CN104881513A - 一种基于3d打印的汽车造型概念模型加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，属于汽车造型概念设计领域。步骤如下：(1)基于图像/草图的模型三维重建；(2)面向3D打印的模型结构优化；(3)面向3D打印的实体建模；(4)支撑结构的生成；(5)3D打印成型五个部分。该工艺实现了从汽车图片/草图到汽车实物模型的快速表现，在快速实现个性化实物模型的同时降低了模型加工成本，提高加工效率，而且操作简单。该工艺在汽车概念设计阶段，为汽车造型工程师提供了一个可靠的3D打印汽车造型概念模型加工工艺。
Description
技术领域
本发明属于汽车造型概念设计领域，具体地涉及一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺。
背景技术
近年来，3D打印技术作为一项创新性技术得到了广泛的应用。该技术在成型原理上采用层层叠加的方式，加工工艺不受实体原形复杂程度的影响，可以实现具有复杂外轮廓的形状制品制备，该技术在医学、机械、教学、艺术设计等领域有着广泛的应用。目前，3D打印技术在牙模、头部医学模型、京剧脸谱等方面的制作工艺已有公开。本发明公开一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，该工艺包括基于图像/草图的模型三维重建、面向3D打印的结构优化、面向3D打印的实体建模、支撑结构的生成、3D打印成型五个步骤。
在3D打印汽车造型概念模型加工工艺中，其中所述基于图像/草图的模型三维重建，传统的方法根据模型图像的特征信息，手动提取模型特征曲线，根据曲线与不同视图中图像的对应关系，调节曲线位置，得到模型的空间曲线模型，然后生成三维曲面模型，该方法需要点、线、面的反复操作，且模型不能重用。本发明所用李宝军等(CN104392042A)“基于模型数据库的快速3D车身造型方法”，该方法是在“基于图像/草图的模型重建”方法基础上的一种改进和创新，该方法利用定义的车身特征线构建车身数据库，利用参数化模型可变形、可重用的特点，通过输入车身右视图，能够快速重建车身三维模型；在面向3D打印的模型结构优化方面有许多相关的研究，Whiting等(Whiting E J W.Design of structurally-sound masonry buildings using 3D static analysis[D].Massachusetts Institute of Technology,2012.)利用“拱形结构”具有自支撑的特点，将拱形结构代替原有实体结构，并通过优化拱形结构尺寸使得模型满足静力平衡要求，达到节省材料的目的。Lu等(Lu L,Sharf A,Zhao H,et al.Build-to-last:Strength to weight 3D printed objects[J].ACM Transactions onGraphics(TOG),2014,33(4):97.)提出了采用蜂窝状结构对模型进行镂空的优化方法，利用蜂窝状结构具有较高的“强度/重量”比，该结构较实体结构能够大幅度降低材料成本。Wang等(Wang W,Wang T Y,Yang Z,et al.Cost-effectiveprinting of 3D objects with skin-frame structures[J].ACM Transactions on Graphics(TOG),2013,32(6):177.)构造“蒙皮—刚架”式结构优化模型，通过优化刚架中杆件的数量和体积，达到降低模型质量，提高模型稳定性的目的。以上“蜂窝状”、“拱形结构”、“蒙皮—刚架”式结构，其主要思想是通过利用轻量化的“替代结构”来代替原有模型内部实体填充结构，并在模型给定工况下优化“替代结构”的尺寸和形状达到模型轻量化的目的。本发明所用基于板壳结构模型的变厚度优化方法主要针对车身板壳类模型的打印，以模型板壳结构单元厚度为变量，质量最小为目标，得到满足模型强度要求的板壳最优厚度分布；所述支撑结构生成方面，树状支撑结构较传统Makerware所用支撑结构，能够降低支撑材料40％以上，且在模型后处理中，支撑结构的去除相对较容易，模型表面质量较好。
该工艺特点在于综合各部分的优点，形成了针对汽车模型的制作的工艺，该工艺具有操作简单、制作周期短、成本低的优点，在汽车概念设计阶段为设计师快速表面实物模型提供了一个很好的方案。
发明内容
