CN111284016B - 一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法，包括以下步骤：输入待制造模型，差集运算后得到初始模型；创建待制造模型的内部模型；初始模型与内部模型进行差集运算后获得外部模型；将内部模型进行分割处理，形成能够取出的模具模块；每个模具模块的拼接面处均设置凹槽，凹槽内用于放置磁铁；将外部模型进行分割处理，同时挖孔得到材料浇灌口；设置模具实体，在凹槽位置放入磁铁进行组装，组装后通过浇灌口进行浇灌，待冷却凝固后进行脱模处理；采用分割后拼接的方式，便于拆卸和组装，设计灵活多变。

Description

一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法

技术领域

本发明涉及模型模具设计及脱模领域，尤其涉及一种复杂模型或中空模型的模具分割及脱模方法。

背景技术

模具，是用来制作成型物品的工具，这种工具由各种零件构成，不同的模具由不同的零件构成。它主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。由于模具具有生产效率高、质量好、成本低、节省能源和原材料等优点，所以已经是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高精密集型产品，也是高新技术产业化的重要领域，其技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。

3D打印，又称增材制造，常见的3D打印是指在计算机的控制下层叠原材料，制作三维物体的过程。随着3D打印技术的迅速发展，打印精度与打印速度逐渐提高，3D打印设备与打印材料的价格逐渐降低，3D打印也被广泛的应用于各个领域。

传统模具生产主要分为注塑模具、硅胶模具、烘焙模具、冲压模具、塑料模具等，近年来，3D打印以其个性化定制生产、使用材料绿色环保、资源零浪费、可循环利用等优点广泛应用于模具的制造中，即通过对模型的模具进行建模、分割，3D打印出经过分割的模具模型，再将模具进行组装，通过浇灌一些特殊的具有一定流动性的材料填充模具空隙，然后将翻模拆除模具，取出模型。

然而，生成模型开模及翻模过程的现有技术还存在以下缺陷：

(1)经过分割的多块模具难以拼接。

(2)较复杂模型或具有中空部分的模型需要多块模具，并且由于内部的模具难以取出导致无法加工。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法，该方法通过用户输入的模型，对模型进行布尔运算获得模具模型，分析模具难以取出部位或中空部位进行打孔，孔洞处用于放置磁铁，然后将打孔后的模型作为单一材料3D打印机的输入模型，最终可打印得到实体模具，再通过组装，将磁铁加入到模具中，使分割后的模型能够成功组合在一起，然后进行浇灌，待静置凝固后翻模取出模型。

该发明的主要目的是解决复杂模型或中空部分模型模具难以取出的问题以及模具分割部分的连接问题，满足了复杂模型使用开模的方法进行制造的设计需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，包括以下步骤：

输入待制造模型，差集运算后得到初始模型；创建待制造模型的内部模型；初始模型与内部模型进行差集运算后获得外部模型；

将内部模型进行分割处理，形成能够取出的模具模块；每个模具模块的拼接面处均设置凹槽，凹槽内用于放置磁铁；

将外部模型进行分割处理，同时挖孔得到材料浇灌口；

设置模具实体，在凹槽位置放入磁铁进行组装，组装后通过浇灌口进行浇灌，待冷却凝固后进行脱模处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的该方法采用分割后拼接的方式，便于拆卸和组装，设计灵活多变，可根据实际情况进行设计处理，解决了较复杂模型或具有中空部分的模型内部模具难以取出的问题。

2、本发明充分利用了磁铁间的磁力，使得模具之间能够在一定平衡状态下相互紧密连接，并且在抽取其中一个模块后，模具可自行分散，解决了模具经过分割后难以拼接的难题。

3、本发明的该方法得到的模具可直接进行3D打印，采用3D打印机即可完成，对于打印材料属性没有要求，所需打印材料和打印时间较少，成型成本较低。3D打印结果与传统模具相比，更加不易破损，使用周期较长，具有一定的环保价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法流程图；

