一種并行式多種材料的三維成形方法
【專利說明】一種并行式多種材料的三維成形方法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于快速成形技術(shù)領(lǐng)域，涉及到利用全面積打印噴頭的一種并行式的多材 料的三維成形方法。
[0002] 發(fā)明背景 三維打印層疊快速成形技術(shù)的概念最早是由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT)的scans E.M.和 cima M.J.等人于1992年提出的。三維層疊打印是一種基于液滴噴射成形的快速成形技 術(shù)，單層打印成形類似于噴墨打印過程，即在數(shù)字信號(hào)的激勵(lì)下，使打印頭工作腔內(nèi)的液態(tài) 材料在瞬間形成液滴或者由射流形成液滴，以一定的頻率和速度從噴嘴噴出，并噴射到指 定位置，逐層堆積，形成三維實(shí)體模型?，F(xiàn)有的三維成型技術(shù)為粉末粘結(jié)成形三維打印和直 接成形三維打印兩種為主。 目前的三維成形方法對(duì)單體模型進(jìn)行數(shù)字模型分層處理，形成平面模型的打印成型數(shù) 據(jù)，并逐層打印積累，形成實(shí)際的物理模型。由于受到三維成方形法和成形設(shè)備的限制，存 在成形材料品種單一，成形的制件模型強(qiáng)度低，打印速度慢，打印的時(shí)間過長(zhǎng)等問題，模型 有翹曲變形，層間剝離等一系列缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)目前現(xiàn)有三維成形方法中所制成的模型的構(gòu)成材料單一，成形的模型強(qiáng)度 低，成形時(shí)間過長(zhǎng)等相關(guān)缺陷，本發(fā)明提出一種并行式多種材料的三維成形方法。這種方法 通過對(duì)三維模型的有限元分析，明確模型的多材料組成。實(shí)現(xiàn)并行式的同步多種材料連續(xù) 堆疊成形的制造方法。
[0004] 本發(fā)明提出一種并行式多材料的三維成型方法，這種方法首先根據(jù)模型功能要求 進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的STL建模，再依據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行成型材料的空間結(jié)構(gòu)分配；包含STL 模型和有限元分析結(jié)構(gòu)空間性能的二重三維STL模型進(jìn)行模塊化劃分，獲得一系列的成型 模塊信息，包括STL模型、成型材料的構(gòu)成、精度等成型工藝參數(shù)等；對(duì)三維成型模型進(jìn)行 結(jié)構(gòu)和空間組成材料的一體化的對(duì)應(yīng)綁定，即將模型的有限元分析后得到的云圖上分布色 彩信息，渲染到同一模型的STL模型的空間結(jié)構(gòu)上，使STL模型成為帶有空間色彩分布的二 重三維STL模型，并定義為一種顏色對(duì)應(yīng)一種性能不同的成型材料，實(shí)現(xiàn)模型功能要求進(jìn) 行模型的幾何拓?fù)湫螤睿▎紊玈TL面模型數(shù)據(jù)表示）和材料組成機(jī)構(gòu)(彩色信息表示)的同 步一體化設(shè)計(jì)，模型中包含多種顏色對(duì)應(yīng)模型由多種材料構(gòu)成。對(duì)二重STL模型進(jìn)行切片 分層或功能模塊單元化分配，獲得一些列彩色切片或彩色模塊單元。
[0005] 利用全面積成形系統(tǒng)，依據(jù)逐層堆疊成形制造方式，制造出多材料組成的模型。
[0006] 利用本發(fā)明的并行式多材料的三維成型方法和空間結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)思想， 在二重三維模型成型過程中其模型中的任意一點(diǎn)纟可以表示為其中 S_七鶴樣，表示 模塊的第i行第j列個(gè)像素點(diǎn)、M表示該點(diǎn)的材料分布矩陣、^表示切片或模型的厚度、η表 示該模型的總的切片或模塊數(shù)量。