本发明提供了一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，从汽车图片/草图到汽车实物模型打印的一整套工艺流程，该流程在快速实现个性化实物模型的同时降低模型加工成本，提高加工效率，而且操作简单。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，包含以下步骤：
(一)基于图像/草图的模型三维重建
本发明所用“一种基于模型数据库的快速3D车身造型方法，申请号201410680380.8”是在“基于图像/草图的模型三维重建”方法的一种改进，该方法具体流程如下：
(1-1)定义特征线模板：按照车身结构特征对不同车型定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板。
(1-2)特征线模型速配：将实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像与步骤(1-1)得到的特征线模板进行精确速配；匹配步骤：首先利用图像分割方法提取实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像，再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线，然后将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配。
(1-3)建立数据库：将步骤(1-2)得到的实际二维车身图像与对应特征线模型进行匹配注册，建立模型数据库；
(1-4)由实际二维车身右视图的二维特征线重建三维曲线网格：重建方式如下：
a)输入车身右视图图片，通过步骤(1-2)获取实际二维车身右视图特征线，分析实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图间特征线的对应关系，选择实际二维车身右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线；
b)平均3D形变模型的生成：对于不同的车型，分别建立多个3D曲线网格模型，建立3D网格模型库，将各3D曲线网格模型对应坐标值算数平均得到平均3D形变模型。
c)实际二维车身右视图特征线生成3D特征线网格：利用步骤(b)中得到的平均3D形变模型，以实际二维车身右视图特征线上控制点的x方向和y方向坐标固定为刚性约束，基于稀疏重建方法求得所有3D特征线的参数。
d)3D特征线的后处理：通过分析实际二维车身结构，根据迭代算法调整相连两条特征线之间的连续性关系，包括C0，C1等。
e)生成车身三维曲面模型：将车身曲面分成三类：四边曲线网格曲面(TCM)、N边曲面(NSS)和边约束裁剪曲面(TS)。根据车身结构将不同特征线组合形成的模块定义为对应的曲面生成方法，实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型，将输出的车身三维曲面模型存入数据库中。同时生成相应的三维*step，*prt，*igs等格式的工业模型数据，更好的表现了设计意图。
(二)面向3D打印的模型结构优化
本发明中所用基于板壳结构模型的变厚度优化方法，该方法具体流程如下：
(2-1)将步骤(一)中得到的车身三维曲面模型进行三角网格刨分，得到模型Fout，将Fout向内进行厚度为T的偏置得到模型Fin，然后缝合Fin和Fout的边界得到封闭的三角网格M，其中M内表面Fin为可变形体。
(2-2)抽取三角网格M的中面Fm，根据实际车身受力工况，设定中面Fm的载荷和边界条件，建立厚度为T的等厚度有限元模型，进行有限元求解计算，得到等厚度模型的强度、刚度或模态等计算结果，由强度、刚度或模态确定在变厚度拓扑优化中模型的约束条件，使得变厚度模型满足与等厚度相同或相近的强度、刚度或者模态等结果。
(2-3)对中面Fm建立变厚度优化模型，以Fm质量最小为优化目标；Fm的每个单元厚度t为设计变量，t的取值范围为(Tmin，T)，其中Tmin为打印机最小打印尺寸和能进行可靠打印的最小厚度，T为等厚度偏置尺寸；以强度、刚度或者模态等设为模型约束条件。对中面Fm进行变厚度优化求解计算，得到满足约束条件的中面Fm最优单元厚度分布结果，并提取中面Fm各节点所对应的厚度值。
(三)面向3D打印的实体建模
根据步骤(二)中得到的中面Fm各节点所对应的厚度值，构造可打印的变厚度汽车板壳模型。
为了保持M外表面的美观，只对可变形体Fin进行网格变形，根据步骤(二)中得到的中面Fm各节点所对应的厚度值，利用Fm与Fin的节点相映射关系，得到Fin厚度场分布信息，然后利用节点偏置的方法对Fin变形，调节M的厚度，得到变厚度的汽车板壳结构模型m。