图2为本发明的输入的待制造的模型M；

图3为本发明的对输入模型M进行差集布尔运算获得待分割的模具M10的结果示意图；

图4为本发明的对外部模具M11进行分割后的结果图；

图5(a)为本发明的模具M12表面种子点对应的粗粒度三角网格的示意图；

图5(b)为本发明的模具M12分割及加厚最终结果图；

图6为本发明的对内部模具需要放入磁铁的部分放置凹槽后的结果图；

图7为本发明的经过3D打印的外部模具实体结果图；

图8为本发明的对3D打印的内部模具实体放入磁铁的示意图；

图9为本发明的最终经过翻模制造的模型结果图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法流程图。

本实施例中，采用M表示输入的待制造的模型，如附图2所示。

如图1所示，本发明的一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法，包括：

步骤(1)：输入待制造模型M，得到经过布尔差集运算的待分割的初始模具M10。

其中，对输入模型M进行布尔运算处理之前，还包括：

将输入模型M的网格进行一定程度上的细分或简化，避免由于网格过于稀疏或者过于密集而产生布尔运算错误。

其中，对输入模型进行布尔运算的具体过程包括：

步骤(1.1)根据输入的已经经过网格细分或简化的输入模型形状选择一个简单模型(如：正方体、长方体、球体、圆柱体等)，将简单模型完全包裹住输入模型M。

步骤(1.2)采用布尔差集运算，使用包裹住输入模型M的简单模型减去输入模型M，获得待分割的外部模具M10，其网格示意图如图3所示。

步骤(2)：制作外部模具M11。

步骤(2.1)根据待分割的初始模具M11，创建一个能够包裹住M内部中空部分的模型M12。

步骤(2.2)将M12与M10进行差集布尔运算(即M10-M12)得到M11，得到的结果图如图4所示。

步骤(3)：对于具有中空部分的模型，对M12部分进行基于Voronoi图的分割处理，形成能够取出的模具模块。

具体地，对填补的内部模具部分进行分割处理，使其能够通过最终成型的模型的孔洞或孔隙成功取出。具体过程包括：

步骤(3.1)计算最终要制作成型的模型所具有的孔洞或孔隙包围球的直径D。

步骤(3.2)对内部模具M12进行表面CVT(Centroidal Voronoi Tessellation)处理，即基于质心的Voronoi细分，获得模具M12表面种子点对应的粗粒度三角网格。如图5(a)所示。

步骤(3.3)对内部中空部分的模具M12的表面进行Voronoi分割(选择种子点个数n的初始值为n0)。

步骤(3.4)获得经过分割的模具的包围球的直径L。若L>D，由于模具成型后为刚性，故脱模方向不易改变，故认为此情况下会产生无法取出的情形，则增加5个种子点的个数(即n＝n+5)，重新回到步骤(3.3)进行Voronoi分割；若L<D，则内部模型表面分割完毕，记录种子点的个数n的值。

