CN109049715A - 一种基于多相材料拓扑优化的3d打印模型数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法。该方法包括对输入的网格模型进行单元化处理，然后对模型的每个单元的材料信息赋值，并进行多相材料拓扑优化处理；记录拓扑优化后每个单元的信息标记；根据拓扑优化结果将单元进行分类并标记颜色和材料信息；按照单元的颜色和材料信息，将颜色或材料相同的单元以由小到的大顺序进行多次合并；根据合并后的单元节点信息，采用八叉树数据结构存储合并后的单元模型数据；对单元模型进行光顺化处理；将多个单元的合并体记为一组三维数组，不同合并体的单元数据包括采用指针形式存储的单元的颜色和材料信息，定义该模型数据格式为CVD格式模型；将CVD格式模型进行切片处理和填充，转化为3D打印能识别的2D像素格式文件。

Description

一种基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法。
背景技术
增材制造俗称3D打印技术，特别是金属3D打印技术在航空、航天等军工领域具有广泛的应用价值及前景。随着3D打印技术和拓扑优化技术的快速发展，多种材料和具有特殊功能的复合材料已应用到3D打印技术领域。由于传统计算机辅助设计的模型表示方法将模型内部作为均质材料处理，不能描述模型的内部结构和各个微小区域的颜色材料等属性信息，难以适应几何信息与异质材料信息的复杂产品模型表示的发展需求。几何模型通过单元化转化为微小单元的集合表示，可以作为模型材料信息的载体。为了获取模型更精确的表达，提高模型单元化分辨率是经常采用的方法，但随着模型单元化的分辨率的快速提高，模型单元化单元的数据量呈数量级增长。当前一个MB级大小的模型单元化的分辨率要达到三维打印精度的大小，其单元化单元的数量会是几亿的数量级，这样巨大的数据量单元化单元对计算机资源是一个巨大的挑战，随着单元化过程的模型数量的增多，由于图形图像的数据访问量、数据处理量大时会变得非常缓慢。特别是现有数据处理方法没有根据产品结构的力学性能进行处理。因此，探索一种基于力学性能的3D打印模型数据处理方法对于提高产品的打印周期和产品性能具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法，以解决如何在3D打印成形过程中，降低打印产品的成形周期、提高产品的力学性能，建立拓扑优化单元与扫描填充单元之间的关系的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法，该方法包括如下步骤：
S1、对输入的网格模型进行单元化处理，获得单元模型，然后对单元模型每个单元的材料信息赋值，并进行多相材料拓扑优化处理；
S2、记录拓扑优化后每个单元的信息标记；根据拓扑优化结果将单元进行分类并标记颜色和材料信息；
S3、按照单元的颜色和材料信息，将颜色或材料相同的单元以由小到的大顺序进行多次合并；
S4、根据合并后的单元节点信息，采用八叉树数据结构存储合并后的单元模型数据；
S5、对单元模型进行光顺化处理；
S6、将多个单元的合并体记为一组三维数组，不同合并体的单元数据包括采用指针形式存储的单元的颜色和材料信息，定义该模型数据格式为CVD格式模型；
S7、将CVD格式模型进行切片处理和填充，转化为3D打印能识别的2D像素格式文件。
进一步地，在步骤S1中，单元化处理包括表面单元化和内部单元化。
进一步地，在步骤S1中，单元化方法包括网格模型单元化、实体模型单元化和点云模型单元化，单元包括正方体和长方体单元。
进一步地，在步骤S1中，结合载荷、材料及边界条件进行拓扑优化处理。
进一步地，在步骤S1中，拓扑优化处理包括静力学、动力学和热学处理。
进一步地，在步骤S2中，信息标记包括单元的几何信息、拓扑信息、颜色和材料信息。
进一步地，在步骤S3中，合并包括单元合并、像素合并、颜色合并和材料合并。
进一步地，在步骤S4中，采用以XML形式的八叉树数据结构。
进一步地，在步骤S5中，采用网格模型与单元模型的布尔运算，对单元模型进行光顺化处理。
(三)有益效果
本发明提出的基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法。本发明的优点在于，第一，根据拓扑优化结果进行多级合并，可以快速获得2D像素坐标信息和拓扑信息，在提高产品成形性能的前提下，极大地降低了单一单元的几何坐标信息和拓扑信息的求解运算量和复杂度，有利于提高模型数据处理效率；第二，本发明根据单元获得产品的2D截面轮廓激光扫描信息，并建立了三维单元与2D像素几何和拓扑信息，将拓扑优化结果映射到2D像素单元上。这种关系的建立为激光功率、扫描方式和扫描策略选取提供了理论依据，有利于提高产品力学性能；第三，本发明是基于材料信息进行单元多级合并，对多材料、多颜色成形工艺产品操作简单，易于控制，由于是先进行单一单元的成形，再将单元与单元进行组合，在保障局部力学性能的前提，可以有效减少产品的内应力及变形，提高产品的精度。