(四)支撑结构的生成
现在主流的3D打印工艺有熔融沉积成型工艺(以下简称FDM)、立体光固化成型工艺(以下简称SLA)、选择性激光烧结工艺(以下简称SLS)、分层实体制造工艺(LOM)等。其中SLS、LOM型打印机能够利用打印材料进行自支撑，不需要支撑结构，打印工艺可以省略此步骤直接进行模型打印。以FDM和SLA型3D打印机进行打印，模型的悬垂部分需要设置支撑结构，以保证模型的可靠打印，生成支撑结构的具体流程如下：
(4-1)选择变厚度的汽车板壳结构模型打印方向
对变厚度汽车板壳结构模型的打印方向空间进行均匀采样，计算模型在采样空间各个方向的支撑总长度和模型的支撑面积，根据支撑总长度和支撑面积进行模型打印方向的选择。
(4-2)检测模型悬垂部分
悬垂部分包括三种：
a)悬垂点：点的位置低于它的相邻点(局部最低点或者全局最低点)。
b)悬垂面片：α为该面片所在的平面和打印方向之间的夹角，如果α大于所定义的临界角则为悬挂面片，的大小与打印机和打印材料有关，最大可达到45度。
c)悬垂边：其定义与悬挂面片相似，其中悬垂边的法向为与之相邻的两个面片法向的平均值。
(4-3)生成支撑结构：
常见的支撑结构有垂直杆结构，菱形结构、树状结构等，其中所述树状支撑结构限制为线性连接结构，生成原理具体流程如下：
P为模型需要支撑结构支撑的点集；S为支撑结构合并的交点集；C为P点所对应的锥形体集合，其中锥形体是以顶角作圆锥，
该流程的输入是一系列点P，这些点从上到下排序，步骤如下：
a)计算点pi∈p所对应的锥形体ci∈C与模型m以及C中其它的锥形体的交集H；
b)在H中，选择距离点pi最近的点s以及该交点s所对应的锥形体cj，如果交点s超出m的范围，则从P和C中移除相应的pi和ci，继续进行第1步，；
c)在P中插入点s，s点成为新的悬挂点，两个支撑杆(从pi点以及cj所对应的pj点)在点s处交于一个点；
d)在s点处作圆锥体，移除点pi和相应的ci；
e)从P中取一个新的点p，重复步骤(4-1～4-4)，直到第K次循环后P为空集，整个过程结束。
(五)3D打印成型
(5-1)参数设置：打印精度一般在0.1～3mm；PLA材料的打印温度一般在230℃左右；打印速度和供料速度一般小于150mm/min。
(5-2)打印路径生成；
(5-3)联机打印；
(5-4)模型后处理，去除支撑结构，得到汽车实物模型。
通过基于图像/草图的模型三维重建、面向3D打印的模型结构优化、面向3D打印的模型结构优化、支撑结构的生成以及3D打印成型五个步骤实现了由汽车图片/草图快速实现汽车实物模型的目的，同时面向3D打印的模型结构优化方法降低了3D打印制作模型的成本，提高了打印效率。
以上说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清晰的了解本发明的技术手段，并可依照说明的内容予以实施，以下以本发明的实例并配图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施案例及其附图详细给出。
本发明的有益效果：
1)本发明针对汽车造型概念模型进行3D打印，在汽车造型领域为车身造型工程师快速设计及加工概念模型提供了一个可靠的解决方案，缩短了产品研发周期，降低实验成本；
2)本发明提出的一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，具有快速三维建模、结构优化、3D打印成型的完整工艺流程，在给定载荷及约束下的工况下，得到满足模型的使用要求，且制作成本较低车身模型；
3)本发明利用的在基于数据库的基础上由单一视图快速生成三维曲面模型方法，更准确、简单、直观展现汽车车身设计效果。
附图说明
图1为一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺技术方案流程图。
图2为基于模型数据库的快速3D车身造型方法。
图3为主视图特征线图。
图4为后视图特征线图。
图5为右视图特征线图。
图6为顶视图特征线图。
图7为三维曲线编号图(前3/4视图)。
图8为三维曲线编号图(后3/4视图)。
图9为车型分类之阶梯背-四门-三侧窗。
图10为车型分类之阶梯背-四门-两侧窗。
图11为车型分类之阶梯背-两门-两侧窗。
图12为车型分类之直背-四门-三侧窗。
图13为车型分类之直背-四门-两侧窗。
图14为车型分类之直背-两门-两侧窗。
图15中1-21为车身三维曲面中划分的四边曲面模块。
