[发明专利]一种适用于3D打印的复杂结构彩色灯罩设计与实现方法

摘要

本发明属于计算机辅助设计、工业设计制造技术领域，涉及一种适用于3D打印的复杂结构彩色灯罩设计与实现方法。首先给出基于三周期极小曲面的多孔壳状结构的表示及对应多孔壳状结构设计方法；然后设计具有可调空间及结构的彩色灯罩模型，并利用3D打印机打印出灯罩基结；最后，利用彩色溶液对灯罩基结构进行浇筑，得到多种复杂彩色灯罩。本发明得到的多孔壳状结构具有光滑性、剖分空间全连通性等特点，且多孔壳状结构类型和空隙率简易可调。与全彩色3D打印技术相比，该方法具有颜色空间分类多样可控、打印时间少、制造成比低等优点。

主权项

1.一种适用于3D打印的复杂结构彩色灯罩设计与实现方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)多孔壳状结构构造(1.1)构建多尺度三周期极小曲面在三周期极小曲面函数表示的基础上，引入周期控制参数t形成多尺度三周期极小曲面多尺度三周期极小曲面有多种，具体表达如下：其中，r为三维向量，X＝2tπx,Y＝2tπy，Z＝2tπz，x,y,z分别为r对应的坐标；t为周期控制参数，控制孔洞周期的变化；分别表示四种多尺度三周期极小曲面；(1.2)构建多尺度多孔壳状结构基于步骤(1.1)中构建的多尺度三周期极小曲面，并根据其隐函数等值面描述特征，进一步构建具有厚度的多尺度多孔壳状结构；将两个具有相同周期分布的不同等值面所确定的封闭区域作为多孔壳状结构；两个同周期分布的不同等值面φ1(r)和φ2(r)表示如下：其中，c为壁厚参数，控制多孔壳状结构的壁厚；则对应的多孔壳状结构φs(r)表示为：φs(r)＝min(φ1(r),φ2(r))     (1.7)通过改变两个同周期分布的不同等值面的周期控制参数t和壁厚参数c分别控制多孔壳状结构的孔隙大小和壁厚；(2)基于多孔壳状结构的灯罩内部结构设计与实现(2.1)基于多孔壳状结构的灯罩内部结构设计当多尺度三周期极小曲面为G曲面时，多彩复杂多孔灯罩内部结构由k/2组、共k个不同等值面操作，获得k/2+1种颜色空间，k个不同等值面表示如下，其中k为正偶数：…则对应的多孔壳状结构φs(r)表示为：φs(r)＝max(min(φ1(r),φ2(r)),min(φ3(r),φ4(r)),…,min(φk‑1(r),φk(r)))   (2.7)通过改变周期控制参数t和壁厚参数c2,…,ck来控制结构的孔洞大小和壁厚；当多尺度三周期极小曲面为其他曲面时，对应的多孔壳状结构的获取方法与G曲面相同；(2.2)基于多孔壳状结构的彩色灯罩实现将步骤(2.1)得到的多孔壳状结构的灯罩内部结构与灯罩空心模型进行布尔交运算，得到多孔壳状结构填充的灯罩模型，并添加内外封皮，再使用3D打印机得到灯罩基结构；由于灯罩基结构将模型空间分成k/2+1个全联通性空间，其中k为等值面个数，因此最多使用k/2+1种不同彩色溶液进行浇筑，使得同一连通空间充盈同一种颜色的溶液，且不同种颜色溶液互不干扰；最终，获得具有内部复杂结构的多种彩色灯罩模型。