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1、增材制造技术增材制造技术增材制造技术增材制造技术 第第6 6章章 增材制造的主要研究方向增材制造的主要研究方向u增材制造的几何设计u材料设计u计算工具u制造工艺v本章重点本章重点本章重难点本章重难点v本章本章难点点u增材制造的几何设计u材料设计12材料设计材料设计计算工具计算工具增材制造的几何设计增材制造的几何设计34制造工艺制造工艺 对于3D模型的表示方法一直是增材制造的重要研究方向之一，由于现阶段的表示方法存在失真的缺陷，研究更为准确及结构简单的表示模型一直是近年来的热门研究方向。 基于边界表示（B-rep）的实体建模 对于基于B-rep实体建模的AM技术，一个突出挑战是数值稳定性的问题，
2、具体来说，就是如何以可靠的方式使用近似算法来计算模型（或模型和切片平面）之间的交集。目前，主流AM产品采用STL文件格式来表示模型，但是这种方式可能在计算过程中产生数值误差。 基于体素表示的实体建模 实体模型的最基本的体积表示法是基于体素表示。体素表示可以直接从CT或MRI的体积图像中获得，因此在医疗领域这种方法有十分广泛的应用。但是，基于体素表示仍有缺陷，一个主要问题是其巨大的存储消耗，因此一些研究方法只能够在本地计算中进行。v6.1.1 3D模型的多重表示模型的多重表示6.16.1 增材制造的几何设计增材制造的几何设计6.16.1 增材制造的几何设计增材制造的几何设计v 现阶段较好的替代方
3、法是使用具有更好记忆效率的ray-rep参与体素表示。ray-rep中的实体模型由指定方向上的一组平行固体表示，它仅允许存储进出点，因此可以有效节省记忆空间。v 最新的研究如图6-1所示，用ray-rep的变体来表示AM模型，称为分层深度-正常图像（LDNI），具有复杂结构的模型可以通过基于LDNI的实体建模内核有效处理，在高并行GPU上进行计算。图6-1 基于基于LDNI的的实体建模体建模v 这种表示方法能运用于高并行计算机，并且能以离散的方式支持多种材料。此外，LDNI可以紧凑存储，因此可以在消费级GPU上处理具有复杂结构的模型。还有其他方法也可以实现连续异构对象的表示。但是，自适应采样策
4、略需要克服由大曲率区域的大形状近似误差引起的混叠问题。增材制造的输入3D模型通常是由多边形网格表示，如STL和OBJ文件格式。这些多边形模型致密且多样。但是，三角形表面会有三角形退化，自相交，间隙和裂纹等问题。由于AM中的层间打印过程，自相交和裂纹通常会使切片算法不稳定甚至不能制造。使用CAD软件的用户在早期设计阶段难以预防和解决上述问题，因此，在打印之前将几何正则化过程应用于3D多边形模型就变得至关重要。有研究工作组提出了一种采用分层深度正常图像（LDNI）表示的几何正则化方法。基于LDNI表示，3D模型可以稳定有效地进行修复。6.16.1 增材制造的几何设计增材制造的几何设计6.16.1
5、增材制造的几何设计增材制造的几何设计v6.1.2 AM制造的几何加工制造的几何加工AM的几何加工包括中空、增厚、切片和支撑生成。u中空和增厚为了节省制作时间和减少重量，3D模型在切片前通常是空心的。最新研究表明使用dexels作为中空表示法可以提高偏移计算的效率和稳定性。为进一步提高计算的稳定性，可以采用基于LDNI的表示法，用带符号距离和CSRBFs来计算无交叉偏移。由于打印件内部空心，在某些部分可能导致强度不足，因此还需要增厚操作，将开放式表面模型转换为具有用户指定的厚度的壳模型。u切片给定一个准备AM的模型，一个重要的预处理是将模型转换成用于指导AM机器运行的数据。常用的方法是将模型分成
