CN117283864B - 一种纤维增强材料的3d打印数字模型构建方法 - Google Patents

Abstract

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，包括：S1.获取模型参数。S2.创建纤维外接圆球。S3.进行外接圆球重叠判断和外接圆球反重叠处理。S4.进行外接圆球回界处理。S5.在纤维外接圆球中创建纤维模型。S6.随机转动纤维模型。S7.重复上述步骤至纤维模型的体积超过目标值。S8.创建粉末生成空间。S9.随机生成颗粒，并将颗粒随机放置在粉末生成空间中。S10.进行颗粒重叠判断和颗粒反重叠处理。S11.进行颗粒回界处理。S12.保存颗粒位置和体积数据。S13.重复上述步骤至颗粒的总体积分数超过目标值。本发明数字模型内的增强纤维存在状态与实际构件更贴合。

Description

一种纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法。

背景技术

增材制造技术是一种以数字模型文件为基础，运用可粘合材料通过逐层叠加的方式来构造物体的制造技术，现在最常见的增材制造技术是3D打印技术。设计3D打印构件时，往往需要先通过设计构件模型，并分析需要的材料所能得到的性能参数，以确定3D打印构件满足设计要求，并形成对应的数字模型文件。

现有的3D打印技术中通常以粉末材料为原料进行3D打印，打印产品性能，尤其是力学性能，主要受粉末材料和粘合剂影响。采用纤维增强技术可以增强3D打印构件的强度，提高力学性能，但是由于增强纤维的加入，3D打印数字模型的材料结构复杂程度较高。现有技术一般采用理想的颗粒与纤维平铺、纤维均匀平行分布的方式构件数字模型。但是由于3D打印过程中颗粒和纤维的流动受到打印温度、材料流动性、重力、打印环境因素等众多因素影响，打印时，打印件内的颗粒和纤维的分布目前是无法实现理论模型的分布方式的，尤其是纤维在构件中的排列更多趋向于随机朝向排布，而非均匀平行平铺，因此所得打印构件的性能总与理论模型的理论性能存在明显而不稳定的下浮差值，使得3D打印很难适用于纤维增强的精密构件制造。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，包括如下步骤：

S1. 获取待打印材料中颗粒材料的粒径范围、纤维粉末材料的长径比范围、纤维粉末材料的纤维平均直径、目标打印模型、纤维粉末的最低体积百分数、颗粒的最低体积百分数。

S2. 在数字模型空间内随机放置创建一个纤维外接圆球。

S3. 对纤维外接圆球进行外接圆球重叠判断，并对重叠的纤维外接圆球进行外接圆球反重叠处理。

S4. 判断是否存在超出边界的纤维外接圆球，如存在，则进行纤维外接圆球回界处理。

S5. 保存步骤S3和步骤S4处理完毕的纤维外接圆球位置，并在纤维外接圆球中创建纤维模型。创建的纤维模型长度不超过纤维外接圆球的直径，纤维模型中点与球心点重合。

S6. 在纤维外接圆球范围内，随机转动纤维模型。

S7. 重复步骤S2至S6，待已创建纤维模型的体积T_s占目标打印模型体积T₀的比值超过纤维粉末的最低体积百分数，进行步骤S8。

S8. 在数字模型空间内扣除全部已创建纤维，得到粉末生成空间。

S9. 在颗粒材料的粒径范围随机生成颗粒，并将随机生成的颗粒随机放置在粉末生成空间中。

S10. 对颗粒进行颗粒重叠判断，并对重叠的颗粒进行颗粒反重叠处理。

S11. 判断是否存在超出粉末生成空间边界的颗粒，如存在，则进行颗粒回界处理。

S12. 保存步骤S9至S11处理完毕的颗粒位置和体积数据。

S13. 重复步骤S9至S12，至颗粒的总体积分数T_k占目标打印模型体积T₀的比值超过颗粒的最低体积百分数。

进一步的，步骤S2中所述数字模型空间的创建方法包为：在三维坐标系中以Z=0处的X-Y平面为坐标系底面，将目标打印模型的模型底面等比例放置于坐标系底面上。以目标打印模型的边界为虚拟空间面，构建得到中空的数字模型空间。

