CN116277974A - 点阵结构3d打印路径规划方法、系统及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种点阵结构3D打印路径规划方法、系统及打印方法，系统包括结构建模模块、参数计算模块、坐标确定模块和路径规划模块，规划方法包括：首先，通过结构建模模块对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；然后，参数计算模块根据点阵胞元的几何分布关系，以及支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长、胞元高度和胞元相对体积密度；之后，坐标确定模块以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；最后，路径规划模块结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹。

Description

点阵结构3D打印路径规划方法、系统及打印方法

技术领域

本发明涉及通过来自数个导航仪器的数据的关联技术领域，具体涉及一种点阵结构3D打印路径规划方法、系统及打印方法。

背景技术

轻量化是结构设计与制造的永恒追求，重量轻、承载重的结构与材料一直是航空航天、武器装备与轨道交通等领域的研究重点，三维点阵比强度高、比刚度优，被认为是最具轻质高强潜力的结构之一。连续纤维增强树脂基树脂基复合材料3D打印是一种将连续纤维长丝与树脂长丝在打印喷嘴中共进共融、在线浸渍，通过机床或者机器人运动轨迹设计实现复杂结构零部件一体化增材成型的方法，具有制造效率高、灵活性好的特点。

但受制于三维点阵结构与连续纤维成型排布工艺的复杂性，通过复合材料3D打印技术成型点阵结构的相关关键工艺技术难题仍未得到彻底突破。尚无有效的轨迹设计方法能够实现三维空间节点连接四向以上杆数的点阵结构型的连续轨迹的打印。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种点阵结构3D打印路径规划方法、系统及打印方法，能够实现三维空间单节点六支柱点阵的成型。

技术方案如下：

一种点阵结构3D打印路径规划方法，其关键在于，包括：

对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；

根据点阵胞元的几何分布关系，以及所述支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长和胞元高度；

以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过所述胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；

结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹。

进一步的，根据支杆长度、支杆与水平面夹角、支脚长度与顶脚长度，计算所述胞元裙边边长和胞元高度。

进一步的，根据轨迹点位置坐标与所述几何顶点坐标的倍数，以及轨迹的正反方向设定所述点阵轨迹特征矩阵。

一种点阵结构3D打印路径规划系统，其关键在于，包括：

结构建模模块，配置为对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；

参数计算模块，配置为根据点阵胞元的几何分布关系，以及所述支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长和胞元高度；

坐标确定模块，配置为以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过所述胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；

路径规划模块，配置为结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹。

进一步的，所述参数计算模块根据支杆长度、支杆与水平面夹角、支脚长度与顶脚长度，计算所述胞元裙边边长和胞元高度。

进一步的，所述坐标确定模块根据轨迹点位置坐标与所述几何顶点坐标的倍数，以及轨迹的正反方向设定所述点阵轨迹特征矩阵。

一种点阵结构3D打印方法，其关键在于，包括：

采用上述的点阵结构3D打印路径规划方法，规划三维点阵打印路径轨迹；

按照规划出的三维点阵打印路径轨迹控制3D打印机进行打印。

进一步的，所述按照规划出的三维点阵打印路径轨迹控制3D打印机进行打印，包括：

根据所述三维点阵打印路径轨迹生成G代码机器程序；

将所述G代码机器程序传输给3D打印机进行打印。

有益效果：采用本发明的点阵结构3D打印路径规划方法、系统及打印方法。可以实现三维空间单节点四支柱以上点阵结构的成型，成型的点阵结构相对密度低、一体化成型效率高、空间利用率好。设计的轨迹适用于机床与机器人等工业常用运动平台，适用性广。仅需一台复合材料3D打印机可实现多种点阵结构的成型，无需专用模具，成本低、操作简单、经济性好。为轻质高强复合材料点阵结构的大面积推广应用提供了有效途径。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的点阵结构3D打印路径规划方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的四面体点阵参数化建模模型示意图；

图3为本发明一实施例提供的四面体点阵笛卡尔坐标模型示意图；

图4为本发明一实施例提供的四面体点阵轨迹轨迹方向与G代码执行轨迹示意图；

图5为本发明一实施例提供的金字塔点阵参数化建模模型示意图；

图6为本发明一实施例提供的金字塔点阵笛卡尔坐标模型示意图；

图7为本发明一实施例提供的六支柱点阵参数化建模模型示意图；

图8为本发明一实施例提供的六支柱点阵笛卡尔坐标模型示意图；

图9为本发明一实施例提供的设计三种点阵结构相对密度对比图；

图10为采用本发明提供的轨迹设计方法成型的连续碳纤维聚乳酸复合材料四面体-金字塔-六支柱点阵平压应力应变曲线图；

图11为本发明一实施例提供的点阵结构3D打印路径规划系统的系统框图；

图12为本发明一实施例提供的3D打印方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例一

如图1所示的点阵结构3D打印路径规划方法的流程图，该规划方法包括：

步骤1、对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；

步骤2、根据点阵胞元的几何分布关系，以及所述支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长和胞元高度；