图16为四边曲面的生成模板。
图17为N边曲面的生成模板，其标号为三维曲线网格中所对应的序号。
图18变厚度拓扑优化流程图。
图19变厚度拓扑优化厚度分布图。
图20面向3D打印的实体建模流程图。
图21可打印的变厚度板壳结构模型
图22a支撑点圆锥体示意图。
图22b支撑结构线性连接图。
图23树状支撑结构结果图。
图24汽车实物模型图。
具体实施方式
下面结合附图和某汽车模型的3D打印成型实例对本发明的技术实施过程做进一步说明，图1为一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺技术方案流程图，具体包括以下步骤：
(1)基于模型数据库的快速3D车身造型方法，如图2所示：
(1-1)按照车身结构特征定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板；构成特征线模板的特征线是由4个控制点生成的三次贝塞尔曲线(Bézier)，对于不同的车型，其特征线模板的特征线数量及编号顺序一致，并在形状上拓扑一致。表1-4是对每条特征线在车身结构中专业术语的说明。
表1.主视图特征线所代表的专业术语(图3)
表2.后视图特征线所代表的专业术语(图4)
表3.右视图特征线所代表的专业术语(图5)
表4.顶视图特征线所代表的专业术语(图6)
各个视图的特征线其对应关系如表5所示：
表5.主、后、右、俯四个视图中各条线的对应关系
三维视图中的线条与各个视图的对应关系如表6所示：
表6. 2D curves--3D CurvesNET的对应关系(图7-图8)
| 3D视图 | 主视图(42条线) | 右视图(97条线) | 后视图(40条线) | 俯视图(59条线) |
| N1 | 42 | 25 | 50 | |
| N2 | 41 | 1 | 51 | |
| N3 | 2 | 52(-1) | ||
| N4 | 3 | 53(-1) | ||
| N5 | 4 | 54 | ||
| N6 | 5 | 55 | ||
| N7 | 6 | 56 | ||
| N8 | 7 | 38 | 57 |
| N9 | 8 | 39 | 58 | |
| N10 | 9 | 40 | 59 | |
| N11 | 43 | 1(-1) | ||
| N12 | 9 | 24 | 2(-1) | |
| N13 | 8 | 23 | 3(-1) | |
| N14 | 7 | 22 | ||
| N15 | 6 | 21 | ||
| N16 | 20 | |||
| N17 | 19 | |||
| N18 | 18 | |||
| N19 | 17 | |||
| N20 | 16 | |||
| N21 | 15 | |||
| N22 | 14 | |||
| N23 | 13 | 6 | ||
| N24 | 12 | 7 | ||
| N25 | 11 | 59(-1) | ||
| N26 | 10 | 8 | 8(-1) | |
| N27 | 9 | 9 | ||
| N28 | 22(-1) | 10 | ||
| N29 | 21 | 11 | ||
| N30 | 20 | 12 | ||
| N31 | 17 | 13 | ||
| N32 | 16(-1) | 14 | ||
| N33 | 15(-1) | 15 | ||
| N34 | 14 | 16 | ||
| N35 | 65 | 17 | ||
| N36 | 12(-1) | 18 | ||
| N37 | 66 | 19 | ||
| N38 | 12(-1) | 20 |
| N39 | 67 | 21 | ||
| N40 | 14(-1) | 22 | ||
| N41 | 15(-1) | 23 | ||
| N42 | 68 | 16 | 24 | |
| N43 | 34 | 41 | ||
| N44 | 17 | 25 | ||
| N45 | 18 | 26 | ||
| N46 | 43 | 27 | ||
| N47 | 44 | 28 | ||
| N48 | 50 | 31 | ||
| N49 | 55 | 34 | ||
| N50 | 56 | 35 | ||
| N51 | 57 | 36 | ||
| N52 | 52 | 33 | ||
| N53 | 46 | 30 | ||
| N54 | 18(-1) | 80 | ||
| N55 | 19(-1) | 79 | ||
| N56 | 58 | 37 | ||