进一步的，步骤S3所述外接圆球重叠判断的方法包括：

（1）获取数字模型空间内的新放置纤维外接圆球的圆心位置为（x₀,y₀,z₀）,半径为R₀。

（2）以（x₀,y₀,z₀）为圆心构建R₁=R₀*K的判断圆球，所述K为2-4之间的随机数。

（3）判断是否存在与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球，如存在进行步骤（4），如不存在则判断为没有重叠的纤维外接圆球。

（4）获取与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的圆心坐标（x₁,y₁,z₁）、（x₂,y₂,z₂）、...、（x_n,y_n,z_n），以及与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的半径R₁、R₂、...、R_n，编号n为与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的自然数顺序编号。

（5）计算新放置纤维外接圆球和与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的圆心距以及新放置纤维外接圆球和与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的半径和L_n=R₀+R_n。

（6）当存在＜L_n时，判断编号n对应的与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球为与新放置纤维外接圆球有交叉的交叉外接圆球。

进一步的，步骤S3所述外接圆球反重叠处理的方法包括：

首先，形成新放置纤维外接圆球圆心指向交叉外接圆球圆心的向量组E。

之后，计算向量组E的和向量F₀，并计算得到和向量F₀的反向量F₁。

最后，将新放置纤维外接圆球圆心按照反向量F₁进行位移，完成所述反重叠处理。

进一步的，步骤S4所述外接圆球回界处理的方法包括：

首先，做新放置纤维外接圆球圆心指向边界面的垂直向量A₀，并计算垂直向量A₀的反向量A₁。

之后，新放置纤维外接圆球圆心按照反向量A₁位移。

最后，重复进行步骤S3和步骤S4至新放置纤维外接圆球未超出边界且不与其他纤维外接圆球重叠。

进一步的，当重复进行步骤S3和步骤S4的次数达到预设值后，仍然存在新放置纤维外接圆球超出边界或与其他纤维外接圆球重叠，则删除该新放置纤维外接圆球，重新进入步骤S2。

可选的，步骤S10进行颗粒重叠判断的方法包括：

首先，获取新放置颗粒的圆心位置为（X₁,Y₁,Z₁）,半径为D₁。颗粒2的圆心位置为（X₂,Y₂,Z₂），半径为D₂。...颗粒V的圆心位置为（X_v,Y_v,Z_v），半径为D_v。所述颗粒V以新放置颗粒为中心，与新放置颗粒相邻颗粒的自然数顺序编号。

其次，以新放置颗粒为目标，分别计算新放置颗粒与周围颗粒2至颗粒V的距离为并得到/>

之后，以新放置颗粒为目标，计算新放置颗粒与对应的颗粒的半径之和Q_b=D₁+D_b。其中b为/>对应的颗粒编号。

最后，进行判断：如果＜Q_b，则认为它们是重叠的。

此时，步骤S5所述反重叠处理的方法包括：

首先，以新放置颗粒的圆心位置（X₁,Y₁,Z₁）和颗粒b的圆心位置（X_b,Y_b,Z_b）之间做连线M。

其次，计算N_b=（Q_b-）。

最后，将新放置颗粒的圆心位置，沿连线M的延长线，向远离颗粒b的方向位移N_b，完成所述反重叠处理。

且每次完成反重叠处理后，以新的新放置颗粒的圆心位置，重复进行重叠判断和反重叠处理，至≥Q_b。

可选的，步骤S10进行颗粒重叠判断的方法包括：

首先，获取模型空间内的新放置颗粒的圆心位置为（X₁,Y₁,Z₁）,半径为D₁。颗粒2的圆心位置为（X₂,Y₂,Z₂），半径为D₂。...颗粒V的圆心位置为（X_v,Y_v,Z_v），半径为D_v。所述颗粒V以新放置颗粒为中心，与新放置颗粒相邻颗粒的自然数顺序编号。

