CN114347481B - 一种梯度微结构的3d打印文件生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印技术领域，提供了一种梯度微结构的3D打印文件生成方法及系统。其中，该方法包括获取具有水密性的待打印三维模型及其对应的三维密度场；基于微结构的物理性质及设定需求，筛选相匹配的微结构填充至所述待打印三维模型内部；根据待打印三维模型的三维密度场及筛选的微结构物理性质，对三维模型内部填充的每层微结构单元进行建模，生成梯度微结构切片结果；根据打印精度，将待打印模型离散为三维场表达，得到模型每一层的切片结果，并将其与对应层的微结构切片结果求交，得到可直接用于3D打印的文件。

Description

一种梯度微结构的3D打印文件生成方法及系统

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种梯度微结构的3D打印文件生成方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

3D打印是一种逐层累加材料的加工方式，可以从数字文件生成高精度、复杂的实体模型，随着制造工艺和精度的提升，3D打印技术已开始应用于在医疗、航空航天、建筑等领域，对高精度复杂几何模型的设计和制造提出了更多的需求和挑战。微结构设计是通过在微观尺度改变材料的分布，实现改变如弹性、强度、硬度等模型的宏观物理性能的方法。梯度微结构是由两种或多种材料复合而成，且结构成一定梯度变化，其设计要求功能、性能随着模型内部位置的变化而变化。梯度微结构在航空航天工业、传感器、化学、生物医学乃至日常生活诸领域均有巨大的应用前景。目前对微结构的研究，利用改变微结构来改变整体模型的物理性质的流程还不成熟。

目前生成模型内部梯度微结构的方法主要有两种，即自上而下的方式和自底向上的方式，自上向下的方式是输入特定的三维模型来进行设计，需要大量的计算和优化时间并且得到的是针对某一种特定模型的结果。而自底向上的方法是将一个微结构单元作为设计空间，通过设计不同的基元，构造一个材料属性空间，填充相应的晶胞就可以得到模型。因为自底向上方法中的材料属性空间是预先计算的，因此计算消耗低。

综上所述，发明人发现，目前很多工作都是面向均匀分布的微结构，而对于内部填充梯度微结构的模型来说，构建网格数据的过程消耗时间长、难度大、精度低。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种梯度微结构的3D打印文件生成方法及系统，其直接面向制造过程，利用符号距离场表达微结构单元，对生成的微结构单元进行物理性质分析得到它的物理性能，并根据应用的不同选择合适的微结构，最终将给定模型内部生成符合要求的梯度微结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种梯度微结构的3D打印文件生成方法，其包括：

获取具有水密性的待打印三维模型及其对应的三维密度场；

基于微结构的物理性质及设定需求，筛选相匹配的微结构填充至所述待打印三维模型内部；

根据待打印三维模型的三维密度场及筛选的微结构物理性质，对三维模型内部填充的每层微结构单元进行建模，生成梯度微结构切片结果；

根据打印精度，将待打印模型离散为三维场表达，得到模型每一层的切片结果，并将其与对应层的微结构切片结果求交，得到可直接用于3D打印的文件。

作为一种实施方式，在筛选微结构的过程中，通过生成符号距离场表示微结构单元。

作为一种实施方式，当距离场中的点在模型内部则其值为负数，值越小代表距离模型表面的距离越大。

作为一种实施方式，当距离场中的点在模型外部则其值为正数，值越大代表距离模型表面的距离越大。

作为一种实施方式，在筛选微结构的过程中，利用渐进均质化操作得到微结构的物理性质相关的数值。

作为一种实施方式，在对三维模型内部填充的每层微结构进行建模的过程中，在两个相邻的体积分数相差超过设定阈值的微结构单元边界进行线性插值处理，使两个微结构单元边界相连部分实现平滑过渡。

本发明的第二个方面提供一种梯度微结构的3D打印文件生成系统，其包括：

待打印模型参数获取模块，其用于获取具有水密性的待打印三维模型及其对应的三维密度场；

微结构筛选模块，其用于基于微结构的物理性质及设定需求，筛选相匹配的微结构填充至所述待打印三维模型内部；

梯度微结构建模模块，其用于根据待打印三维模型的三维密度场及筛选的微结构物理性质，对三维模型内部填充的每层微结构单元进行建模，生成梯度微结构切片结果；

3D打印文件生成模块，其用于根据打印精度，将待打印模型离散为三维场表达，得到模型每一层的切片结果，并将其与对应层的微结构切片结果求交，得到可直接用于3D打印的文件。

作为一种实施方式，在所述微结构筛选模块中，通过生成符号距离场表示微结构单元。

作为一种实施方式，在所述微结构筛选模块中，利用渐进均质化操作得到微结构的物理性质相关的数值。

作为一种实施方式，在所述梯度微结构建模模块中，在对三维模型内部填充的每层微结构进行建模的过程中，在两个相邻的体积分数相差超过设定阈值的微结构单元边界进行线性插值处理，使两个微结构单元边界相连部分实现平滑过渡。