| N57 | 59 | 38 | ||
| N58 | 60 | 39 | ||
| N59 | 61 | 40 | ||
| N60 | 85 | 41 | ||
| N61 | 86 | 42 | ||
| N62 | 45 | 29 | ||
| N63 | 51 | 32 | ||
| N64 | 49 | 42 | ||
| N65 | 47 | 44 | ||
| N66 | 53 | 46 | ||
| N67 | 97 | |||
| N68 | 96 |
| N69 | 95 | |||
| N70 | 48 | |||
| N71 | 54 | |||
| N72 | 69 | |||
| N73 | 62 | |||
| N74 | 63 | |||
| N75 | 70 | |||
| N76 | 19 | 9 | ||
| N77 | 23 | 48 | ||
| N78 | 49 | |||
| N79 | 26 | |||
| N80 | 27 | |||
| N81 | 28 | |||
| N82 | 29 | |||
| N83 | 34 | |||
| N84 | 35 | |||
| N85 | 36 | |||
| N86 | 37 | |||
| N87 | 24 | 72 | ||
| N88 | 25 | 73 | ||
| N89 | 26 | 74 | ||
| N90 | 27 | 71 | ||
| N91 | 81 | 20 | ||
| N92 | 82 | 23 | ||
| N93 | 83 | 22 | ||
| N94 | 84 | 21 | ||
| N95 | 31 | 75 | ||
| N96 | 28 | 76 | ||
| N97 | 29 | 77 | ||
| N98 | 30 | 78 |
| N99 | 30 | |||
| N100 | 31 | |||
| N101 | 32 | |||
| N102 | 33 | |||
| N103 | 38 | |||
| N104 | 39 | |||
| N105 | 40 | |||
| N106 | 41 |
(2)给定实际二维车身图像的特征线模型的精确速配：首先利用图像分割方法提取实际二维车身图像，再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线，然后用形状上下文的方法将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配。
(3)通过(2)的方法，将实际图像与对应特征线模型建立数据库。实际图像数据源包括二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图片或草图；特征线模型数据库为各种车型的各个视图的精确匹配的二维特征线模型。并根据车身所属的类别分别建立对应的三维曲线网格模板。
(4)由车身右视图的二维特征线生成三维曲线网格：由车身的右视图重建车身3D曲线网格模型；重建方式如下：
(4-1)通过(2)获取二维车身右视图特征线，通过分析主视图、后视图、右视图和俯视图四个视图之间特征线的对应关系(见表2)，选择右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线；
(4-2)平均3D形变模型的生成：对于不同的车型，分别建立多个3D曲线网格模型生成3D网格模型库，将对应坐标值算数平均得到平均的3D模型。
(4-3)二维车身右视图特征线生成三维特征线网格：利用步骤(4-2)中得到的平均3D形变模型，以二维车身右视图特征线的x，y方向坐标固定为刚性约束，运用基于统计方法的稀疏重建求得所有3D特征线的参数。
(4-4)3D特征线的后处理：通过分析车身结构，通过算法迭代调整优化相连两条特征线之间的连续性关系，包括C0，C1等。
(4-5)快速生成车身三维曲面模型：按照车门数、单侧车窗数等特征我们将轿车车型进行分类，建立6个模板(见图9-图14)。构建多个车身3D模型，最终定义三维车身所需要的曲线为106条特征线。按照围成汽车车身的型面定义主特征线，并根据车身曲面的生成方式，将车身曲面分成三类：四边曲线网格曲面(TCM)(见图15-图16)、N边曲面(NSS)(见图17)和边约束裁剪曲面(TS)。根据车身结构将不同特征线组合定义对应的曲面生成方法，从而实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型，将输出的车身3D曲面的模型存入数据库中。同时生成相应的*step，*prt，*igs等格式的工业模型数据，更好的表现了设计意图。