其次，以新放置颗粒为目标，分别计算新放置颗粒与周围颗粒2至颗粒V的距离为

之后，以新放置颗粒为目标，计算新放置颗粒与颗粒V之间的颗粒的半径之和Q_v=D₁+D_v。

最后，统计全部＜Q_v的颗粒，得到颗粒组S。如颗粒组S中存在颗粒，则判断存在重叠颗粒。

此时，步骤S5所述反重叠处理的方法包括：

首先，形成新放置颗粒指向颗粒组S中全部颗粒圆心的向量组T。

之后，计算向量组T的和向量U0，并计算得到和向量U0的反向量U1。

最后，将新放置颗粒的圆心按照反向量U1进行位移，完成所述反重叠处理。

且每次完成反重叠处理后，以新的新放置颗粒的圆心位置，重复进行重叠判断和反重叠处理，至颗粒组S中不存在颗粒。

进一步的，步骤S11所述颗粒回界处理包括：

首先，判断新放置颗粒超出粉末生成空间的体积W1与颗粒总体积W0之间的比值Cw。

之后，判断：如Cw≥0.5，则删除该颗粒。如Cw＜0.5，则进行下述步骤。

（1）做新放置颗粒圆心指向周围颗粒圆心的向量组B，并做向量组B的和向量G0。

（2）做和向量G0指向粉末生成空间的垂直向量G1，和垂直向量G1的反向量G2。

（3）以新放置颗粒的圆心为起点，沿反向量G2方向做圆心与颗粒边界面的连线H。

（4）以粉末生成空间为界线，将连线H分为粉末生成空间内的部分H1和粉末生成空间外的部分H2。

（5）将新放置颗粒沿垂直向量G1位移H2，完成所述回界处理。

（6）完成回界处理后再次进行步骤S10所述重叠判断，如存在重叠颗粒则进行反重叠处理。

进一步的，步骤S11所述颗粒回界处理的判断过程还包括：

1）记录新放置颗粒由不同模型边界切分的出界区域。

2）当出界区域的数量超过预设出界数量阈值时，删除该颗粒。所述预设出界数量阈值≥2。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果之一：

1.本发明进行3D打印模型设计时对纤维的位置和朝向进行了随机模拟和合理化调整，使得数字模型内的增强纤维存在状态与实际构件相贴合，从而使得数字模型和理论性能与实际打印构件的性能更近似，减少理论误差。

2.本发明数字模型兼顾了纤维和颗粒的最低体积百分数，有利于3D打印机打印得到性能较佳且性能稳定的3D打印构件。

具体实施方式

下面将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做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