本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法中的步骤。

本发明的第四个方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提出了一种利用微结构控制模型的物理性质的方法和系统，该系统提供了多种预定义的微结构，用户可根据应用场景选择微结构，然后用系统对微结构进行物理性质的分析，根据分析结果可以找到适合自己模型的微结构，再通过密度场为模型不同位置填充不同体积分数的微结构，最终生成可直接用于3D打印的数据文件。

(2)本发明提出了通过距离场表达的多种微结构单元，并构建了微结构单元的物理性能空间，实现了几何结构与物理性能间的映射。

(3)本发明提出了利用梯度微结构改变模型物理性质，通过密度场驱动内部微结构单元的分布，实现对结构整体物理性能的控制。

(4)本发明提出了一种无需网格表达与网格重建的建模方法，避免了生成打印数据文件时复杂的网格切片运算，实现了直接用于高精度打印的数据文件的高效生成。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

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

图1是本发明实施例的梯度微结构的3D打印文件生成方法整体流程；

图2是本发明实施例的距离场表示多种微结构渲染图；

图3是本发明实施例的微结构体积分数与杨氏模量的对应曲线；

图4(a)是本发明实施例的某种微结构；

图4(b)是图4(a)对应的正压下的模型应力分布；

图4(c)是图4(b)对应的杨氏模量面；

图5是本发明实施例的模型每层切片结果图；

图6是本发明实施例的密度场对应相应体积分数的微结构示意图；

图7是本发明实施例的梯度微结构与模型每层的像素结果求交操作示意图；

图8是本发明实施例的3D打印结果图。

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，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

实施例一

参照图1，本实施例提供了一种梯度微结构的3D打印文件生成方法，其具体包括如下步骤：

S101：获取具有水密性的待打印三维模型及其对应的三维密度场。

在具体实施中，待打印三维模型可以为网格表达或距离场等类型，其中要求三维模型文件必须是水密的。

待打印三维模型对应的三维密度场，密度场大小为Xden×Yden×Zden，其中Xden、Yden、Zden分别为方向x、y、z上的分辨率大小。密度场量化表示了模型内部各个部位对于弹性、强度、硬度等性能的需求。若用户未给定密度场,则默认生成均匀分布的微结构单元。

S102：基于微结构的物理性质及设定需求，筛选相匹配的微结构填充至所述待打印三维模型内部。

在具体实施中，在筛选微结构的过程中，通过生成符号距离场表示微结构单元。

杆状结构和片状结构是通过手动编写其拓扑结构来生成其符号距离场，而TPMS微结构是通过隐式方程生成其符号距离场，如图2所示，当距离场中的点在模型内部则其值为负数，值越小代表距离模型表面的距离越大，当距离场中的点在模型外部则其值为正数，值越大代表距离模型表面的距离越大。

在筛选微结构的过程中，利用渐进均质化操作得到微结构的物理性质相关的数值。微结构的物理性质包括杨氏模量、剪切模量和泊松比等。

如图3所示，对于同种类型的微结构单元，可通过调整几何参数，得到该类型的物理性能曲线，图中x轴对应结构的体积分数，y轴对应杨氏模量值。如图4(a)-图4(c)所示，可以根据应力分布图得出在正向载荷的作用下，微结构哪些部位最容易发生变形、破损等情况，根据杨氏模量面的形状来判断结构在某个方向上的各向同性。

其中，用户根据对弹性、强度、硬度等方面的需求，选择一种相匹配的微结构来进行内部填充。

S103：根据待打印三维模型的三维密度场及筛选的微结构物理性质，对三维模型内部填充的每层微结构单元进行建模，生成梯度微结构切片结果。

根据三维密度场的数值在对应的立方体空间内填充微结构单元，需要构造密度场与微结构的几何或物理性质的对应关系，以下假设密度场与体积分数的关系，密度场最大值为densitymax，最小值为densitymin，微结构体积分数最大值vofmax，最小值为vofmin，当前密度场的值为d。如图6所示，每个数值对应不同体积分数的微结构。同时要满足数值对应的关系，假设单个微结构单元在x、y、z轴上的分辨率为Xmic、Ymic、Zmic，需满足Xden×Xmic＝Xlev，Yden×Ymic＝Ylev，Zden×Zmic＝L。其中，L为打印方向(z轴)的层数，Xlev和Ylev分别为在x、y轴方向上的分辨率；Xden、Yden和Zden分别表示密度场在x、y轴、z轴上方向的值。

S104：根据打印精度，将待打印模型离散为三维场表达，得到模型每一层的切片结果，并将其与对应层的微结构切片结果求交，得到可直接用于3D打印的文件。

在具体实施中，对待打印模型根据打印精度离散为三维场表达，假定打印方向(z轴)的层数为L，在x、y轴方向上的分辨率为Xlev和Ylev。沿z轴方向每一层代表模型每一层的切片几何信息，通过图片可视化为白色像素的位置表示需要打印成型的实体位置。如图5所示，可以得到模型每一层的切片结果。

其中相邻的两个单元可能出现体积分数相差过大的情况，这可能会导致打印过程失败。为了避免这种情况，在对三维模型内部填充的每层微结构进行建模的过程中，在两个相邻的体积分数相差超过设定阈值的微结构单元边界进行线性插值处理，使两个微结构单元边界相连部分实现平滑过渡。

