但是,,現(xiàn)有的3D打印軟件的這個(gè)功能都十分有限,不能自動計(jì)算掏空物體的薄層厚度以及判斷所填充的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的密度,,這些都需要用戶手工進(jìn)行設(shè)置,。若用戶設(shè)置不合理,要么打印出來的物體不能滿足物理要求(比如硬度不夠而易碎)或幾何要求(比如站立不穩(wěn)),,要么過多使用了打印材料,。
【啟發(fā):建筑工程中的剛架結(jié)構(gòu)—一種典型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)】
我們的想法是來源于我們生活中(比如飛機(jī)場、火車站,、體育館頂部)常見的一種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)—剛架結(jié)構(gòu),,如下圖所示。這些剛架結(jié)構(gòu)是由一些細(xì)桿通過一些節(jié)點(diǎn)相連而成,,形成空間的一個(gè)圖結(jié)構(gòu),。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩點(diǎn):一、力學(xué)特性好,。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)受到外力時(shí),,此處的受力能通過相鄰的細(xì)桿迅速傳播分散開來。因此,,雖然是稀疏的桿結(jié)構(gòu),,但是卻能承載很大的外力,,具有良好的剛度和強(qiáng)度特性。二,、質(zhì)量輕便,。這種結(jié)構(gòu)是由稀疏的細(xì)桿組成,因此總體質(zhì)量不大,,很好的減少了結(jié)構(gòu)本身的重量及所使用的材料,。基于上述的兩個(gè)特性,,這種剛架結(jié)構(gòu)被大量地應(yīng)用于許多領(lǐng)域,,比如大型建筑、橋梁,、材料,、航空航天等。
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中科大“經(jīng)濟(jì)型”3D打印技術(shù)研發(fā)成功,,節(jié)省材料
2013-9-25 23:52 上傳
【我們的方法:設(shè)計(jì)物體的蒙皮-剛架結(jié)構(gòu)表示】
受到剛架結(jié)構(gòu)的啟發(fā),,我們的想法是:對于給定的一個(gè)三維模型,我們將模型表達(dá)成一個(gè)很薄的蒙皮以及內(nèi)部的剛架結(jié)構(gòu),,使得表達(dá)后的物體的體積(即所使用的打印材料)最小,,而且使得打印物體能夠滿足所要求的物理強(qiáng)度,受力穩(wěn)定性,,自平衡性及可打印性等要求,。
我們的目標(biāo)函數(shù)包括兩個(gè)。第一個(gè)目標(biāo)為使得物體的體積最小,,即蒙皮體積及剛架結(jié)構(gòu)的體積之和最小,。由于蒙皮的厚度的增加會很快增加體積,因此我們將蒙皮的厚度固定為最小可打印精度,,不作為優(yōu)化變量,。因此,需要優(yōu)化的變量只包括剛架結(jié)構(gòu)中的細(xì)桿的半徑,、節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及位置,。第二個(gè)目標(biāo)為使得剛架結(jié)構(gòu)中的細(xì)桿數(shù)量及節(jié)點(diǎn)數(shù)量盡量少,該目標(biāo)是為了使得不要出現(xiàn)冗余的細(xì)桿及節(jié)點(diǎn),。
為此,,我們通過多目標(biāo)優(yōu)化建模,提出一種迭代優(yōu)化的方法來優(yōu)化我們的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù),。只要從任意的一個(gè)剛架結(jié)構(gòu)出發(fā)(可隨機(jī)產(chǎn)生),我們的算法可以智能地優(yōu)化出細(xì)桿的半徑,,去除多余的細(xì)桿及節(jié)點(diǎn),,以及優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的位置,使得總體積最小。如下圖所示,,(a)為輸入的三維模型,;(b)為隨機(jī)生成的剛架結(jié)構(gòu);(c)為拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果,,去除了冗余的細(xì)桿及節(jié)點(diǎn),;(d)為幾何優(yōu)化的結(jié)果,得到細(xì)桿的半徑,。拓?fù)鋬?yōu)化和幾何優(yōu)化步驟不斷迭代得到最終結(jié)果,。圖中細(xì)桿的顏色表示其半徑(參看右端的顏色桿)。
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下圖為用我們的方法得到的結(jié)果,,(a)為優(yōu)化后的內(nèi)部剛架的半徑顏色圖;(b)為所打印出來的剛架結(jié)構(gòu)實(shí)物照片,;(c)為最終打印的加上蒙皮(內(nèi)部為剛架結(jié)構(gòu))的實(shí)物照片,。下一行的底座比上一行的底座稍短些,為了保持所打印物體的穩(wěn)定性(能夠站立而不倒),,可以看出細(xì)桿半徑經(jīng)我們的算法優(yōu)化后是如何自適應(yīng)變化的,。
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下圖為更多的一些經(jīng)我們的算法得到的模型(上排,,為了能看到內(nèi)部的剛架結(jié)構(gòu),,我們沒有顯示前面一半的蒙皮)及打印的實(shí)物模型的照片(下排,物體前方的紅色圖釘是為了對比物體的大�,。�,。
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上述照片中的實(shí)物為由SLS型(激光粉末燒結(jié))打印機(jī)(型號:Sinterstation HiQ SLS)所打印的,。
【FDM打印的自支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化】
在激光粉末燒結(jié)SLS類型的打印中,,粉末自然提供了打印過程中的支撐。對于其他一些類型,,特別是FDM打印類型,,則需要額外的一些自支撐材料使得打印能夠正常操作下去。打印過程中會同時(shí)消耗大量的支撐材料,。比如,,一些打印機(jī)附帶的軟件只是在物體的凹處簡單地打印自支撐的結(jié)構(gòu),如下圖左,。這樣會造成大量的自支撐材料的浪費(fèi),;另外,很難剝除掉這些支撐材料,。
同樣基于剛架結(jié)構(gòu)的受力分析原理,,我們開發(fā)了一種算法,,能夠智能地設(shè)計(jì)自支撐結(jié)構(gòu),如下圖右,,這種自支撐結(jié)構(gòu)也是由一些細(xì)桿組成,,能夠在打印過程中起到自支撐的作用。很容易看出,,我們算法設(shè)計(jì)的自支撐結(jié)構(gòu)極大地減少了支撐材料的浪費(fèi),,并且非常容易剝除掉。
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2013-9-25 23:54 上傳
下面是其他的我們算法設(shè)計(jì)的自支撐結(jié)構(gòu)且由FDM打印機(jī)打印的實(shí)物照片,。
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