一种纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，包括如下步骤：

S1. 获取待打印材料中颗粒材料的粒径范围、纤维粉末材料的长径比范围、纤维粉末材料的纤维平均直径、目标打印模型、纤维粉末的最低体积百分数、颗粒的最低体积百分数。

S2. 在数字模型空间内随机放置创建一个纤维外接圆球。

S3. 对纤维外接圆球进行外接圆球重叠判断，并对重叠的纤维外接圆球进行外接圆球反重叠处理。

S4. 判断是否存在超出边界的纤维外接圆球，如存在，则进行纤维外接圆球回界处理。

S5. 保存步骤S3和步骤S4处理完毕的纤维外接圆球位置，并在纤维外接圆球中创建纤维模型。创建的纤维模型长度不超过纤维外接圆球的直径，纤维模型中点与球心点重合。

S6. 在纤维外接圆球范围内，随机转动纤维模型。

S7. 重复步骤S2至S6，待已创建纤维模型的体积T_s占目标打印模型体积T₀的比值超过纤维粉末的最低体积百分数，进行步骤S8。

S8. 在数字模型空间内扣除全部已创建纤维，得到粉末生成空间。

S9. 在颗粒材料的粒径范围随机生成颗粒，并将随机生成的颗粒随机放置在粉末生成空间中。

S10. 对颗粒进行颗粒重叠判断，并对重叠的颗粒进行颗粒反重叠处理。对颗粒与纤维之间进行干涉判断，并对与纤维存在干涉的颗粒进行反干涉处理。

S11. 判断是否存在超出粉末生成空间边界的颗粒，如存在，则进行颗粒回界处理。

S12. 保存步骤S9至S11处理完毕的颗粒位置和体积数据。

S13. 重复步骤S9至S12，至颗粒的总体积分数T_k占目标打印模型体积T₀的比值超过颗粒的最低体积百分数。

相比于现有3D模型设计时采用的粉末颗粒和增强纤维相互嵌套且纤维平行而均匀分布的理想数字模型，本发明在进行数字模型构建时模拟了实际打印过程中纤维会在各种外部因素影响下发生随机分布和随机朝向排列的问题，从而使得构建得到的数字模型与实际打印构件中纤维分布情况趋向一致，以最贴合实际打印构件的方式构建数字模型，从而使得数字模型的理论性能与实际打印构件的性能之间性能差值浮动变化显著减小，可适用于3D打印纤维增强的精密构件的数字模型构建。

本发明并未采用直接创建纤维的方式在数字模型空间中放入纤维模型，而是首先创建了用于限定纤维的纤维外接圆球，然后再在定位好的纤维外接圆球内构建纤维模型的方式在数字模型空间中放入纤维模型，这是因为：

本发明需要构建随机朝向的纤维，因此直接在数字模型空间中放入纤维模型，由于纤维空间位置和朝向的随机性，后期对纤维模型进行重叠、出界分析时只能基于每一个纤维模型的点坐标进行数据分析。例如：想要判断一跟纤维与另一跟纤维是否重叠，就需要计算两根纤维的坐标点之间是否存在交叉或重合，而增强纤维虽然添加量不大，但是转换为纤维数量后是比较庞大的数据处理量，每一个纤维模型都进行高精度的点对点分析处理，需要的数据计算资源量很高，会导致处理硬件要求过高，或者模型构建时间过长，不利于在3D打印系统中适用。

而采用本发明方法，纤维外接圆球是一个标准模型，对于重叠和出界的判断主要基于圆心距和半径，数据处理量从直接构建纤维模型的超大量的点对点分析，变成了计费简单了几个计算式，极大降低了数据处理量。而在不重叠、不出界的外接圆球内放置纤维，则内置纤维无论怎么随机变换朝向，也必然不会重叠或出界。

此外，本发明在创建填充粉末的粉末生成空间时，将已经创建的纤维模型自数字模型空间中扣除，形成与内部具有多个纤维型边界的模型空间。这样在后期进行粉末填充时，只需要分析粉末颗粒之间是否重合以及粉末颗粒与边界之间是否存在出界即可。而如果选择在填充了纤维模型的数字模型空间中直接填充颗粒，则需要分析颗粒与纤维之间是否重合、颗粒与颗粒之间是否重合、颗粒是否出界，无形中增加了分析难度，且纤维由于存在随即朝向问题，直接分析纤维与颗粒是否重合时同样面临需要采用点对点分析的方法，因而存在数据处理量大的问题。

另外，本发明在构建数字模型时需要满足各种增强纤维和粉末颗粒的最佳体积百分数，因此可以使得最终得到的数字模型的理论性能达到或优于设计要求，结合本发明数字模型与实际构件性能差值较小的特点，可以使得3D打印所得纤维增强构件的实际性能趋向优良且稳定。

实施例2

基于实施例1的纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，步骤S2中所述数字模型空间的创建方法包为：在三维坐标系中以Z=0处的X-Y平面为坐标系底面，将目标打印模型的模型底面等比例放置于坐标系底面上。以目标打印模型的边界为虚拟空间面，构建得到中空的数字模型空间。

步骤S3所述外接圆球重叠判断的方法包括：

（1）获取数字模型空间内的新放置纤维外接圆球的圆心位置为（x₀,y₀,z₀）,半径为R₀。

（2）以（x₀,y₀,z₀）为圆心构建R₁=R₀*K的判断圆球，所述K为2-4之间的随机数。

（3）判断是否存在与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球，如存在进行步骤（4），如不存在则判断为没有重叠的纤维外接圆球。

（4）获取与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的圆心坐标（x₁,y₁,z₁）、（x₂,y₂,z₂）、...、（x_n,y_n,z_n），以及与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的半径R₁、R₂、...、R_n，编号n为与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的自然数顺序编号。

