机和耗材，可提升空腔结构打印可操作性和结果准确性，能够用于大体积变形并具有结构灵活性，可降低定制化个性化成本。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，涉及3D打印模型结构设计和对于3D打印物件的后处理工艺，尤其涉及一种可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法及系统，以使得3D打印物体能够在原本的造型基础上实现可控的二次变形，同时实现打印耗时和材料消耗的节约。

背景技术

3D打印技术能够快速地制作出用户所需的物品，但是它的制作成本(打印材料消耗和打印时间)和打印机尺寸限制了3D打印物品的形态设计。通常情况下，3D打印的时间和材料消耗与3D打印物体模型的尺寸成正比；此外，复杂的形态和悬空结构还需要额外的支撑材料，而支撑结构会增加打印瑕疵并增加打印材料和时间成本。

有研究者提出使用数字光处理固化成型技术(Digital Light Processing，DLP)，通过调整光强度控制光固化树脂的交联强度，使不同部位具有不同玻璃态转化温度，从而打印一种多材料的空腔结构。对打印物体进行加热，当达到其中交联强度较弱的树脂的玻璃态转化温度时，通过充入气体可以使物体发生膨胀变形，生成体积更大的造型。然而，该技术受限于复杂的树脂调配工艺和DLP设备控制技术，打印物体尺寸在毫米级别，且体积膨胀比例小，无法打印更大尺寸的日常用品；在变形结构设计上只允许两个状态的变换；同时由于所用材料和设备的成本较高，该技术的可及性受到限制。

基于此，本发明提出一种使用低成本的FDM 3D打印机和消费级的3D打印耗材制作变形空腔结构的方法及系统，能实现具有更大膨胀比例的3D打印的可变形空腔结构；同时可以通过控制加热时间，实现多个状态的变形。且该方法还可通过调整空腔结构和膨胀比例来创建可调的形状变化能力，从而为3D打印物件提供可调的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法及系统。该方法利用3D打印挤出材料能在加热达到玻璃态转换温度时会变得柔软、可拉伸的材料特性，通过设计模拟软件实现对充气膨胀过程模拟及评估，并将结果可视化同时输出可打印3D模型，之后通过加热具有空腔结构的成型3D打印件使其软化，使得其能够在充气的条件下实现体积膨胀。基于物体厚度与所需加热软化时间的关系，该方法为了进一步控制3D打印空腔结构在加热和充气后变形的结果，对3D打印件的空腔结构中不同部位的厚度进行了局部调整。

本发明采用的技术方案如下：

一种可控制变形的3D打印空腔结构的设计制作方法，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。

上述技术方案中，进一步地，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；