步骤3、以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过所述胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；

步骤4、结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹。

具体而言，如图1-3所示，以规划四面体点阵结构的三维点阵打印路径轨迹为例。

首先，在笛卡尔坐标下，对四面体点阵结构单胞进行参数化建模，并设定点四面体点阵结构的支杆、支脚、顶脚等结构特征的结构特征参数。在本实施例中，设定的结构特征参数包括：支杆截面宽度b，支杆高度h，支杆长度l，支杆与水平面夹角α，支脚长度a₁、顶脚长度a₂。

然后，基于支杆截面宽度b，支杆高度h，支杆长度l，支杆与水平面夹角α，支脚长度a₁、顶脚长度a₂。以及点设定的点阵胞元的几何分布关系，计算出胞元高度H，胞元裙边边长L。

在本实施例中，采用以下计算式计算得到四面体点阵结构的胞元裙边边长L：

采用以下计算式计算得到四面体点阵结构的胞元高度H：

H＝lsinα；

之后，以点阵胞元的打印起点为打印原点(0，0，0)，根据所述胞元裙边边长和胞元高度确定四面体点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)，i，j，k分别对应坐标在X，Y，Z方向上的单位量纲。

k＝H＝lsinα；

最后，结合点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)，以及与点阵结构单元单胞对应的点阵轨迹特征矩阵，确定点阵结构单元单胞对应的三维点阵打印路径轨迹。

在本实施例中，可以按照设定的打印顺序建立点-线顺序连接的3×n点阵轨迹特征矩阵。其中，利用矩阵每一行数值信息标定位置坐标与对应矩阵单位量纲的倍数，利用数值正负号表示轨迹的正反方向、使用矩阵列信息组合多个打印轨迹步骤，列数反映了成形矩阵单胞设计的打印步骤数目。建立的点阵结构单元对应的点阵轨迹特征矩阵为：

确定点阵结构单元单胞对应的三维点阵打印路径轨迹为：

例如，规划支杆截面宽度为5mm，支杆高度为3mm，支杆长度为20mm，支杆与水平面夹角为30°，支脚与顶脚长度分别为3mm与2mm的正四面体点阵结构的三维点阵打印路径轨迹。采用以上计算式计算得正四面体点阵胞元的顶点几何坐标为(19.3，11.2，10)，由此确定的正四面体点阵打印轨迹矩阵为：

应理解，点阵结构的胞元相对密度越低，则表明点阵结构的轻量化水平越高，空间利用率越高，结构轻量化设计越好。在本实施例中，可以采用以下计算式分别计算不同支杆与水平面夹角所对应的四面体点阵结构的胞元相对体积密度

计算结果如图9所示：

实施例二

如图5、图6所示，以规划金字塔点阵结构的三维点阵打印路径轨迹为例。

采用以下计算式计算金字塔型点阵结构的胞元裙边边长L：

采用以下计算式计算金字塔型点阵结构的胞元高度H：

H＝lsinα；

计算式计算金字塔型点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)：

k＝H＝lsinα

采用与实施例一相同的点阵轨迹特征矩阵设定方法，设定的金字塔型点阵轨迹特征矩阵为：

打印支杆截面宽度5mm，高度为3mm，长度为20mm，支杆与水平面夹角为45°，支脚与顶脚长度分别为3mm与2mm的金字塔点阵结构。采用以上计算式计算得金字塔型点阵胞元的顶点几何坐标为(17.3，17.3，10)，以此规划的金字塔点阵结构的点阵打印轨迹矩阵为：

在本实施例中，可以采用以下计算式分别计算不同支杆与水平面夹角所对应的金字塔型点阵结构的胞元相对体积密度

计算结果如图9所示：

实施例三

如图7、图8所示，以规划六支柱点阵结构的三维点阵打印路径轨迹为例。

采用以下计算式计算六支柱点阵结构的胞元裙边边长L：

采用以下计算式计算六支柱点阵结构的胞元高度H：

H＝lsinα；

计算式计算六支柱点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)：

k＝H＝lsinα

采用与实施例一相同的点阵轨迹特征矩阵设定方法，设定的六支柱点阵轨迹特征矩阵为：

打印支杆截面宽度5mm，高度为3mm，长度为20mm，支杆与水平面夹角为60°，支脚与顶脚长度分别为3mm与2mm的六支柱点阵结构，计算得六支柱点阵胞元的顶点几何坐标为(7.5，13，17.3)，以此规划的六支柱点阵结构的点阵打印轨迹矩阵为：