（5）计算新放置纤维外接圆球和与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的圆心距以及新放置纤维外接圆球和与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的半径和L_n=R₀+R_n。

（6）当存在＜L_n时，判断编号n对应的与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球为与新放置纤维外接圆球有交叉的交叉外接圆球。

步骤S3所述外接圆球反重叠处理的方法包括：

首先，形成新放置纤维外接圆球圆心指向交叉外接圆球圆心的向量组E。

之后，计算向量组E的和向量F₀，并计算得到和向量F₀的反向量F₁。

最后，将新放置纤维外接圆球圆心按照反向量F₁进行位移，完成所述反重叠处理。

采用该方法可以非常快速的确定纤维外接圆球之间是否存在重合，并进行相应的反重叠处理，判断重叠和进行反重叠处理时数据处理量很小，空间位移基于纤维外接圆球圆心进行向量位移，数据处理难度较低，资源消耗量较小。

实施例3

基于实施例2的纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，步骤S4所述外接圆球回界处理的方法包括：

首先，做新放置纤维外接圆球圆心指向边界面的垂直向量A₀，并计算垂直向量A₀的反向量A₁。

之后，新放置纤维外接圆球圆心按照反向量A₁位移。

最后，重复进行步骤S3和步骤S4至新放置纤维外接圆球未超出边界且不与其他纤维外接圆球重叠。

当重复进行步骤S3和步骤S4的次数达到预设值后，仍然存在新放置纤维外接圆球超出边界或与其他纤维外接圆球重叠，则删除该新放置纤维外接圆球，重新进入步骤S2。

虽然采用本发明方式可以快速随机放置用于构建纤维模型的纤维外接圆球，但是由于本发明建模时纤维外接圆球的位置是随机分布的，且外接圆球反重叠处理时，并不考虑纤维外接圆球是否超出模型边界的问题，因此不免出现部分纤维外接圆球会超出模型边界，而实际打印过程中希望尽可能不要出现超出边界的纤维（影响构件性能），该方法可以使得构建的数字模型没有超边界的纤维外接圆球（即没有超出模型边界的纤维），有助于使得实际进行3D打印时可以减少实际构件中超边界的颗粒总量，使得构建表面更加光滑，构件表面性能更佳。

实施例4

基于实施例1的纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，步骤S10进行颗粒重叠判断的方法包括：

首先，获取新放置颗粒的圆心位置为（X₁,Y₁,Z₁）,半径为D₁。颗粒2的圆心位置为（X₂,Y₂,Z₂），半径为D₂。...颗粒V的圆心位置为（X_v,Y_v,Z_v），半径为D_v。所述V为新放置颗粒为中心，与新放置颗粒相邻颗粒的自然数顺序编号。

其次，以新放置颗粒为目标，分别计算新放置颗粒与周围颗粒2至颗粒V的距离为并得到/>

之后，以新放置颗粒为目标，计算新放置颗粒与对应的颗粒的半径之和Q_b=D₁+D_b。其中b为/>对应的颗粒编号。

最后，进行判断：如果＜Q_b，则认为它们是重叠的。

此时，步骤S5所述反重叠处理的方法包括：

首先，以新放置颗粒的圆心位置（X₁,Y₁,Z₁）和颗粒b的圆心位置（X_b,Y_b,Z_b）之间做连线M。

其次，计算N_b=（Q_b-）。

最后，将新放置颗粒的圆心位置，沿连线M的延长线，向远离颗粒b的方向位移Nb，完成所述反重叠处理。

且每次完成反重叠处理后，以新的新放置颗粒的圆心位置，重复进行重叠判断和反重叠处理，至≥Q_b。

实施例5

基于实施例1的纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，步骤S10进行颗粒重叠判断的方法包括：

首先，获取模型空间内的新放置颗粒的圆心位置为（X₁,Y₁,Z₁）,半径为D₁。颗粒2的圆心位置为（X₂,Y₂,Z₂），半径为D₂。...颗粒V的圆心位置为（X_v,Y_v,Z_v），半径为D_v。所述V为新放置颗粒为中心，与新放置颗粒相邻颗粒的自然数顺序编号。

