[发明专利]一种基于欧拉图的激光直写加工多胞结构的路径优化方法

说明书

本发明公开了一种基于欧拉图的激光直写加工多胞结构的路径优化方法，选择目标多胞结构的最小重复组织作为结构单元；结构单元自重复组装构成目标无向图，目标无向图包含所有直写加工路径；计算目标无向图中各顶点度数，统计目标无向图中为奇点的顶点个数；根据统计奇点数选择起点；根据目标无向图和起点生成欧拉回路；根据统计奇点数，生成欧拉最优路径；将欧拉最优路径构造为激光直写加工路径。本发明基于欧拉回路，通过直写加工方式制造目标多胞结构，可以显著提高使用激光直写方式加工晶体结构材料的打印速度和打印质量。

技术领域

本发明涉及激光直写加工方法，特别是涉及一种基于欧拉图的直写加工多胞结构的优化方法。

背景技术

多胞结构由胞元结构周期性自重复构成，一般孔隙率大于0.7，相对密度小于0.3，具有相对密度低、冲击能量吸收能力强、绝热性能好等优点。通过改变胞元结构的构型，还可以赋予其热学、声学、光学等方面的特殊性质。由于多胞结构的优良性能，人造多胞结构一直是材料研究的热点，科学家寄望于利用多胞结构改良现有材料的性能，制造出具有轻量化、高强度、高刚度等特性的机械超材料，应用于在航空航天、交通运输、生物医学等领域。

近几年来，以双光子聚合3D打印技术为代表的激光直写技术在多胞结构制造领域取得了重大突破。美国加州理工大学Julia R.Greer使用德国NanoScribe公司的PhotonicProfessional GT微纳尺度3D打印机制造了基于Octahedron，Kagome和Octet胞元结构的轻质材料，这类材料的相对密度可以低至0.031，拉伸强度却能高达1.75GPa。

现有的加工多胞结构流程为：首先使用三维建模软件设计物体的三维模型并导出为STL格式存储，将STL文件输入到激光直写打印机使其开始分层制造，最后对制造出的聚合物进行金属镀膜、解离等加工成为中空晶体结构，进一步降低相对相对密度。通过分层制造加工多胞结构会由于毛细力的作用和Z方向移动的累积误差造成支撑杆稳定性低，引起结构塌缩；同时，加工层厚限制多胞结构单元向更小体积发展，并且点堆积打印方式造成时间成本的大幅增长。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于欧拉图的激光直写加工多胞结构的路径优化方法，是一种能够充分发挥直写技术优势、提高多胞结构的加工精度和效率的直写路径优化方法。

技术方案：本发明提供的一种基于欧拉图的激光直写加工多胞结构的路径优化方法，其包括以下步骤：

(1)选择目标多胞结构的最小重复组织作为结构单元；

(2)结构单元自重复组装构成目标无向图，目标无向图包含所有直写加工路径；

(3)计算目标无向图中各顶点度数，统计目标无向图中为奇点的顶点个数；

(4)根据统计奇点数，选择起点；

(5)根据目标无向图和起点生成欧拉回路；

(6)根据统计奇点数，生成欧拉最优路径；

(7)根据相应规则将欧拉最优路径构造为直写加工路径，再通过直写加工方式制造目标多胞结构。

其中，奇点属于无向图顶点，并且与该点构成无向图边的顶点的个数为奇数；断点指的是：由该点及步骤(5)生成的欧拉回路中该点的下一顶点组成的路径不被直写技术打印。

其中，步骤(1)中，多胞结构的结构单元的选择应满足以下条件：

(a)通过组装能完全形成目标多胞结构的几何特征；

(b)若结构的几何构型复杂，可以选择多个结构单元组合，但应在满足(a)的条件下选择数量最少，构型最简单的结构单元组。