2.面向3D打印的模型结构优化
本实例中利用所述变厚度拓扑优化的方法，如图18所示，具体步骤如下：
(2-1)将步骤(1)中得到的汽车车身三维曲面模型进行三角网格刨分，得到模型Fout，将Fout向内进行厚度为T＝2.5mm的偏置得到模型Fin，然后缝合Fin和Fout的边界得到封闭的三角网格M。
(2-2)抽取M的中面Fm，在模型顶部施加均布力F，同时约束车身轮毂处节点自由度。建立厚度为T＝2.5mm的等厚度有限元模型，进行有限元求解计算，得到等厚度模型的应力最大值σmax，由此结果确定在变厚度拓扑优化中模型的强度约束条件，σ≤σmax。
(2-3)对中面Fm建立变厚度优化模型，以Fm质量最小为优化目标；Fm的每个单元厚度t为设计变量，t∈[1,2.5]；以强度σ≤σmax为模型约束条件，对中面Fm进行变厚度优化求解计算，得到满足约束条件的中面Fm最优单元厚度分布结果，并提取各节点所对应的厚度值，变厚度拓扑优化厚度分布如图19所示。3.面向3D打印的实体建模
如图20所示，具体流程如下：
(3-1)输入等厚度封闭网格模型M；
(3-2)计算与M内表面Fin每一节点相邻的单元的法向量，根据面积权重法计算M内表面Fin上每个节点的单位向量，利用Fm与M的内表面即Fin的节点映射关系得到Fin各节点的厚度值。
(3-3)根据模型内表面Fin各节点所对应的厚度值和单位向量，将M的内表面即Fin向外表面方向偏置，得到可打印的变厚度板壳结构模型并转化为*STL格式保存，可打印的变厚度板壳结构模型如图21所示。
(4)支撑结构的生成
以FDM型3D打印机进行打印，支撑结构生成具体流程如下：
(4-1)选择模型打印方向
考虑到支撑结构与模型接触部分表面质量较差，为了保持汽车模型表面的美观，选择汽车正向放置为模型的打印方向。
(4-2)检测模型悬垂部分
临界角设定为45度，计算出模型的悬垂部分所有支撑点P。
(4-3)生成支撑结构
P为模型需要支撑结构支撑的点集；S为支撑结构合并的交点集；打印模型为m；C为P点所对应的锥形体集合，其中锥形体顶角取70度。
树状支撑结构具体流程如下；
a)计算点pi∈p所对应的锥形体ci∈C与模型m、C中其它的锥形体以及打印底板三者的交集H(如图22a所示)；
b)在H中，选择距离点pi最近的点s以及交点s所对应的锥形体cj，如果交点s超出m的范围，则从P和C中移除相应的pi和ci，继续进行步骤a；
c)在P中插入点s，s点成为新的悬挂点，两个支撑杆(从pi点以及cj所对应的pj点)在点s处交于一个点(如图22b所示)；
d)在s点处作圆锥，移除点pi和相应的ci；
e)从P中取一个新的点p，重复步骤(a～d)，直到第K次循环后P为空集，整个过程结束。生成的树状支撑结构如图23所示。
(5).3D打印成型
以FDM型3D打印机为例，其打印具体流程如下：
(5-1)参数设置：打印精度0.2mm；打印温度230℃；打印速度一般小于100mm/min，供料速度100mm/min；
(5-2)打印路径生成，将*STL转化为打印机识别的路径格式*x3g格式；
(5-3)联机打印；
(5-4)模型后处理，去除支撑结构，得到汽车实物模型，如图24所示。
以上所述仅为本发明选择实例，并不限用于本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替代、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于3D打印的汽车造型概念模型加工工艺，其特征在于，步骤如下：
(一)基于图像/草图的模型三维重建
(1-1)定义特征线模板：按照车身结构特征对不同车型定义二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的特征线模板；
(1-2)特征线模型速配：将实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像与步骤(1-1)得到的特征线模板进行精确速配；匹配步骤：首先利用图像分割方法提取实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图的图像，再利用特征提取算子提取实际二维车身的特征线，然后将实际二维车身的特征线与所属车型的特征线模板进行匹配；
(1-3)建立数据库：将步骤(1-2)得到的实际二维车身图像与对应特征线模型进行匹配注册，建立模型数据库；
(1-4)由实际二维车身右视图的二维特征线重建三维曲线网格：重建方式如下：