[0007] 在本發(fā)明中為了得到精確的切層圖像，須將零件截面在Pro/ENGINEER或CAD等 工程圖模塊下，按照1:1的比例顯示并打印成圖片格式文件，并對(duì)圖像進(jìn)行彩色賦值。切層 圖像處理過程包括圖像的灰度化和二值化。灰度化是將通過Pro/ENGINEER或CAD得到的 24位真彩色圖像每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值通過一系列計(jì)算后，使三者值相等。二值化是選取適 當(dāng)?shù)拈撝礣n與每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行比較，將所有大于或等于閾值的像素點(diǎn)的灰度 值設(shè)置為255,所有小于閾值的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0,從而將整幅圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的 灰度值設(shè)為〇或255,使整副圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。 在本發(fā)明采用的24位RGB表示（R為紅色、G位綠色、B為藍(lán)色）每個(gè)像素位置點(diǎn)的彩 色信息，RGB各有256級(jí)亮度，用數(shù)字表示為從0、1、2...直到255,理論上計(jì)算2553得到 16, 582, 375種色彩。根據(jù)一種色彩對(duì)應(yīng)一種材料，所以三維成型模型的各切片或模塊上的 色彩種類與所需要材料要相一致，從1~16, 582, 375種成型材料，即本發(fā)明的全面積成型 系統(tǒng)的材料數(shù)量為N種，N可為1~16, 582, 375種。
[0008] 并行式多材料三維成型方法的工藝過程如圖1所示為： (1)構(gòu)建三維CAD實(shí)體模型 建模的過程，就是利用AutoCAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)并制作完成所需模型的電子 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并將形成三維的實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件，形成三維模型的數(shù)據(jù)，構(gòu)造成所 設(shè)計(jì)的CAD立體模型。
[0009] (2)模型進(jìn)行有限元分析 將形成的三維立體模型作為有限元分析（ANSYS)的模型數(shù)據(jù)，通過限定有限元適應(yīng)參 數(shù)，對(duì)形成的三維模型進(jìn)行實(shí)用性分析和計(jì)算，這些分析包括運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、疲 勞分析等，生成顯示不同區(qū)域物理狀態(tài)的云圖，通過這樣ANSYS分析和計(jì)算的分布云圖，明 確模型的不同區(qū)域的受力強(qiáng)度、受熱強(qiáng)度，以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中結(jié)構(gòu)的塑性變化等特征性能。利 用這種經(jīng)過有限元分析的結(jié)果，來評(píng)估和確定模型受熱、受力等物理狀態(tài)的區(qū)域分布，進(jìn)而 為確定模型不同區(qū)域和位置的材料分布。
[0010] 將模型分析云圖所具有16, 582, 375種顏色作為不同成型材料分配的依據(jù)，在有 限元分析的云圖中常規(guī)的顏色被默認(rèn)為九種顏色，用RGB分別表示為{0, 0, 255}純藍(lán)色、 {0，128, 255}青色、{0, 255, 255}湖藍(lán)色、{0, 255，128}粉綠色、{0, 255,0}綠色、{128， 255, 0}草綠色、{255, 255, 0}黃色、{255，128, 0}橙色、{255, 0, 0}紅色。
[0011] (3)模型格式轉(zhuǎn)換 利用STL法（即三角化處理方法）將模型進(jìn)行面化處理，利用小三角面片逼近不規(guī)則自 由曲面，每個(gè)小三角面片由三個(gè)坐標(biāo)頂點(diǎn)和法向矢量這四個(gè)數(shù)據(jù)來表示，整個(gè)模型是一組 矢量的集合。通過控制小三角面片大小，得到近似程度不同的曲面模型。
[0012] 將經(jīng)過有限元分析的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成全面積成型系統(tǒng)所接STL文件格式。并將有 限元分析的云圖的顏色分布，依據(jù)模型的結(jié)構(gòu)渲染的所建立的三維模型中。以模型的不同 顏色分布對(duì)于不同材料選擇，形成模型中不同材料的模塊化的的數(shù)據(jù)包，利用模型的模塊 化的支撐結(jié)構(gòu)，形成支撐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包。將這些數(shù)據(jù)包直接傳給本發(fā)明的全面積成型系統(tǒng)中， 依據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)自動(dòng)選擇打印成型所需要的不同材料。同時(shí)將數(shù)據(jù)和模型保存在文件*. STL 副本中，并彈出參數(shù)分配設(shè)置對(duì)話窗口中，來根據(jù)實(shí)際的加工精度要求設(shè)置弦高度和角度 等成型參數(shù)。
