[发明专利]一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法和装置

说明书

本发明公开了一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法和装置，所述方法包括：对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。采用本发明的方法优化模型的结构，只需打印模型的外壳和内部管道，可以达到节约打印材料，节省打印时间的效果。

技术领域

本发明涉及面向3D打印的物体内部结构优化领域，具体涉及一种基于TPMS的模型结构优化方法和装置。

背景技术

3D打印是一种可以将存储于计算机中的三维数字模型转化为实际物体的新型制造技术，近年来，3D打印技术受到工业和学术界的广泛关注。在3D打印过程中，可以对物体设计不同的内部填充结构，如采用不同形状单元进行的规则填充、不规则填充等。内部结构的设计与选择应考虑打印对象的强度要求，应在保证模型强度的前提下消耗尽量少的打印材料与打印时间。目前已经有很多不同的填充方法以及支撑结构来实现满足强度以及轻量化要求的制造。Stava等人在2012年提出了一种对物体内部进行结构优化从而提高物体的强度以及减少打印材料的方法。在该方法中，作者定义了一个迭代优化过程，该过程应用支撑支柱，加厚以及挖空以实现增强物体的结构强度并节省材料的目的。但该方法会改变物体的外形，对物体的外观产生影响。Wang等人在2013年提出了一种用蒙皮框架结构来替代内部材料的方法。该方法可以显著节省打印材料，但无法在保证受力的前提下达到最少的填充材料。Lu等人在2014年提出了一种基于蜂窝结构的内部结构优化方法。该方法通过对模型进行受力分析得到模型的应力分布，根据应力分布在模型的内部生成一种类似蜂窝状的内部结构，从而实现满足强度约束条件下，节约打印材料的目的。但该方法的问题在于内部孔洞之间相互是不连通的，这在一些3D打印工艺下无法去除孔洞内的材料。

因此，急需一种易于实施的能够在保证受力的前提下达到最少的填充材料的模型优化方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法和装置。该方法基于三周期极小曲面TPMS和有限元分析FEM，通过FEM计算三维模型在外力作用下的应力分布，通过TPMS结合应力分布在三维模型的内部产生一种全连通的管道结构。将内部具有管道结构的数字模型通过3D打印的方式进行加工，在管道内部注入另外一种固化后强度更高的液态材料，可以实现提高3D打印结构强度的目的。同时由于TPMS是一种准免支撑的曲面，本方法生成的管道结构可以实现在3D打印过程中的免支撑。此外本方法只需要打印模型的外壳和内部管道，可以达到节约打印材料，节省打印时间的效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向3D打印的基于TPMS的模型结构优化方法，包括以下步骤：

对给定模型进行有限元分析，获得所述模型的应力分布；

根据给定模型的几何形状和应力分布定义自适应TPMS周期函数；

初始化管道宽度，根据TPMS周期函数和所述管道宽度生成内部管道；

重新计算所述模型的应力分布，判断是否满足受力要求，如果满足，则在模型表面生成入口点，作为向管道注入材料的入口；否则，根据新的应力分布对TPMS周期函数和管道宽度进行优化，根据优化后的TPMS周期函数和管道宽度生成内部管道，重复执行该步骤，直至模型的应力分布满足受力要求。

进一步地，所述受力要求为：模型的最大应力不大于材料的屈服强度。

进一步地，所述自适应TPMS周期函数P(x)的计算方法包括：