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3D打印模型优化研究

更新时间: 2019-09-16 11:42:53  查看次数: 339    
3D打印模型在打印出来后容易损毁,或者打印失败,也是对打印材料的浪费。因此,在不改变模型体积的前提下,优化打印物件的机械、力学性能,提高其质量,或是进行可打印性分析,确保打印的过程成功,也是一种节约材料的方式。目前,已经有了不少相关研究。


Telea等根据经验总结出影响模型可打印性的关键是模型中过细的部分,通过基于体素表达与计算,以及多尺度形态学与测地分析工具,制定了多个相应的判定准则,给出了一个分析模型可打印性的算法,但是对于判别为不可打印的模型,他们并没有给出完整的可打印性方案。


Nelaturi等对Telea的方案进行了改进,利用局部加粗的方法来修复不可打印模型,但是该方法使模型的体积增加,并不能节省材料。Zhou等单纯从模型的几何形态以及材料成分的基础上对模型最易断裂或损坏的部分进行分析,其中核心技术为模态分析(modalanalysis)。但是他们只考虑了材料的线性弹性,并未对材料的各种属性进行充分分析,以及提出切实可靠的优化方案。Stava等通过分析模型自重以及模型被拿起时可能的受力情况检测薄弱结构,并通过增加支杆、局部加粗等方式来增加模型的可打印性与力学性能。加粗了模型的腿部并在后背加上支柱,使得模型可以完整打印,但是此方法在使模型更坚固的同时也显著地增加了模型的体积。Prevost等提出一种根据模型在重力下力矩平衡对其进行变形优化,使其能够以指定的方式平稳站立。其中允许改变模型的内部结构或对模型表面形变。上述研究都是基于有限元的分析方法,为了提高分析的准确性往往需要创建四面体网格,并且需要求解大量的线性方程组,因此耗时较长,尽管上述研究都经过近似计算,但仍不能够在交互设计时实时地反馈分析结果,并且,有限元方法对网格的质量要求较高,狭长、自交或是有孔洞网格都将影响分析结果。


Umetani等将复杂的模型简化为简单的结构,并用材料力学的方法进行定性分析。这种定性分析的方法对于物体脆弱区域的鉴别同有限元相似,对于3D打印的原型件而言可以达到结构分析的效果。其优点是对于网格质量没有特殊的要求,任意网格均可用于分析,并且力学模型简单,分析时间短,可以实现实时的反馈。具体的,作者将欧拉-伯努利假设拓展到三维区域,并假定物体只受弯曲应力,通过将物体分成若干层,并分析每层截面上所受弯曲应力的情况来判定脆弱区域,最后通过优化打印方向来提高物体的力学性能。优化打印方向以提高力学性能的方法,在优化了物体的力学性能、可打印性的同时,也不需要改变物体的体积。但该方法仍存在不足之处。第一,为了提高分析速度,在计算的过程中将同层不同区域的一些截面当做一个截面进行分析,使得其分析结果偏离真实的受力情况;第二,该方法采用了固定的判据,因此当物体体积超过一定范围(仍是可打印范围)时将判断不出任何危险截面,或者当物体体积很小时将把物体分层得到的所有截面视为危险截面。