现在得到了一个立方体内的梯度微结构建模结果和待打印模型每一层的切片结果，两者存储大小都是Xlev×Ylev×L，需要对两个结果做求交操作，如图7所示，我们有每一层的模型切片结果和对应的每一层的梯度微结构切片结果，对应层做求交操作，即如果该位置两者都是白色像素点，则结果图片对应位置是白色像素点。

基于每一层的像素结果，对于基于光固化成型的打印工艺，打印数据文件为二维掩膜图片，只需要输出成图片文件；对于基于线扫描的打印工艺，最常用的格式为G-code文件，此时对图片做轮廓提取，再调用常用的扫描线、螺旋线等填充算法，生成内部填充路径，即可生成满足要求的G-code文件。如图8所示，最终可以通过制造得到的模型。

本发明可以生成包括杆状微结构、TPMS微结构、片状微结构在内的多种微结构类型；可以对微结构单元进行物理性质的分析，得到该微结构在弹性、强度、硬度等方面的特性；可以导入想要打印的模型，在模型内部区域填充符合物理性能要求的微结构单元；可以直接生成满足多种3D打印工艺的高精度数据文件。

实施例二

本实施例提供了一种梯度微结构的3D打印文件生成系统，其具体包括如下模块：

待打印模型参数获取模块，其用于获取具有水密性的待打印三维模型及其对应的三维密度场；

微结构筛选模块，其用于基于微结构的物理性质及设定需求，筛选相匹配的微结构填充至所述待打印三维模型内部；

梯度微结构建模模块，其用于根据待打印三维模型的三维密度场及筛选的微结构物理性质，对三维模型内部填充的每层微结构单元进行建模，生成梯度微结构切片结果；

3D打印文件生成模块，其用于根据打印精度，将待打印模型离散为三维场表达，得到模型每一层的切片结果，并将其与对应层的微结构切片结果求交，得到可直接用于3D打印的文件。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法中的步骤。

本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种梯度微结构的3D打印文件生成系统，其特征在于，包括：

待打印模型参数获取模块，其用于获取具有水密性的待打印三维模型及其对应的三维密度场；

微结构筛选模块，其用于基于微结构的物理性质及设定需求，筛选相匹配的微结构填充至所述待打印三维模型内部，在所述微结构筛选模块中，通过生成符号距离场表示微结构单元，利用渐进均质化操作得到微结构的物理性质相关的数值；

梯度微结构建模模块，其用于根据待打印三维模型的三维密度场及筛选的微结构物理性质，对三维模型内部填充的每层微结构单元进行建模，生成梯度微结构切片结果，在对三维模型内部填充的每层微结构进行建模的过程中，在两个相邻的体积分数相差超过设定阈值的微结构单元边界进行线性插值处理，使两个微结构单元边界相连部分实现平滑过渡；

3D打印文件生成模块，其用于根据打印精度，将待打印模型离散为三维场表达，得到模型每一层的切片结果，并将其与对应层的微结构切片结果求交，得到可直接用于3D打印的文件；

对于基于光固化成型的打印工艺，打印数据文件为二维掩膜图片，输出成图片文件；对于基于线扫描的打印工艺，文件格式为G-code，对图片做轮廓提取，再调用扫描线、螺旋线填充算法，生成内部填充路径，生成满足要求的G-code文件，最终通过制造得到模型。

2.一种梯度微结构的3D打印文件生成方法，是基于权利要求1所述的梯度微结构的3D打印文件生成系统，其特征在于，包括：

获取具有水密性的待打印三维模型及其对应的三维密度场；

基于微结构的物理性质及设定需求，筛选相匹配的微结构填充至所述待打印三维模型内部，在筛选微结构的过程中，通过生成符号距离场表示微结构单元，利用渐进均质化操作得到微结构的物理性质相关的数值；

根据待打印三维模型的三维密度场及筛选的微结构物理性质，对三维模型内部填充的每层微结构单元进行建模，生成梯度微结构切片结果，在对三维模型内部填充的每层微结构进行建模的过程中，在两个相邻的体积分数相差超过设定阈值的微结构单元边界进行线性插值处理，使两个微结构单元边界相连部分实现平滑过渡；

根据打印精度，将待打印模型离散为三维场表达，得到模型每一层的切片结果，并将其与对应层的微结构切片结果求交，得到可直接用于3D打印的文件；

对于基于光固化成型的打印工艺，打印数据文件为二维掩膜图片，输出成图片文件；对于基于线扫描的打印工艺，文件格式为G-code，对图片做轮廓提取，再调用扫描线、螺旋线填充算法，生成内部填充路径，生成满足要求的G-code文件，最终通过制造得到模型。

3.如权利要求2所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法，其特征在于，当距离场中的点在模型内部则其值为负数，值越小代表距离模型表面的距离越大。

4.如权利要求2所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法，其特征在于，当距离场中的点在模型外部则其值为正数，值越大代表距离模型表面的距离越大。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求2-4中任一项所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法中的步骤。

6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求2-4中任一项所述的梯度微结构的3D打印文件生成方法中的步骤。

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