CN108248016B - 一种镂空结构的fdm打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种镂空结构的FDM打印方法，其步骤如下：镂空结构模型内部孔洞定义；镂空结构模型分割；分别打印所述镂空结构模型的多个子模块Pi，打印完成后将多个子模块拼接起来，完成所述镂空结构模型的FDM打印。本发明的有益效果如下：通过采用将镂空结构模型按照Voronoi图中心节点分割、分别打印分割后的模块、再将其进行拼接的方法，实现了镂空结构在FDM设备上的制造。由于分割后各个模块的边界面可以作为打印支撑面，因此打印镂空结构模型时不再需要支撑结构。本发明所述方法将镂空结构模型分割后可并行打印各子模型，提高了镂空结构模型的制造效率。

Description

一种镂空结构的FDM打印方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助建模和增材制造技术领域，特别是指一种镂空结构的FDM打印方法。

背景技术

镂空结构材料普遍存在于自然界中，

例如木材、软木、海绵和珊瑚等。20世纪以来，人们已经能够制造出多种形态的无气轮胎、蜂窝材料和泡沫金属等镂空结构材料。与实体结构材料相比，镂空材料因其具有超轻、高强韧、耐撞击、高比强、高比刚度、高效散热、隔热、噪声管理等特点，

在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输、甚至在航空航天领域中都有着广泛用途。

传统制造技术如车、铣、磨、钳、焊等工艺只考虑零件的表面结构，具有复杂内部结构的镂空材料面临着模型无法制造的困境。增材制造技术是近20年来制造技术领域的一次重大突破，增材制造技术通过堆积材料叠加起来形成三维实体，先将CAD模型离形化，沿某一方向切成许多层面，即分层，然后在分层信息控制下顺序加工各片层，并层层结合，堆积出三维零件。

增材制造技术的出现使得镂空材料的制造成为可能。当前的增材制造技术主要有立体印刷(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)以及熔融沉积成型(FDM)等制造工艺。

在FDM成型过程中，喷头在计算机控制下作X-Y联动扫描和Z向运动，丝材在喷头中被加热并略高于熔点。喷头在扫描运动中喷出熔融材料，快速冷却形成一个加工层，并与上一层牢牢连接在一起。这样层层扫描迭加便形成一个空间实体。由于操作环境干净、安全、材料无毒、备选制造材料多、价格便宜等因素，FDM打印技术广泛应用于办公室、家庭等环境。FDM技术极大地促进了增材制造技术的发展与普及。

在FDM成型中，每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构，即支撑。但是对于内部存在孔洞的镂空材料，如果在打印过程中添加支撑，将导致产品制造完成时，支撑位于产品内部无法去除的问题。

因此，如何设计一种镂空结构的FDM打印方法，解决打印过程中的支撑问题，具有重要意义。

发明内容

本发明提出一种镂空结构的FDM打印方法，解决了现有技术中镂空结构模型打印过程中需要支撑的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种镂空结构的FDM打印方法，其方法步骤如下：

(1)镂空结构模型内部孔洞定义：

1、在镂空结构模型内部分布点集P，并根据需要调整点集P的位置；

2、根据点集P生成Voronoi图结构，对每一个Voronoi图单元，去除位于所述镂空结构模型外的部分，提取Voronoi图单元的顶点作为Nurbs曲面的控制点，生成Nurbs曲面；

3、将Nurbs曲面对应所述镂空结构模型的内部孔洞，

去除实体模型中的Nurbs曲面，完成镂空结构模型内部孔洞的定义；

(2)镂空结构模型分割

1、根据镂空结构模型生成包围盒B；

2、以包围盒B为边界，通过Voronoi图的点集P生成kd树，将所述镂空结构模型分割为多个空间；

3、对kd树与所述镂空结构模型执行布尔交操作，获得所述镂空结构模型的多个子模块Pi；

(3)镂空结构模型打印

分别打印所述镂空结构模型的多个子模块Pi，打印完成后将多个子模块拼接起来，完成所述镂空结构模型的FDM打印。

本发明所述方法在镂空结构的制造过程中，没有采用整体打印方法，而是将镂空结构模型分割为多个子模块分别打印，最后再组装起来。

本发明的有益效果为：

通过采用将镂空结构模型按照Voronoi图中心节点分割、分别打印分割后的模块、再将其进行拼接的方法，实现了镂空结构在FDM设备上的制造。由于分割后各个模块的边界面可以作为打印支撑面，因此打印镂空结构模型时不再需要支撑结构。

本发明所述方法将镂空结构模型分割后可并行打印各子模型，提高了镂空结构模型的制造效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种镂空结构模型示意图；

图2为采用本发明所述方法对图1所述镂空结构模型生成的分割盒；

图3为采用本发明所述方法对图1所述镂空结构模型生成的可打印模块。

具体实施方式

上面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

对如图1所示的一种镂空结构模型进行FDM打印的方法，具体步骤如下：

1)定义镂空结构产品的表面模型，如图1所示。

表面模型可使用AutoCAD、SolidWorks等CAD建模工具构建，也可以使用逆向工程扫描重构而成。

2)在镂空结构模型内部分布点集，根据点集生成Voronoi图，Voronoi图单元对应镂空结构模型的孔洞结构，可以使用随机方法布局，也可以参照真实物体精确调整点集的分布。

根据点集生成kd树，去除每个kd树子空间位于镂空结构模型外的部分，完成镂空结构模型的分割，如图2所示。

3)分别打印如图3所示的可打印分割模块，之后拼接在一起，完成镂空结构的制造。

综上所述，本发明所述方法灵活、简单，通过将镂空结构模型分割为多个模块分别打印，去除了打印过程中附加的支撑结构，实现了镂空结构在FDM设备上的制造。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种镂空结构的FDM打印方法，其特征在于，其方法步骤如下：

(1)镂空结构模型内部孔洞定义：

I、在镂空结构模型内部分布点集P，并根据需要调整点集P的位置；

II、根据点集P生成Voronoi图结构，对每一个Voronoi图单元，去除位于所述镂空结构模型外的部分，提取Voronoi图单元的顶点作为Nurbs曲面的控制点，生成Nurbs曲面；

III、将Nurbs曲面对应所述镂空结构模型的内部孔洞，去除所述镂空结构模型中的Nurbs曲面，完成镂空结构模型内部孔洞的定义；

(2)镂空结构模型分割

I、根据镂空结构模型生成包围盒B；

II、以包围盒B为边界，通过Voronoi图的点集P生成kd树，将所述镂空结构模型分割为多个空间；

III、对kd树与所述镂空结构模型执行布尔交操作，获得所述镂空结构模型的多个子模块Pi；

(3)镂空结构模型打印

分别打印所述镂空结构模型的多个子模块Pi，打印完成后将多个子模块拼接起来，完成所述镂空结构模型的FDM打印。