附图说明
图1为本发明实施例的数据处理方法流程图；
图2(a)为本发明实施例的网格模型；图2(b)为单元化模型；图2(c)为多相材料拓扑优化模型；
图3为本发明实施例的CVD格式模型存储数据结构图；
图4为本发明实施例的复杂形状模型处理效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法，该方法的流程如图1所示。其中，本实施例中所述单元是指正方体或长方体，所述像素是指正方形或矩形。
本实施例的数据处理方法包括如下步骤：
S1、对输入的网格模型，如图2(a)所示，进行表面单元化和内部单元化处理获得单元模型，如图2(b)所示；然后对模型的每个单元的材料信息赋值，并结合载荷、材料及边界条件，进行包括静力学、动力学和热学的多相材料拓扑优化处理，如图2(c)所示；
S2、记录拓扑优化后每个单元的信息标记，信息标记包括单元的几何信息、拓扑信息、颜色和材料信息；根据拓扑优化结果将单元进行分类并标记颜色和材料信息；
S3、按照单元的颜色和材料信息，将颜色或材料相同的单元以由小到的大顺序进行多次合并，包括单元合并、像素合并、颜色合并和材料合并；
S4、根据合并后的单元节点信息，采用以XML形式的八叉树数据结构存储合并后的单元模型数据；
S5、采用网格模型与单元模型的布尔运算，对单元模型进行光顺化处理；
S6、将多个单元的合并体记为一组三维数组，不同合并体的单元数据包括采用指针形式存储的单元的颜色和材料信息，定义该模型数据格式为CVD格式模型，如图3所示；
S7、将CVD格式模型进行切片处理和填充，转化为3D打印能识别的2D像素格式文件。
采用本发明实施例的数据处理方法所得到的复杂形状3D打印模型效果图，如图4所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多相材料拓扑优化的3D打印模型数据处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、对输入的网格模型进行单元化处理，获得单元模型，然后对单元模型每个单元的材料信息赋值，并进行多相材料拓扑优化处理；
S2、记录拓扑优化后每个单元的信息标记；根据拓扑优化结果将单元进行分类并标记颜色和材料信息；
S3、按照单元的颜色和材料信息，将颜色或材料相同的单元以由小到的大顺序进行多次合并；
S4、根据合并后的单元节点信息，采用八叉树数据结构存储合并后的单元模型数据；
S5、对所述单元模型进行光顺化处理；
S6、将多个单元的合并体记为一组三维数组，不同合并体的单元数据包括采用指针形式存储的单元的颜色和材料信息，定义该模型数据格式为CVD格式模型；
S7、将CVD格式模型进行切片处理和填充，转化为3D打印能识别的2D像素格式文件。
2.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述单元化处理包括表面单元化和内部单元化。
3.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述单元化方法包括网格模型单元化、实体模型单元化和点云模型单元化，所述单元包括正方体和长方体单元。
4.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，结合载荷、材料及边界条件进行拓扑优化处理。
5.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述拓扑优化处理包括静力学、动力学和热学处理。
6.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述信息标记包括单元的几何信息、拓扑信息、颜色和材料信息。
7.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述合并包括单元合并、像素合并、颜色合并和材料合并。
8.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S4中，采用以XML形式的八叉树数据结构。
9.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，在所述步骤S5中，采用网格模型与单元模型的布尔运算，对所述单元模型进行光顺化处理。
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