CN108171800B - 创造具有无穷造型的制品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种创造具有无穷造型的制品的方法，该方法采用SPH算法通过流体力学创造无穷造型，无限复制不可重复之形，并借助3D打印实现雕塑化输出。该方法依次包括如下步骤：扫描；粒子化处理；制作粒子流体动力场，模仿自然界流体力学建立粒子流体动力场，用于模拟大自然的力学现象；点状融合，将粒子化造型放入粒子流体动力场；选形，选择粒子化造型并将其保存；复原，进行格式转换；打印，将经格式转换的粒子化造型文件打印为制品或相反内模。

Description

创造具有无穷造型的制品的方法

技术领域

本发明涉及一种创造具有无穷造型的制品的方法。尤其涉及一种采用SPH算法通过流体力学创造形状，并且通过3D打印创造出无穷造型的制品的制作方法，由该方法制成的物体装饰可用于个人或艺术机构的收藏、室内外公共环境和园林的装饰及建筑材料等。

背景技术

假山石，取之自然，放置于庭院、客厅等地供人观赏，形成了我国延续上千年的赏石(也称供石)传统。中国传统美学观强调“师造化”，并把这奉为艺术的最高境界。在传统的文人文化中作为现实中的纯观赏(供奉)物，主张直接取之于自然(有时也稍做人工修饰，但那是为了更加自然)，于是在造型领域中人们选择了天然的石头。从理论上说，地球(或所有宇宙星球)的每一块天然形成的石头，彼此都是不可能重复的(反人工)。这种自然的哲学导致人们在居所布置石头以表达与自然(天)的关系，通常这些石头除了被作为独立欣赏品外，还作为材料被组合成各种假山或建筑。这一赏石传统发展到今天，出现了以下两个问题：其一：天然的假山石的数量是有限的，其终将会被挖尽；其二，以地球生态的角度看，大面积的采石对自然景观存在破坏。

因此，我们不能永远在自然中选择奇异形状，我们还应该发挥人的智慧和创造能量，制造由人来创造的造型，当然，我们也会极力吸收大自然的原理，这样的创造不会使人脱离本性，因为我们人类也是大自然的造物一部分。

因此，人类如何自创奇异造型以满足人类无限的需求显得尤其重要。

通常使用的方法为使用水泥或者石灰将石块或其他材料用叠砌粘接的方法形成各种形状，或者使用刀、钻等工具在石材上雕刻，使其成为想要的形状，还有通过翻模的方法使原材料被模制出一些奇特的形状。还有利用火烧或者酸蚀等方法使被处理的材料表现出不规则的形状。如1999年11月6日提出的中国申请号为99123233.X名为“假山、怪石和珊瑚形石的制作”的中国专利申请就是通过将几种制作石头的材料粘合在一起，然后再经腐蚀、溶解或火烧的处理去掉某种材料，以使得剩下的材料具有不规则形状，从而构成造型特别的石头。再如2000年5月16日提出的中国申请号为00114854.0的名为“真石假山、观赏山石的制造方法”的中国专利申请就是通过强酸对以碳酸盐为主要成分的石料进行腐蚀来产生不规则的形状。

所述现有的造石方法虽然能够制造出造型奇特的石头，并在一定程度上与自然的石头相似，但是由于所使用的方法都不同于自然界中的自然现象对石头的影响，因此利用现有的方法制造的石头天然程度不高，不够逼真，只可用于简单的装饰，不具有鉴赏和收藏价值。并且，所述方法的人工成本高，耗时耗力，并且容易因人工失误而产生各种不期望的产品缺陷。同时，由于所述方法在制造过程中大量地使用了溶剂和强酸，这样就会在制作的过程中产生较多有毒的废物，损害环境。

传统的实践方式和理论已经不能满足日新月异的当代人类的复杂需求。

通过外在于人类的计算机算法来实现技术效果是目前最新的科技方式，其运算能力可与大自然媲美，超越人工，进而达到同样的丰富多彩、千奇百怪，以此向人类供应对于大量的无穷无尽的造型的需要。因此，本发明提供一种新的方式来延续我们的传统文化。

在光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamic，简称SPH)算法中，每个粒子相当于一定体积的流体微团，其体积宏观足够小，且微观足够大，通过求解每个粒子点处的三大物理守恒方程：质量守恒、动量守恒和能量守恒，来推演每个粒子流动时质量、动量和能量的变化，从而精准的描述各种流动问题。这种计算流动的方法逐步应用于生活、环保、科学技术及工程中，如重工业中的冶金、电力、采掘等工业；轻工业中的化工、纺织、造纸工业；交通运输业中的飞机、火车、船舶设计等。本发明正是采用通过流体力学计算的SPH算法来创造无穷造型。