6、一组平行的平面形状，这个过程称为分层切片。在这个过程中计算机用相应的方法制定复杂的自适应切片策略，根据曲率变化生成不同厚度的层。但是这一过程可能导致由自相交轮廓引起的内外区域错误分类。最新研究提出了一种在图像空间中使用可靠轮廓的一种特别的方法来制造具有复杂结构的对象。u支撑生成支撑结构通常在打印过程中产生，以支撑突出部分和大的平坦壁，保持部件的稳定性，并防止过度收缩。不同的AM工艺过程以不同的方式产生支撑。6.16.1 增材制造的几何设计增材制造的几何设计FDM工艺中，主要通过计算相邻层之间的面积差异来产生支撑。（a）支持FDM（b）支持SLASLA工艺通过识别突出区域并将锚点与杆连接来添加支
7、撑结构。FDM和SLA工艺可通过在图像空间中生成支撑的方法，如图6-2所示。基于GPU的执行操作也与LDNI表示法一起开发。图6-2 图像空间中的支撑生成6.16.1 增材制造的几何设计增材制造的几何设计v6.1.3验证、修复和增、修复和增强强由于现有的建模、切片方法极易产生缺陷，市面上较好商用3D打印机都配备有专门修复模块。针对在转换过程中的失真及缺陷，研究如何验证，修复和增强模型已经成为了一大研究方向。v6.1.4 AM的高性能的高性能计算（算（HPC）复杂的几何体的打印对计算机的处理能力提出非常高的要求。在复杂几何体的构建过程中，为了减小误差，需要的多边形数量将十分庞大，为了处理这些数量
8、庞大的多边形，以及能够在复杂结构中合理切片，计算机必须具备强大的计算处理能力，这将直接关系到制造能否进行。提升复杂几何形状的建模效率的研究工作已经大量进行。引入了HPC技术，包括PC集群、多核、CPU和GPU，以加速实体建模，切片和支撑件生成。在当前的研究中，PC集群，多核CPU和高并行GPU集成加速，基于GPU的硬件加速以及在基于体素表示、三角形网格表示和GPU的多个核心偏移等方法都具有十分广泛的研究前景。6.16.1 增材制造的几何设计增材制造的几何设计v6.1.5 特效特效优化化 有些研究是专门用于通过输入模型的几何优化来产生制造产品的特殊效果。 如，为了打印大型模型，在系统中引入了一种
9、分割方法，将3D模型分解成可打印部分，然后组装得到最终结构。有些作品着重于创建具有特定动态属性的模型。如国外的研究者提出了一种用初始输入变形来生成可以独立存在的模型方法等。6.26.2材料设计材料设计3D打印技术的发展为材料方向的研究提供了一个更为广阔的平台。在这一领域材料的种类得到极大的扩充，从传统的工业用料到建筑、医学领域再到生活中的各种食品用品，不同领域的不同材料能够得到充分地挖掘。在材料的性能方面，3D打印能够结合打印目标的几何形状、层次和尺寸大小对不同特征进行协同分析，这种功能需要与计算建模、纳米和微观力学以及最先进的原位显微镜机械实验相结合。这种组合计算、原型以及实验方法可以为许多
10、机制概念证明打下基础。材料的性能最终影响着产品的各项性能，而且这种影响是具有决定性的。因此，对于增材技术领域来说，研究材料、设计材料是一个重要的研究方向。6.26.2材料设计材料设计v6.2.1 具有受控具有受控结构的合成异构的合成异质材料材料通过层与层建立物理模型，不同的AM工艺可以用低成本构建复杂的几何体，这对于复杂结构设计来说将是个巨大的机会。它可以涉及的领域十分广泛，包括生物工程、航空航天和汽车等。性能设计对应单个元件的几何构造，例如支柱和梁的对应关系。因此，若是材料可以受人为控制得到不同的结构，那么就可以直接实现理想的构建所需的功能。这将省去一些繁琐的结构设计过程，对于拓展材料性能，
11、实现结构件新功能具有突破性的意义。但是，依据给定的设计要求，设计具有优化性能的复杂结构的工作仍有很大的挑战性。当前，AM过程的结构设计方法通常可分为自下而上或自上而下。6.26.2材料设计材料设计自下而上的方法：使用设计的单位结构 单一桁架是一种简单类型的结构，它在每个方向上都有均匀重复的单位元件（微结构）。使用周期性三角函数来模拟晶格结构。从均匀的桁架延伸，可以通过改变在给定模型的单个单元中的微结构的形状、尺寸和连接方式来比较容易地产生异质结构（例如，使用体素集作为细胞支架）。然后，可以在每个单位单元格中填充来自单位单元结构库的设计几何要素来完成最终设计。分子测试公司在20世纪90年代开始使