步骤(3.5)对最终获得的内部模型M12的表面分割结果进行加厚处理，加厚的厚度应超过所选择磁铁的宽度或直径。最终结果如图5(b)所示。

本发明通过对中空部分模具的分割，最终降低了该部分脱模的难度，保证了模型成功取出。

步骤(4)：对模具中空部分分割后的模型放置凹槽，制作用于放置磁铁的位置。如图6所示。

具体过程包括：

步骤(4.1)根据模型最终需要制作的大小和形状选择合适大小及形状的磁铁。

步骤(4.2)根据选择的磁铁的截面新建符合所选磁铁大小形状的简单模型A，其边长或直径加上打印精度d，该打印精度d需要根据不同的3D打印机来确定。

步骤(4.3)对模具M12分割后的结果分别选择每一个分型面，使用相邻的两块模具模型拼接部分别包裹模型A，并且与模型A进行差集布尔运算，生成模具拼接处的凹槽。

步骤(5)：对M11(外部模具)进行分块处理，以方便拆除，同时挖孔得到材料浇灌口。

对分离出来的M11外部模具进行分割处理，使外部模具能够成功脱模，具体过程包括：

步骤(5.1)在高斯球上均匀随机采样k个候选的脱模方向d1，d2，d3……dk。

步骤(5.2)对于每一个候选的脱模方向，计算不可见的区域面积a，选择使得不可见区域面积a最小的一个方向作为一个脱模方向。

步骤(5.3)根据选择的脱模方向，在外部模具M11的内表面找到一个面F1，使得这个面的法向能够最好地与所选的脱模方向匹配。

步骤(5.4)然后使用贪婪区域增长方法，根据外部模具M11内表面的每个面的法向与脱模方向的夹角θ<2°的约束，将每个面分配到内表面的部分区域f1中。

步骤(5.5)根据上述区域f1将这一部分的外部模具M11切割出来。

步骤(5.6)对剩余模具重复执行上述步骤直到所有面都被分配。

步骤(6)：通过3D打印得到上述经过分割和修改的模具实体，如图7所示。

步骤(6.1)在步骤(4)中凹槽的位置放入磁铁，利用磁力进行拼接如图8所示。

步骤(7)：根据材料可在模具上涂上凡士林等脱模剂，选择材料进行一定比例的混合，并进行浇灌。

步骤(8)：待浇灌材料充分凝固后进行脱模操作，获得最终成型的模型。如图9所示。

实施例2

一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法，包括以下步骤：

输入待制造模型，差集运算后得到初始模型；创建待制造模型的内部模型；初始模型与内部模型进行差集运算后获得外部模型；

将内部模型进行分割处理，形成能够取出的模具模块；每个模具模块的拼接面处均设置凹槽，凹槽内用于放置磁铁；

将外部模型进行分割处理，同时挖孔得到材料浇灌口；

设置模具实体，在凹槽位置放入磁铁进行组装，组装后通过浇灌口进行浇灌，待冷却凝固后进行脱模处理。

得到初始模型的具体步骤包括：根据待制造模型创建一个能包围住该模型的简单模型，将创建的简单模型作为外壳，与待制造模型进行差集布尔运算，得到整体的待分割的初始模型。

所述获得外部模型的具体步骤包括：根据初始模型，创建一个能够包裹住内部中空部分的内部模型；将内部模型与初始模型进行差集布尔运算获得外部模型。

内部模型进行分割处理的步骤包括：对填补的内部模具部分进行基于Voronoi图的分割处理，使其能够通过最终成型的模型的孔洞或孔隙成功取出。

基于Voronoi图的分割处理的具体过程包括：

计算最终要制作成型的模型所具有的孔洞或孔隙包围球的直径D；

对内部模具进行表面CVT处理，即基于质心的Voronoi细分，获得模具M12表面种子点对应的粗粒度三角网格；

对内部中空部分的模具M12的表面进行Voronoi分割；

获得经过分割的模具的包围球的直径L。

若L>D，由于模具成型后为刚性，则增加5个种子点的个数，重新进行对内部中空部分的模具M12的表面进行Voronoi分割；若L<D，则内部模型表面分割完毕，记录种子点的个数n的值；