其次，以新放置颗粒为目标，分别计算新放置颗粒与周围颗粒2至颗粒V的距离为

之后，以新放置颗粒为目标，计算新放置颗粒与颗粒V之间的颗粒的半径之和Q_v=D₁+D_v。

最后，统计全部＜Q_v的颗粒，得到颗粒组S。如颗粒组S中存在颗粒，则判断存在重叠颗粒。

此时，步骤S5所述反重叠处理的方法包括：

首先，形成新放置颗粒指向颗粒组S中全部颗粒圆心的向量组T。

之后，计算向量组T的和向量U0，并计算得到和向量U0的反向量U1。

最后，将新放置颗粒的圆心按照反向量U1进行位移，完成所述反重叠处理。

且每次完成反重叠处理后，以新的新放置颗粒的圆心位置，重复进行重叠判断和反重叠处理，至颗粒组S中不存在颗粒。

实施例4和实施例5提供了两种颗粒重叠判断和反重叠处理的方法，其中实施例4在颗粒粒径分布范围差异较大时处理效果较优，一般适用于多种颗粒材料的混合打印时。而实施例5在颗粒粒径分布范围差异较小时处理效果较优，一般适用于颗粒粒径比较均一的单一材料或合金材料进行打印时。

实施例6

基于实施例1的纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，步骤S11所述颗粒回界处理包括：

首先，判断新放置颗粒超出粉末生成空间的体积W1与颗粒总体积W0之间的比值Cw。

之后，判断：如Cw≥0.5，则删除该颗粒。如Cw＜0.5，则进行下述步骤。

（1）做新放置颗粒圆心指向周围颗粒圆心的向量组B，并做向量组B的和向量G0。

（2）做和向量G0指向粉末生成空间的垂直向量G1，和垂直向量G1的反向量G2。

（3）以新放置颗粒的圆心为起点，沿反向量G2方向做圆心与颗粒边界面的连线H。

（4）以粉末生成空间为界线，将连线H分为粉末生成空间内的部分H1和粉末生成空间外的部分H2。

（5）将新放置颗粒沿垂直向量G1位移H2，完成所述回界处理。

（6）完成回界处理后再次进行步骤S10所述重叠判断，如存在重叠颗粒则进行反重叠处理。

由于本发明建模时颗粒的位置是随机分布形成的，且反重叠处理时，并不考虑颗粒是否超出模型边界的问题，因此不免出现部分颗粒会超出模型边界，而实际打印过程中希望尽可能不要出现超出边界的颗粒（影响构件表面均匀度），该方法可以使得构建的数字模型没有超边界的颗粒，从而使得实际进行3D打印时可以减少实际构件中超边界的颗粒总量，使得构建表面更加光滑，构件表面性能更佳。

此外，由于本发明在构建粉末生成空间时扣除了纤维模型，因此在粉末生成空间内存在很多纤维状的空腔边界，因此填充粉末颗粒时不仅要考虑模型边界的出界问题，还需要考虑空腔边界的出界问题，此处的空腔边界出界等同于颗粒与纤维发生了重叠，通过本发明的回界处理方式可以通过避免颗粒模型在空腔边界出界的方式，实现模型中颗粒模型与纤维模型的互不重叠。

实施例7

基于实施例6的纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，步骤S11所述颗粒回界处理的判断过程还包括：

1）记录新放置颗粒由不同模型边界切分的出界区域。

2）当出界区域的数量超过预设出界数量阈值时，删除该颗粒。所述预设出界数量阈值≥2，例如：预设出界数量阈值设置为4。

当颗粒模型有多个出界部分时，意味着该处粉末生成空间很可能空余空间较为狭窄，实际打印构件，该处可能无法存在粉末颗粒，因此选择进行删除颗粒模型。一方面简化了特殊情况下对颗粒模型的重叠和回界处理难度，另一方面也使得数字模型更贴合实际打印构件。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.获取待打印材料中颗粒材料的粒径范围、纤维粉末材料的长径比范围、纤维粉末材料的纤维平均直径、目标打印模型、纤维粉末的最低体积百分数、颗粒的最低体积百分数；