[0013] (4)模型成型數(shù)據(jù)的自動(dòng)修復(fù) 由于模型經(jīng)過有限元分析和文件的格式轉(zhuǎn)換成STL文件。STL模型對(duì)于實(shí)體幾何模型 的面片法線方向反向、面與面的間隙、面丟失、面重合、面交叉、多余面、部件脫離導(dǎo)致切片 輪廓數(shù)據(jù)的丟失，通過對(duì)切片輪廓的不封閉輪廓線的處理，找到輪廓斷開點(diǎn)，計(jì)算各個(gè)斷點(diǎn) 之間的距離，連接距離最近的斷開點(diǎn)，并修正各段輪廓線的方向。
[0014] 在STL模型分成后的輪廓信息文件中，對(duì)于其中的一些微小線段，在當(dāng)前的成型 系統(tǒng)的精度要求下，無法插補(bǔ)加工，可以作為冗余點(diǎn)去除這些數(shù)據(jù)。還有剔除重合點(diǎn)和一條 直線段的多余點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以減少多余的插補(bǔ)運(yùn)算。這樣利用全面積成型軟件系統(tǒng)可以對(duì)所 形成的缺陷進(jìn)行自動(dòng)尋找的補(bǔ)充，并進(jìn)行修復(fù)。
[0015] (5)模型定向 完成二重三維模型設(shè)計(jì)后，選擇二重三維模型的擺放方向和位置。
[0016] (6)支撐結(jié)構(gòu)的生成 在三維成型系統(tǒng)中，對(duì)模型中的懸垂部分和較大的懸臂及梁等結(jié)構(gòu)制備支撐或連接結(jié) 構(gòu)。根據(jù)二重三維模型的擺放的位垂直水平面投影自動(dòng)生成支撐結(jié)構(gòu)，通過平行水平面投 影自動(dòng)生成支撐結(jié)構(gòu)，這些支撐結(jié)構(gòu)在模型打印成型完成后能過拆除，不影響模型的整體 結(jié)構(gòu)。
[0017] (7)模型切片或模塊劃分 模型分層是利用分成軟件將三維數(shù)字模型進(jìn)行分層化處理。分層是沿模型的堆積方向 按照層厚進(jìn)行分成，獲得每層截面的輪廓信息，包括分成后進(jìn)行的糾錯(cuò)處理，截面輪廓線生 成以及截面輪廓區(qū)域填充等。在成形時(shí)間范圍內(nèi)，采用最小的切層厚度，從而獲得較高的模 型制作精度。
[0018] (8)全面積三維成型設(shè)備的調(diào)試 在每次成型過程中都要對(duì)打印頭進(jìn)行清洗，以保障打印頭的清潔和噴頭的暢通。在開 始成形之前啟動(dòng)成形調(diào)試程序，將所有成形噴孔開始噴材料，噴到顯色對(duì)比試紙上，如果成 形測(cè)試所顯色與顯色對(duì)比試紙上的顏色一致，說明成形頭沒有堵塞，否則說明成形頭上的 噴孔堵塞。
[0019] (9)全面積三維成型過程 利用全面積三維成型系統(tǒng)來自動(dòng)識(shí)別成型模型中不同物理狀態(tài)區(qū)域顏色和位置，根據(jù) 多種顯示不同物理狀態(tài)的顏色來自動(dòng)選擇不同的成型材料。首先根據(jù)三維模型的STL文件 數(shù)據(jù)來選擇三維成形的位置，每一層的具體位置坐標(biāo)和數(shù)據(jù)。其次利用有限元分析的結(jié)果， 自動(dòng)選擇所用的成形材料，這個(gè)材料是與顏色位置信息相一致的。
[0020] 設(shè)置模型成形參數(shù)，初始位置參數(shù)，連接到打印成型的全面積打印噴頭系統(tǒng)中，自 動(dòng)生成支撐結(jié)構(gòu)和選擇支撐材料，打印形成支結(jié)構(gòu)。再根據(jù)模型中不同物理狀態(tài)模塊顏色 分布一次性連續(xù)打印成型模型模塊，將這些模塊依據(jù)位置順序自動(dòng)成形銜接起來就形成所 要的三維模型。
[0021] (10)成型實(shí)體模型的后處理 將打印好的實(shí)體模型從工作臺(tái)上取出來，去除支撐，清洗實(shí)體模型，打磨，大型模型拼 接，部分模型還要除夾具。
[0022] 本發(fā)明的并行式多材料三維成型方法所成型的模型所采用的成型材料可以為熱 熔性材料、光固聚合物、混合凝固的粉狀材料以及生物材料中的一種或多種，在屬性上可以 分為金屬材料、無機(jī)材料、有機(jī)材料等三大類。
[0023] 其中金屬材料(如不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、金銀等貴重 金屬、銀萊合金、鉭、鈮等金屬和合金、堿金屬及其合金、氧化鐵、