对最终获得的内部模具M12的表面分割结果进行加厚处理，加厚的厚度应超过所选择磁铁的宽度或直径。

每个模具模块的拼接面处均设置凹槽，凹槽内用于放置磁铁的具体过程包括：

根据模型打印大小选择合适大小及形状的磁铁；

根据选择的磁铁的截面新建符合所选磁铁大小形状的简单模型A，其边长或直径加上打印精度d，该打印精度d需要根据不同的3D打印机来确定；

对分别选择模具模块的每一个分型面，使用相邻的两块模具模型拼接部分别包裹模型A，并且与模型A进行差集布尔运算，生成模具拼接处的凹槽；

通过3D打印得到经过分割的模具实体，在凹槽位置放入磁铁，利用磁力将各个模块部分组合在一起，脱模时易于拆卸。

外部模具进行分割处理，具体过程包括：

在高斯球上均匀随机采样k个候选的脱模方向d₁，d₂，d₃……d_k；

对于每一个候选的脱模方向，计算不可见的区域面积a，选择使得不可见区域面积a最小的一个方向作为一个脱模方向。

根据选择的脱模方向，在外部模具的内表面找到一个面F1，使得这个面的法向能够最好地与所选的脱模方向匹配；

使用贪婪区域增长方法，根据外部模具内表面的每个面的法向与脱模方向的夹角θ<2°的约束，将每个面F1分配到内表面的部分区域f1中；

根据上述区域f1将这一部分的外部模具切割出来；

对剩余模具重复执行上述步骤直到所有面都被分配。

本发明采用分割后拼接的方式，便于拆卸和组装，设计灵活多变，可根据实际情况进行设计处理，解决了较复杂模型或具有中空部分的模型内部模具难以取出的问题。充分利用了磁铁间的磁力，使得模具之间能够在一定平衡状态下相互紧密连接，并且在抽取其中一个模块后，模具可自行分散，解决了模具经过分割后难以拼接的难题。得到的模具可直接进行3D打印，采用3D打印机即可完成，对于打印材料属性没有要求，所需打印材料和打印时间较少，成型成本较低。3D打印结果与传统模具相比，更加不易破损，使用周期较长，具有一定的环保价值。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于磁力的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，包括以下步骤：

输入待制造模型，差集运算后得到初始模型；创建待制造模型的内部模型；初始模型与内部模型进行差集运算后获得外部模型；

将内部模型进行分割处理，形成能够取出的模具模块；每个模具模块的拼接面处均设置凹槽，凹槽内用于放置磁铁；

将外部模型进行分割处理，同时挖孔得到材料浇灌口；

设置模具实体，在凹槽位置放入磁铁进行组装，组装后通过浇灌口进行浇灌，待冷却凝固后进行脱模处理；

内部模型进行分割处理的步骤包括：对填补的内部模具部分进行基于Voronoi图的分割处理，使其能够通过最终成型的模型的孔洞或孔隙成功取出；

基于Voronoi图的分割处理的具体过程包括：

计算最终要制作成型的模型所具有的孔洞或孔隙包围球的直径D；

对内部模型进行表面CVT处理，即基于质心的Voronoi细分，获得内部模型表面种子点对应的粗粒度三角网格；

对内部中空部分的内部模型的表面进行Voronoi分割；

获得经过分割的模具的包围球的直径L。

2.如权利要求1所述的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，得到初始模型的具体步骤包括：创建一个能包围住待制造模型的简单模型，将创建的简单模型作为外壳，与待制造模型进行差集布尔运算，得到整体的待分割的初始模型。

3.如权利要求1所述的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，所述获得外部模型的具体步骤包括：根据初始模型，创建一个能够包裹住待制造模型内部中空部分的内部模型；将内部模型与初始模型进行差集布尔运算获得外部模型。

4.如权利要求1所述的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，

若L>D，由于模具成型后为刚性，则增加5个种子点的个数，重新进行对内部中空部分的内部模型的表面进行Voronoi分割；若L<D，则内部模型表面分割完毕，记录种子点的个数n的值；

对最终获得的内部模具的表面分割结果进行加厚处理，加厚的厚度应超过所选择磁铁的宽度或直径。

5.如权利要求1所述的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，每个所述模具模块的拼接面处均设置凹槽，凹槽内用于放置磁铁的具体过程包括：

根据模型打印大小选择合适大小及形状的磁铁；

根据选择的磁铁的截面新建符合所选磁铁大小形状的简单模型A，其边长或直径加上打印精度d，该打印精度d需要根据不同的3D打印机来确定；

对分别选择模具模块的每一个分型面，使用相邻的两块模具模型拼接部分别包裹模型A，并且与模型A进行差集布尔运算，生成模具拼接处的凹槽。

6.如权利要求1所述的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，通过3D打印得到经过分割的模具实体，在凹槽位置放入磁铁，利用磁力将各个模块部分组合在一起，脱模时易于拆卸。

7.如权利要求1所述的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，外部模型进行分割处理，具体过程包括：

在高斯球上均匀随机采样k个候选的脱模方向d₁，d₂，d₃……d_k；

对于每一个候选的脱模方向，计算不可见的区域面积a，选择使得不可见区域面积a最小的一个方向作为一个脱模方向。

8.如权利要求7所述的复杂模具设计及脱模方法，其特征在于，

根据选择的脱模方向，在外部模具的内表面找到一个面F1，使得这个面的法向能够最好地与所选的脱模方向匹配；

使用贪婪区域增长方法，根据外部模具内表面的每个面的法向与脱模方向的夹角θ<2°的约束，将每个面F1分配到内表面的部分区域f1中；

根据上述区域f1将这一部分的外部模具切割出来；

对剩余模具重复执行上述步骤直到所有面都被分配。

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