S2.在数字模型空间内随机放置创建一个纤维外接圆球；

S3.对纤维外接圆球进行外接圆球重叠判断，并对重叠的纤维外接圆球进行外接圆球反重叠处理；

S4.判断是否存在超出边界的纤维外接圆球，如存在，则进行纤维外接圆球回界处理；

S5.保存步骤S3和步骤S4处理完毕的纤维外接圆球位置，并在纤维外接圆球中创建纤维模型；创建的纤维模型长度不超过纤维外接圆球的直径，纤维模型中点与球心点重合；

S6.在纤维外接圆球范围内，随机转动纤维模型；

S7.重复步骤S2至S6，待已创建纤维模型的体积T_s占目标打印模型体积T₀的比值超过纤维粉末的最低体积百分数，进行步骤S8；

S8.在数字模型空间内扣除全部已创建纤维，得到粉末生成空间；

S9.在颗粒材料的粒径范围随机生成颗粒，并将随机生成的颗粒随机放置在粉末生成空间中；

S10.对颗粒进行颗粒重叠判断，并对重叠的颗粒进行颗粒反重叠处理；

S11.判断是否存在超出粉末生成空间边界的颗粒，如存在，则进行颗粒回界处理；

S12.保存步骤S9至S11处理完毕的颗粒位置和体积数据；

S13.重复步骤S9至S12，至颗粒的总体积分数T_k占目标打印模型体积T₀的比值超过颗粒的最低体积百分数。

2.根据权利要求1所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S2中所述数字模型空间的创建方法包为：在三维坐标系中以Z＝0处的X-Y平面为坐标系底面，将目标打印模型的模型底面等比例放置于坐标系底面上；以目标打印模型的边界为虚拟空间面，构建得到中空的数字模型空间。

3.根据权利要求2所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S3所述外接圆球重叠判断的方法包括：

(1)获取数字模型空间内的新放置纤维外接圆球的圆心位置为(x₀,y₀,z₀),半径为R₀；

(2)以(x₀,y₀,z₀)为圆心构建R₁＝R₀*K的判断圆球，所述K为2-4之间的随机数；

(3)判断是否存在与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球，如存在进行步骤(4)，如不存在则判断为没有重叠的纤维外接圆球；

(4)获取与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的圆心坐标(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、...、(x_n,y_n,z_n)，以及与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的半径R₁、R₂、...、R_n，编号n为与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的自然数顺序编号；

(5)计算新放置纤维外接圆球和与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的圆心距以及新放置纤维外接圆球和与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球的半径和L_n＝R₀+R_n；

(6)当存在d_n＜L_n时，判断编号n对应的与判断圆球交叉的其他纤维外接圆球为与新放置纤维外接圆球有交叉的交叉外接圆球。

4.根据权利要求3所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S3所述外接圆球反重叠处理的方法包括：

首先，形成新放置纤维外接圆球圆心指向交叉外接圆球圆心的向量组E；

之后，计算向量组E的和向量F₀，并计算得到和向量F₀的反向量F₁；

最后，将新放置纤维外接圆球圆心按照反向量F₁进行位移，完成所述外接圆球反重叠处理。

5.根据权利要求2所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S4所述纤维外接圆球回界处理的方法包括：

首先，做新放置纤维外接圆球圆心指向边界面的垂直向量A₀，并计算垂直向量A₀的反向量A₁；

之后，新放置纤维外接圆球圆心按照反向量A₁位移；

最后，重复进行步骤S3和步骤S4至新放置纤维外接圆球未超出边界且不与其他纤维外接圆球重叠。

6.根据权利要求5所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，当重复进行步骤S3和步骤S4的次数达到预设值后，仍然存在新放置纤维外接圆球超出边界或与其他纤维外接圆球重叠，则删除该新放置纤维外接圆球，重新进入步骤S2。

