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3D打印节材优化技术研究

3D打印节材优化技术研究

更新时间: 2019-09-16 10:52:00  查看次数: 24    

随着3D打印(增材制造)技术的进步,任意复杂形状数字化模型都可以快捷地转化为实物模型,个性化的产品定制对于家庭用户也成为现实。但是3D打印技术的普及率却仍然不如传统的制造技术,其中的原因之一便是3D打印的材料费用仍然居高不下。传统的3D打印机配套软件有针对输入的三维模型进行体积优化以节省打印耗材的功能,但是也存在节省耗材较少或是节省材料后模型的机械、物理性能不达标等不足。


  • 提出一种改进的蒙皮-桁架结构快速构建与优化方案,使打印模型的体积在满足产品物理机械性能、受力平衡性、自平衡性和可打印性等多约束条件下实现最小化,以达到节省打印耗材、降低成本的目的。利用网格简化策略快速构建表层桁架结构,与原始网格模型在拓扑上保持相似性,避免桁架与蒙皮之间的冲突;基于试验分析,提出无内节点的内部桁架构建方法,不仅可大幅缩短整体优化时间,且可在保证满足力学约束条件下获得更优的节材效果;将力学准则法与粒子群优化算法有机结合,利用满应力法计算桁架结构的支杆半径作为优化算法的初始值,提高算法在全局范围内搜索最优解的能力和效率,实现桁架结构支杆截面尺寸与系统拓扑结构协同优化的目标。试验结果表明,所介绍方法健壮、有效,具有成本优势和效率优势。

  • 针对需要添加支撑的3D打印工艺提出了一种改进的树状支撑结构构建方案,通过改变打印方向令打印模型所需支撑最少,并在此基础上构建树状支撑结构,同时对树状支撑的生成算法加以改进,使其相对传统支撑结构耗材更少的同时具有较好的可打印性。

  • 针对熔融沉积成型工艺打印出的模型较容易在层与层之间断裂的特点,提出了通过计算几何的方法,检测模型的脆弱部分,并通过优化打印方向以提升脆弱部分的力学性能。相对于使用力学或有限元分析进行模型脆弱部分检测的方法具有更快的执行效率。本文结合研究成果,开发了3D打印节材优化软件系统。主要功能包括:对三维模型进行优化节材、对模型的支撑结构进行优化节材、优化模型的打印方向以改进脆弱部分的力学性能等。

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