[发明专利]一种三周期极小曲面等壁厚分层填充区域生成方法

说明书

本发明公开了一种三周期极小曲面等壁厚分层填充区域生成方法，包括：输入三周期极小曲面分层切片轮廓，切片厚度h，双侧偏置实体壁厚d；寻找对每个目标切片层有影响作用的影响层，计算其偏置距离；对每个目标切片层的切片轮廓双向偏置形成第一偏置封闭区域，对每个目标切片层对应的影响层的切片轮廓双向偏置形成第二偏置封闭区域；将影响层的第二偏置封闭区域投影到对应的目标切片层后，将投影后的第二偏置封闭区域与目标切片层的第一偏置封闭区域求并集，将该并集作为目标切片层的等壁厚分层填充区域；将所有切片层的等壁厚分层填充区域保存为CLI文件输出。该方法过程稳定可靠，避免了三维空间网格曲面偏置的缺点。

技术领域

本发明涉及三维打印计算机辅助制造领域，尤其是涉及一种三周期极小曲面等壁厚分层填充区域生成方法。

背景技术

三维打印是一种融合先进材料、计算机辅助设计、数控技术于一体的智能制造技术。利用计算机辅助设计的任意形状三维零件，均可用分层、增材的原理制造成型。相比于传统机床切削制造，三维打印技术灵活可靠，可以在快速制造复杂结构零件的同时大大降低产品开发成本。依据材料或成型原理的不同，三维打印有很多细分的技术工艺，但工艺流程基本都包括三维模型切片、分层填充区域生成和填充线生成三个步骤。作为工艺流程的中间环节，精确的分层填充区域生成对最终的制造精度具有直接的影响。

三周期极小曲面是一种在欧式空间无限延展的周期性复杂拓扑结构，拥有统一的数学表达式，表面任意一点平均曲率为零。其复杂的孔洞结构在工程领域有广泛的应用，作为一种性质优越的多孔结构，可以在吸声、隔震、轻量化、组织工程支架等领域应用。三维打印技术是制造三周期极小曲面结构的理想手段，但三周期极小曲面是厚度为零的曲面，为了生成可以三维打印的分层填充区域，一般需要将曲面进行偏置成实体。

Melchels等人通过软件K3DSurf生成三周期极小曲面网格模型，再利用软件将曲面直接偏置成实体，利用三维打印工艺制造成型，最终结构作为组织工程支架应用(参见Melchels F P W,Bertoldi K,GabbrielliR,et al.Mathematically defined tissueengineering scaffold architectures prepared bystereolithography[J].Biomaterials,2010,31(27):6909-6916)；李大伟等人利用泊松重建偏置点方法来偏置三周期极小曲面模型，得到的实体模型作为零件三维打印轻量化填充结构(参见：李大伟,戴宁,姜晓通,等.密度感知的3D打印内部支撑结构轻量化建模[J].计算机辅助设计与图形学学报,2016(05):841-848)；Yoo提出一种针对网格模型的距离场偏置方法，实现对三周期极小曲面的偏置加厚(参加Yoo D J.Computer-aided porous scaffold design for tissueengineering using triply periodic minimal surfaces[J].International Journalof Precision Engineering and Manufacturing,2011,12(1):61-71)。

根据文献分析可知，当前为了实现三周期极小曲面三维打印制造，均需要将曲面模型进行偏置加厚以生成合理的分层填充区域，大多数方法是在三维空间直接对网格模型进行等壁厚偏置，处理过程复杂耗时，经常出现网格自交等缺陷，不适合三周期极小曲面这类复杂结构分层填充区域的生成。此外，未发现任何关于三周期极小曲面等壁厚分层填充区域生成方法的文献。

发明内容

为了解决现有三周期极小曲面分层填充区域生成过程复杂、缺陷多的问题，本发明提供了一种三周期极小曲面等壁厚分层填充区域生成方法。直接在二维空间对三周期极小曲面切片轮廓进行等壁厚双向偏置，通过对封闭轮廓、开放轮廓的不同处理，生成用于三维打印等壁厚实体的分层填充区域。该方法稳定可靠，可以高效准确地生成三周期极小曲面等壁厚分层填充区域。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：