浅析Voronoi方法在3D打印中的应用

发表时间:2019/6/10   来源:《科技研究》2019年3期   作者:韩坤 毛涵虓 张俊 王鹏
[导读] 在实际3D打印发展过程中有许多需要我们去改进的,技术原理的改进会使得3D打印模型又快又好。

(南京工程学院,艺术与设计学院  江苏南京  211167)
        摘要:3D打印技术逐步走入我们日常生活,市场对于3D打印机的要求及需求愈来愈高,但是成本高还是3D打印进一步普遍推广的绊脚石。3D打印中的支撑结构是必需的,而一般切片软件添加支撑都是很规整的,支撑方法比较单一,不仅会浪费很多打印耗材还会增加很多打印时间,从而严重降低了打印效率。将Voronoi方法应用到支撑结构中,改进支撑的方法,在切片时每一层填充生成Voronoi形状,打印出的模型又轻又坚固,并且可以节约耗材,降低成本。
        关键词:3D打印;泰森多边形;Voronoi方法
       
       
        引言
        3D打印技术逐步走入我们日常生活,市场对于3D打印机的要求及需求愈来愈高。三维打印机的应用领域也在随着技术进步而不断扩展。美国科学家已经研发出了能打印皮肤、软骨、骨头和身体其他器官的三维“生物打印机”。人们还使用三维打印机来制造雕塑并修复雕塑,制造由塑料和聚合物制成的三维物体并打印出了实品。在实际3D打印发展过程中有许多需要我们去改进的,技术原理的改进会使得3D打印模型又快又好。
        1、3D打印基本原理
        3D打印技术,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合的材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机则出现在上世纪90年代中期,即一种利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印机的工作原理基本相同,打印机内装有液体或粉末等“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的模型蓝图变成实物。挤出式3D打印机的核心构成有:带喷头的挤出结构,生成三维模型打印路径的切片软件,打印支撑平台至少有3个自由维度的机械结构。
        在挤出式3D打印模型时,打印的每一层包括外围的轮廓和里面的填充,为了打印出模型的外形,所以轮廓必须有的,而填充是属于模型内部的。对于模型来说,其内部的填充越少节约的材料越多,也不能过少以至于在模型封顶时出现坍塌或者变形,所以模型内部填充的形状显得极为关键。在挤出式的3D打印应用中,一般常用填充的形状是网格状,就是矩阵排列的一个个方格子,打印时只需让打印喷头正45度方向和负45度方向移动即可打印出网格状的填充。这种填充打印模型相比其他填充的形状要快一点,但是其消耗的材料相对较多,所以节省打印材料的填充形状具有很高的研究性,即研究轻量化的模型越来越重要。
        2、Voronoi方法原理介绍
        在3D打印的流程中,其中切片软件中的支撑结构也很重要。在以FDM为代表的3D打印技术中,实际出料都要考虑支撑结构所需耗材,构建一定的间隙结构也有助于支撑最终成品,使打印可以成功。


但是这部分的支撑材料在最终成品完成后,就会失去作用,优化这部分支撑结构的所需耗材可大大降低成本。将Voronoi方法应用支撑结构中,改进支撑方法,在切片时每一层填充生成Voronoi形状,打印出的模型又轻又坚固。
        Voronoi图,又叫泰森多边形或Dirichlet图,它是由一组由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。N个在平面上有区别的点,按照最邻近原则划分平面;每个点与它的最近邻区域相关联。给模型一定的外力进行有限元受力分析,就可以得到模型外表面和内部采样点的应力场,再对采样点进行竖直方向的优化,在竖直方向按一定的层高进行分层,利用采样点计算出每一层的Voronoi图并划分每个多边形的空间,这样切片打印出来的模型更具有轻量化了。
        3、Voronoi方法在3D打印中的应用前景
        随着3D打印技能的愈发完善、本钱的下降,可以被打印的物品也随之增多。但是一台3D打印机本身空间的有限限制了打印物体的最大尺寸,所以,对打印一些大体积的物体而言,仍然困难重重。如果你想要将超过尺寸的东西三维打印的话,可行的方法是先打印一个个分割下来的小物件,然后再组装成完整体。但一个大尺寸大物体如何分割成许多小物体,它的分割的方式和数量有着很多不同的方案,因此有一些约束条件:1.大小合适:分割后的尺寸可打印;2.可组装性:各个部分可无障碍地组装成一个整体;3.有效性:分割数量越少越好;4.连接:各部分应连接到接口,方便组装;5.结构的合理性:组件的分割应避免细杆型的形成,弱条式,且应远离高应力区;6.美观:相接处应避免过大与显眼,尽可能保证整齐对称。由于上述的限制,可以将三维模型转化为一个由少量的多边形网格组成,然后分解成平面网格,并生成一个个平面片之间的连接头,用于组装各种平面。
        在3D打印对模型进行切片处理时,除了表面无悬伸突出结构的简单模型是不需要添加支撑打印的,稍有孔或沉槽的模型就要添加支撑,而一般切片软件添加支撑都是很规整的,都是一根根支柱从底下竖直地支撑到需要支撑的面上,这种支撑方法比较单一,不仅会浪费很多打印耗材还会增加很多打印时间,从而严重降低了打印效率。
        因此,Voronoi图结构同样可以用于3D打印模型的蜂窝网格化和3D打印模型解决重心问题的支撑结构设计,以及3D打印中必须的支撑部分的形状和结构,从而减少模型的耗材和重量,调整模型重心,并减轻3D打印中要浪费掉的支撑结构材料重量,从而降低3D打印的成本消耗,同时也可以简化结构模型,缩短打印时间。
        4、结语
        总之,3D打印技术改变了传统的减式材料制造模式,带来了制造工艺和生产模式的变革,有利推动了3D数字化相关技术与研究发展。为解决制约3D打印技术普及的关键问题,我们从3D打印模型的设计上想办法,通过对Voronoi蜂窝网格结构设计方法的研究,在3D打印技术原理的基础上,将Voronoi方法应用于3D打印模型的建模,通过对模型和支撑结构的优化设计,推动3D打印技术的广泛应用。
        参考文献:
        [1]李锋,潘亚嘉,曾善文.挤出式3D打印支撑结构研究[J].制造技术与机床,2017(6)
        [2]刘金义,刘爽.Voronoi图应用综述[J].工程图学学报,2004(02):131-138.
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        [4]司良英,邓关宇,吕程.基于Voronoi图的晶体塑性有限元多晶几何建模[J].材料与冶金学报,2009(03):35-39+58.
        [5]陈继民,王文椿,姜缪文.柱坐标式FDM 3D打印机的研制[J].北京工业大学学报,2017(06):12-16.

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