在本实施例中，可以采用以下计算式分别计算不同支杆与水平面夹角所对应的六支柱点阵结构的胞元相对体积密度

计算结果如图9所示：

应理解，通过改变顶点坐标(i，j，k)的值，可生成同一类而不同尺寸点阵结构的成型轨迹；通过改变点阵的轨迹特征矩阵，可生成同一尺寸而不同种类的点阵结构的成型轨迹。

如图11所示的点阵结构3D打印路径规划系统的系统框图，该规划系统包括：

结构建模模块，配置为对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；

参数计算模块，配置为根据点阵胞元的几何分布关系，以及所述支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长和胞元高度；

坐标确定模块，配置为以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过所述胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；

路径规划模块，配置为结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹。

具体而言，规划系统是由结构建模模块、参数计算模块、坐标确定模块和路径规划模块组成。其中，结构建模模块可以在在笛卡尔坐标下对点阵结构单胞进行参数化建模，设定单胞支杆、支脚、顶脚以及裙边等结构特征参数。参数计算模块可以采用与点阵结构相对应的计算式，根据点阵结构设定的结构特征参数，如支杆截面宽度b，支杆高度h，支杆长度l，支杆与水平面夹角α，支脚长度a₁、顶脚长度a₂，计算出点阵胞元的胞元裙边边长和胞元高度。

坐标确定模块可以根据参数计算模块计算得到的点阵胞元的胞元裙边边长和胞元高度，采用预设的计算方法计算得到点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)。

路径规划模块可以结合与点阵结构对应的点阵轨迹特征矩阵，以及坐标确定模块计算出的点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)，确定点阵结构对应的三维点阵打印路径轨迹矩阵，三维点阵打印路径轨迹矩阵如下所示：

在本实施例中，可选的，所述参数计算模块根据支杆长度、支杆与水平面夹角、支脚长度与顶脚长度，计算所述胞元裙边边长和胞元高度。

具体的，参数计算模块可以采用以下计算方法计算四面体点阵结构的胞元裙边边长L：

参数计算模块可以采用以下计算方法计算金字塔型点阵的胞元裙边边长L：

参数计算模块可以采用以下计算方法计算六支柱点阵的胞元裙边边长L：

所述参数计算模块采用以下计算方法计算所述四面体点阵结构、六支柱点阵结构和金字塔型点阵结构的胞元高度H：

H＝lsinα；

所述参数计算模块采用以下计算方法计算所述四面体点阵结构的胞元相对体积密度

所述参数计算模块可以采用以下计算方法计算所述金字塔型点阵结构的胞元相对体积密度

所述参数计算模块采用以下计算方法计算所述六支柱点阵结构的胞元相对体积密度

在本实施例中，可选的，所述坐标确定模块根据轨迹点位置坐标与所述几何顶点坐标的倍数，以及轨迹的正反方向设定所述点阵轨迹特征矩阵。点阵轨迹特征矩阵如下所示：

设定的正四面体点阵结构、金字塔型点阵结构和六支柱点阵结构对应的点阵轨迹特征矩阵分别为：

如图12所示的点阵结构3D打印方法的流程图，该打印方法包括：

步骤S1、对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；

步骤S2、根据点阵胞元的几何分布关系，以及所述支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长和胞元高度；

步骤S3、以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过所述胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；

步骤S4、结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹；

步骤S5、按照规划出的三维点阵打印路径轨迹控制3D打印机进行打印。

具体而言，首先，可以在在笛卡尔坐标下对点阵结构单胞进行参数化建模，设定单胞支杆、支脚、顶脚以及裙边等结构特征参数。

然后，可以采用与点阵结构相对应的计算式，根据点阵结构设定的结构特征参数，如支杆截面宽度b，支杆高度h，支杆长度l，支杆与水平面夹角α，支脚长度a₁、顶脚长度a₂，计算出点阵胞元的胞元裙边边长和胞元高度。

之后，可以根据计算得到的点阵胞元的胞元裙边边长和胞元高度，采用预设的计算方法计算得到点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)。