7.根据权利要求2所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S10进行颗粒重叠判断的方法包括：

首先，获取新放置颗粒的圆心位置为(X₁,Y₁,Z₁),半径为D₁；颗粒2的圆心位置为(X₂,Y₂,Z₂)，半径为D₂；...颗粒V的圆心位置为(X_v,Y_v,Z_v)，半径为D_v；所述V为新放置颗粒为中心，与新放置颗粒相邻颗粒的自然数顺序编号；

其次，以新放置颗粒为目标，分别计算新放置颗粒与周围颗粒2至颗粒V的距离为并得到P_min＝Min(P₂,P₃,P₄…P_v)；

之后，以新放置颗粒为目标，计算新放置颗粒与P_min对应的颗粒的半径之和Q_b＝D₁+D_b；其中b为P_min对应的颗粒编号；

最后，进行判断：如果P_min＜Q_b，则认为它们是重叠的；

此时，步骤S10所述反重叠处理的方法包括：

首先，以新放置颗粒的圆心位置(X₁,Y₁,Z₁)和颗粒b的圆心位置(X_b,Y_b,Z_b)之间做连线M；

其次，计算N_b＝(Q_b-P_min)；

最后，将新放置颗粒的圆心位置，沿连线M的延长线，向远离颗粒b的方向位移N_b，完成所述颗粒反重叠处理；

且每次完成颗粒反重叠处理后，以新的新放置颗粒的圆心位置，重复进行颗粒重叠判断和颗粒反重叠处理，至P_min≥Q_b。

8.根据权利要求2所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S10进行颗粒重叠判断的方法包括：

首先，获取模型空间内的新放置颗粒的圆心位置为(X₁,Y₁,Z₁),半径为D₁；颗粒2的圆心位置为(X₂,Y₂,Z₂)，半径为D₂；...颗粒V的圆心位置为(X_v,Y_v,Z_v)，半径为D_v；所述V为新放置颗粒为中心，与新放置颗粒相邻颗粒的自然数顺序编号；

其次，以新放置颗粒为目标，分别计算新放置颗粒与周围颗粒2至颗粒V的距离为

之后，以新放置颗粒为目标，计算新放置颗粒与颗粒V之间的颗粒的半径之和Q_v＝D₁+D_v；

最后，统计全部P_v＜Q_v的颗粒，得到颗粒组S；如颗粒组S中存在颗粒，则判断存在重叠颗粒；

此时，步骤S10所述反重叠处理的方法包括：

首先，形成新放置颗粒指向颗粒组S中全部颗粒圆心的向量组T；

之后，计算向量组T的和向量U₀，并计算得到和向量U0的反向量U₁；

最后，将新放置颗粒的圆心按照反向量U₁进行位移，完成所述反重叠处理；

且每次完成颗粒反重叠处理后，以新的新放置颗粒的圆心位置，重复进行颗粒重叠判断和颗粒反重叠处理，至颗粒组S中不存在颗粒。

9.根据权利要求2所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S11所述颗粒回界处理包括：

首先，判断新放置颗粒超出粉末生成空间的体积W₁与颗粒总体积W₀之间的比值C_w；

之后，判断：如C_w≥0.5，则删除该颗粒；如C_w＜0.5，则进行下述步骤；

I.做新放置颗粒圆心指向周围颗粒圆心的向量组B，并做向量组B的和向量G₀；

II.做和向量G₀指向粉末生成空间的垂直向量G₁，和垂直向量G₁的反向量G₂；

III.以新放置颗粒的圆心为起到，沿反向量G₂方向做圆心与颗粒边界面的连线H；

IV.以粉末生成空间为界线，将连线H分为粉末生成空间内的部分H₁和粉末生成空间外的部分H₂；

V.将新放置颗粒沿垂直向量G₁位移H₂，完成所述颗粒回界处理；

VI.完成颗粒回界处理后再次进行步骤S10所述颗粒重叠判断，如存在重叠颗粒则进行颗粒反重叠处理。

10.根据权利要求2所述纤维增强材料的3D打印数字模型构建方法，其特征在于，步骤S11所述颗粒回界处理的判断过程还包括：

1)记录新放置颗粒由不同模型边界切分的出界区域；

2)当出界区域的数量超过预设出界数量阈值时，删除该颗粒；所述预设出界数量阈值≥2。