a)输入车身右视图图片，通过步骤(1-2)获取实际二维车身右视图特征线，分析实际二维车身主视图、后视图、右视图和俯视图间特征线的对应关系，选择实际二维车身右视图的部分特征线作为重建车身3D曲线网格模型所需的二维特征线；
b)平均3D形变模型的生成：对于不同的车型，分别建立多个3D曲线网格模型，建立3D网格模型库，将各3D曲线网格模型对应坐标值算数平均得到平均3D形变模型；
c)实际二维车身右视图特征线生成3D特征线网格：利用步骤b)中得到的平均3D形变模型，以实际二维车身右视图特征线上控制点的x方向和y方向坐标固定为刚性约束，基于稀疏重建方法求得所有3D特征线的参数；
d)3D特征线的后处理：通过分析实际二维车身结构，根据迭代算法调整相连两条特征线之间的连续性关系；
e)生成车身三维曲面模型：将车身曲面分成三类：四边曲线网格曲面、N边曲面和边约束裁剪曲面；根据车身结构将不同特征线组合形成的模块定义为对应的曲面生成方法，实现由已有车身曲线网格到车身3D曲面的模型，将输出的车身三维曲面模型存入数据库；同时生成相应的三维格式的工业模型数据；
(二)面向3D打印的模型结构优化
(2-1)将步骤(一)中得到的车身三维曲面模型进行三角网格刨分，得到模型Fout，将Fout向内进行厚度为T的偏置得到模型Fin，然后缝合Fin和Fout的边界得到封闭的三角网格M，其中M内表面Fin为可变形体；
(2-2)抽取三角网格M的中面Fm，根据实际车身受力工况，设定中面Fm的载荷和边界条件，建立厚度为T的等厚度有限元模型，进行有限元求解计算，得到等厚度模型的强度、刚度或模态结果，由强度、刚度或模态确定在变厚度拓扑优化中模型的约束条件，使得变厚度模型满足与等厚度相同或相近的强度、刚度或者模态结果；
(2-3)对中面Fm建立变厚度优化模型，以Fm质量最小为优化目标；Fm的每个单元厚度t为设计变量，t的取值范围为(Tmin，T)，其中Tmin为打印机最小打印尺寸和进行可靠打印的最小厚度，T为等厚度偏置尺寸；以强度、刚度或者模态设为模型约束条件，对中面Fm进行变厚度优化求解计算，得到满足约束条件的中面Fm最优单元厚度分布结果，并提取中面Fm各节点所对应的厚度值；
(三)面向3D打印的实体建模
根据步骤(二)中得到的中面Fm各节点所对应的厚度值，利用Fm与Fin的节点相映射关系，得到Fin厚度场分布信息，然后利用节点偏置的方法对Fin变形，调节M的厚度，得到变厚度的汽车板壳结构模型m；
(四)支撑结构的生成
以熔融沉积成型工艺和立体光固化成型工艺型3D打印机进行打印，模型的悬垂部分需要设置支撑结构，以保证模型的可靠打印，生成支撑结构的具体流程如下：
(4-1)选择变厚度的汽车板壳结构模型打印方向
对变厚度汽车板壳结构模型的打印方向空间进行均匀采样，计算模型在采样空间各个方向的支撑总长度和模型的支撑面积，根据支撑总长度和支撑面积进行模型打印方向的选择；
(4-2)检测模型悬垂部分
悬垂部分包括三种：
a)悬垂点：点的位置低于它的相邻点局部最低点或者全局最低点；
b)悬垂面片：α为该面片所在的平面和打印方向之间的夹角，如果α大于所定义的临界角则为悬挂面片，的大小与打印机和打印材料有关，最大达到45度；
c)悬垂边：其定义与悬挂面片相似，其中悬垂边的法向为与之相邻的两个面片的平均值；
(4-3)生成支撑结构：
所述树状支撑结构限制为线性连接结构，生成具体流程如下：
P为模型需要支撑结构支撑的点集、S为支撑结构合并的交点集、C为P点所对应的锥形体集合，其中锥形体是以顶角作圆锥，
该流程的输入是一系列点P，这些点从上到下排序，步骤如下：
a)计算点pi∈p所对应的锥形体ci∈C与模型m以及C中其它的锥形体的交集H；
b)在H中，选择距离点pi最近的点s以及该交点s所对应的锥形体cj，如果交点s超出m的范围，则从P和C中移除相应的pi和ci，循环第1步，找到所有的s点；
c)在P中插入点s，s点成为新的悬挂点，两个支撑杆，从pi点以及cj所对应的pj点，在点s处交于一个点；
d)在s点处作圆锥体，移除点pi和相应的ci；
e)从P中取一个新的点p，重复步骤(4-1)-(4-4)，直到第K次循环后P为空集，整个过程结束；
(五)3D打印成型
(5-1)参数设置：打印精度为0.1～3mm；PLA材料的打印温度为230℃；打印速度和供料速度小于150mm/min；
(5-2)打印路径生成；
(5-3)联机打印；
(5-4)模型后处理，去除支撑结构，得到汽车实物模型。
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