然后，可以结合与点阵结构对应的点阵轨迹特征矩阵，以及计算出的点阵胞元的几何顶点坐标(i，j，k)，确定点阵结构对应的三维点阵打印路径轨迹矩阵：

最后，按照规划出的三维点阵打印路径轨迹控制3D打印机进行打印。

在本实施例中，可选的，所述按照规划出的三维点阵打印路径轨迹控制3D打印机进行打印，包括：

根据所述三维点阵打印路径轨迹生成G代码机器程序；

将所述G代码机器程序传输给3D打印机进行打印。

具体而言，在控制3D打印机进行打印时，首先，可以将规划好的三维点阵打印路径轨迹矩阵转换成3D打印机可以直接执行的G代码程序。并将生成的G代码程序输入3D打印机执行机构，通过G代码轨迹可视化软件检测轨迹的是否干涉，无机械设备运行干涉问题后进行下一步操作。

上述规划好的正四面体点阵结构、金字塔型点阵结构和六支柱点阵结构对应的三维点阵打印路径轨迹矩阵转换成的G代码程序分别为：

正四面体点阵结构：

金字塔型点阵结构：

六支柱点阵结构：

下一步，运行打印程序，由喷嘴处挤出打印复合材料长丝，在打印基板上打印长度为a1的点阵支脚，而后在路径转折拐点处停留3-5秒，在外部冷风的作用下使树脂固结；

在通过路径转折拐点后，打印喷嘴顺时针摆动角度0-10°，使得打印细长喷嘴与上行打印路径方向夹角小于30°，打印点阵上行支杆，运动到路径拐点时停留3-5秒，等待打印的支杆完成初步冷却固化并具有一定的刚度；

之后调整打印喷嘴角度至竖直状态，打印长度为a₂的点阵顶脚，在路径拐点停留3-5秒，待打印完成顶脚固化并具有一定的刚度；

之后，打印喷嘴逆时针摆动角度0-10°，使得打印细长喷嘴与下行打印路径方向夹角小于30°，打印点阵下行支杆，运动到路径拐点时停留3-5秒，等待打印的支杆完成初步冷却固化并具有一定的刚度，随后摆正打印喷头，完成支脚的打印；

重复上述步骤，运行点阵轨迹G代码程序，即可完成连续纤维复合材料点阵的成型。最后将整体打印完成的点阵结构，放入热压罐，在设定压力与温度的条件下二次固化，完成点阵结构的成型。

采用上述打印方法打印出的连续碳纤维聚乳酸复合材料四面体、金字塔、六支柱点阵的平压应力应变曲线如图12所示。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种点阵结构3D打印路径规划方法，其特征在于，包括：

对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；

根据点阵胞元的几何分布关系，以及所述支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长、胞元高度；

以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过所述胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；

结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹。

2.根据权利要求1所述的点阵结构3D打印路径规划方法，其特征在于，根据支杆长度、支杆与水平面夹角、支脚长度与顶脚长度，计算所述胞元裙边边长和胞元高度。

3.根据权利要求1所述的点阵结构3D打印路径规划方法，其特征在于，根据轨迹点位置坐标与所述几何顶点坐标的倍数，以及轨迹的正反方向设定所述点阵轨迹特征矩阵。

4.一种点阵结构3D打印路径规划系统，其特征在于，包括：

结构建模模块，配置为对点阵结构单胞进行参数化建模，设定点阵胞元的支杆、支脚和顶脚的结构特征参数；

参数计算模块，配置为根据点阵胞元的几何分布关系，以及所述支杆、支脚和顶脚的结构特征参数，计算胞元裙边边长和胞元高度；

坐标确定模块，配置为以点阵胞元的打印起点为打印原点，通过所述胞元裙边边长和胞元高度确定点阵胞元的几何顶点坐标；

路径规划模块，配置为结合几何顶点坐标和点阵轨迹特征矩阵，确定三维点阵打印路径轨迹。

5.根据权利要求4所述的点阵结构3D打印路径规划系统，其特征在于，所述参数计算模块根据支杆长度、支杆与水平面夹角、支脚长度与顶脚长度，计算所述胞元裙边边长和胞元高度。

6.根据权利要求4所述的点阵结构3D打印路径规划系统，其特征在于，所述坐标确定模块根据轨迹点位置坐标与所述几何顶点坐标的倍数，以及轨迹的正反方向设定所述点阵轨迹特征矩阵。

7.一种点阵结构3D打印方法，其特征在于，包括：

采用如权利要求1-3任一所述的点阵结构3D打印路径规划方法，规划三维点阵打印路径轨迹；

按照规划出的三维点阵打印路径轨迹控制3D打印机进行打印。

8.根据权利要求7所述的多维融合定位方法，其特征在于，所述按照规划出的三维点阵打印路径轨迹控制3D打印机进行打印，包括：

根据所述三维点阵打印路径轨迹生成G代码机器程序；

将所述G代码机器程序传输给3D打印机进行打印。

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