发明内容

为了解决所述问题，本发明提供一种创造具有无穷造型的制品的方法，包括如下步骤：

步骤1：扫描

将任何生物或物体3D扫描至计算机；

步骤2：粒子化处理

在计算机中将扫描的结果转换成粒子化造型；

步骤3：制作粒子流体动力场

计算流体力学的粒子化模型从而制作粒子流体动力场，用于模拟大自然的力学现象；

步骤4：点状融合

将扫描好的粒子化造型放入粒子流体动力场中，粒子化造型与粒子流体动力场相互作用，从而导致粒子化造型形变；

步骤5：选形

观察粒子化造型的形变，选择自己需要的粒子化造型，并将其保存为粒子化造型文件；

步骤6：复原

对保存的粒子化造型文件进行格式转换以满足用于造型塑造的3D打印机使用；

步骤7：打印

使用3D打印机将经格式转换的粒子化造型文件打印输出为制品或相反内模；

本发明的创造具有无穷造型的制品的方法具有如下有益的技术效果：

(1)实现对同一种方法的反复复制，再现性强。

(2)造型表面自然流畅。

(3)所制成的产品虽然不是自然奇石但具有奇石的千变万化的特点。

(4)可直接3D打印，无需建模，省去设计的过程和建模的麻烦，任何人均可操作使用，省时省力，人工成本低。

(5)比传统人工方法精度高，减少甚至消除了应人工失误而导致的产品缺陷。

(6)打印之后可以再翻制成任何材料，极其方便。使高高在上的艺术回到最简便的操作中，某种程度上可代替人的想象。

(7)成本低，可无限制造，可作为观赏石的替代品。

(8)对环境没有影响。

附图说明

图1a至图1d为本发明的方法的步骤4的示意图；

图2为本发明的方法的步骤6的示意图。

具体实施方式

下面，将对本发明的方法的如下8个步骤进行进一步详细的说明。

步骤1、扫描：

将任何生物或物体3D扫描至计算机。

步骤2、粒子化处理：

在计算机中将3D扫描的结果转换成粒子化造型。

步骤3、制作粒子流体动力场：

计算流体力学的粒子化模型从而制作粒子流体动力场。可以采用SHP算法来实现，在此步骤中需要注意自然界岩浆流动的丰富性，质量、速度、压力，还要考虑几十种不同力的交汇，如失重、风流、回旋、冲击等复杂的力学现象。通过求解每个粒子点的三大物理守恒方程：质量守恒、动量守恒和能量守恒，来推演每个粒子流动时质量、动量和能量的变化，从而精准地描述各种流动问题，制成粒子流体动力场，用于模拟大自然的力学现象。

步骤4、点状融合：

将粒子化造型放入粒子流体动力场中，粒子化造型与粒子流体动力场相互作用，从而导致粒子化造型形变，犹如物体进入岩浆一起滚动。通常这个过程从开始到形散大概3分钟，之后粒子全部打散但不消失，如图1(a)至图1(d)所示。

步骤5、选形：

选择合适的形状。由于这个过程可以无限复制，每当重新把粒子化造型放入粒子流体场进行形变，两种环境的粒子状态再次呈现互动，因为粒子状态的不粘连，易变且不受前次影响，可以无限地复制不同的造型。无需美学训练，任何人可以随意选择自己喜欢的形状然后保存下来，每次均不同，可以无限制地得到无穷无尽的形状。注意要在粒子被打散之前选择尽量完整的造型，每一次形变可以选择三到四种造型，这样3D输出后才是完整的。

步骤6、复原：

将保存的数据模型连接成面，也就是将粒子化造型的文件格式由.vtk转换至.stl以满足用于造型塑造的3D打印机使用，如图2所示。

步骤7、打印：

使用3D打印机将经格式转换的粒子化造型文件打印输出为制品或相反内模。小型的一次成型，大型的分块打印然后拼合。

在本发明的一个实施方式中，还可以包括：

步骤8、翻制：

将所述制品再翻制成任何材质，或利用所述相反内模翻制成任何材质。

提供本发明的所述实施例用于说明本发明的各个方面。然而，可以理解的是，在不同实施例中所显示的本发明的不同方面可以进行结合以提供本发明的其它实施例。另外，本发明的各种改变将通过前述说明和后附的附图而得以清晰。因此，本发明的保护范围由权利要求来限定。

Claims (3)

1.创造具有无穷造型的制品的方法，所述方法包括：

步骤1：扫描

将任何生物或物体3D扫描至计算机；

步骤2：粒子化处理

在计算机中将所述扫描的结果转换成粒子化造型；

步骤3：制作粒子流体动力场

计算流体力学的粒子化模型从而制作粒子流体动力场，用于模拟大自然的力学现象；

步骤4：点状融合

将所述粒子化造型放入所述粒子流体动力场中，所述粒子化造型与所述粒子流体动力场相互作用，从而导致所述粒子化造型形变，观察其变化；

步骤5：选形

通过观察形变选择自己需要的粒子化造型，并将其保存为粒子化造型文件；

步骤6：复原

对所述粒子化造型文件进行格式转换以满足用于造型塑造的3D打印机使用；

步骤7：打印

使用3D打印机将所述经格式转换的粒子化造型文件打印输出为制品或相反内模。

2.根据权利要求1所述的创造具有无穷造型的制品的方法，其中，在所述步骤3中，采用SPH算法计算流体力学的粒子化模型。

3.根据权利要求1所述的创造具有无穷造型的制品的方法，其中，所述步骤4的过程从开始到形散持续一段时间，之后粒子全部打散但不消失。

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