12、用AM方法开创周期性纤维素结构的制造。自上而下的方法：基于拓扑优化拓扑优化是一种结构优化，它首先确定结构体的整体形状、形状元素的布置以及设计领域的连接方式。AM工艺拥有的复杂形状制造能力为拓扑优化提供了大量的产品设计试验平台。拓扑优化结构运算包含两大类：离散化和连续体结构的拓扑优化。其中，为桁架拓扑设计开发的分立结构优化方法属于地面结构方法，而数值计算理论以及基于地面结构方法的线性或非线性规划技术主要是建立在最小化柔度或最大化刚度的基础上。6.26.2材料设计材料设计v6.2.2 组合材料的合材料的设计 几何建模处理在3D空间中表示对象，材料建模给出对象内部每个部分的材料信息。当前的研究致力于
13、用多种材料建模和编辑定制功能设计方法直接计算结构件中的材料分布。（1）多种材料建模与编辑材料异质性（如多材料、合成功能梯度材料（FGM）或甚至不规则材料）分布可以表示材料集或材料空间。模型的数据表示以及材料的分布方法将异构对象的表示分为三个类别：（1）评估模型（2）未评估模型（3）复合模型。其中，评估模型通过密集的空间细分呈现异构物体，典型模型是体素模型和体积网格模型。体素模型适用于通过CT或MRI扫描收集的医学数据。体积网格模型使用多面体的集合来表示3D模型。未评估模型需要使用严格的数学表达式，如分析功能表征，它是基于单一特征的模型和多种特征模型综合表示异质材料分布，因此这种方法是在数学上十
14、分常见。6.26.2材料设计材料设计（2）定制功能设计当前的工业设计通常将单一制成的并满足预定功能的部件作为设计依据，AM的出现提供了异构和多功能设计的新颖方式。许多AM的设计实例在物质生态学的特殊问题上得到运用。有研究人员通过引入了一种计算方法来协调功能与灵活性；还有人开发了一种体素方法，用于数字制造定制的拟合插座。各种具有机械、电学、光学性质的异质物体也可以使用多材料3D打印机制造。设计人员希望直接指定设计组件的功能，而不是仅仅从表面上指定材料组成的对象来间接实现所需要的功能。 除了结构性能外，还可以用多种材料的增材制造工艺来设计外观性能。在进一步的深入研究中，研究者们需要针对特定的增材制
15、造过程创新开发，有利于在大型设计空间的探索。如图6-3所示，受控鞋接触压力图，顶排为材料分布的体积渲染；底部为接触压力；左列是下面获得的输入均质材料分布；第二、第三和第四列给出了目标恒压分布下的结果。6.26.2材料设计材料设计图6-3 受控鞋接触压力图v6.2.3高性能高性能结构材料构材料设计6.26.2材料设计材料设计合成功能梯度材料（FGM）在AM的诸多研究当中有着广泛的研究前景。FGM通过逐渐改变微观结构的组成，得到性能最优的制件。FGM可以根据设计需要进行局部特性的设计，从而定制同一部件内的机械、热学以及电学特性。FGM材料的设计方式有离散或连续变化两种方式。对于前者，当构建零件时，
16、每个层铺设不同的材料，使得生成件的性质逐级改变。对于后者，由于不同材料之间的变化被划分得更加精细，生成件的性质将呈现一种连续变化的趋势。图6-4显示了由AM构建的功能梯度金属矩阵复合体的示例，原始功能梯度TiC/IN690显微照片，底部二进制图像从0转换到37体积比。AM的这种材料设计能力将大大改变工程产品的未来设计，结构件的形状将不再受所使用材料的性质的限制，因此设计师将具有更多的设计空间。 AM在材料设计方面的另一个研究方向就是合成高性能材料。市场对具有高强度和耐久性的先进高性能结构材料有强烈需求，希望得到轻质、低成本、性能新颖的组合材料。通常，工程产品中的高性能材料的使用受到其复杂3D形状的限制。通过机械加工或其他工艺对这些高性能材料进行后处理，由于难度很大且价格昂贵，并且有时无法实现。AM是在工程产品中实现这种材料设计的有效途径。波士顿创业公司Mark Forged15发布了第一款能够用碳纤维打印的3D打印机，其具有比6061-T6铝更高的强度重量比。中国的Avic重型机械制造出AM型钛合金飞机主要承重部件，这种部件大多用于隐形战机。6.26.2材料设计材料设计在工业领域，某航
