本發(fā)明涉及3d打印，尤其是涉及一種基于彈性網(wǎng)殼基底的曲面層fdm打印方法。

背景技術(shù)：

1、曲面薄殼是一種受力性能良好的空間結(jié)構(gòu)形式，具備輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)還可以表現(xiàn)出獨(dú)特的美學(xué)效果，目前被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、藝術(shù)裝置和建筑結(jié)構(gòu)之中。

2、fdm打印(fused?deposition?modeling)技術(shù)是3d打印中最常見和廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)。它基于熱塑性材料的熔融堆積原理，通過將材料按照預(yù)定路徑進(jìn)行控制層疊堆積，最終形成3d打印的物體。相較于傳統(tǒng)的平面層fdm打印，曲面層fdm打印技術(shù)可以提高薄殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和表面打印質(zhì)量。

3、現(xiàn)有技術(shù)中，曲面層薄殼構(gòu)件打印工藝大多使用實(shí)心基底結(jié)構(gòu)作為支撐，復(fù)雜的幾何造型導(dǎo)致基底加工難度大、對(duì)設(shè)備或工人要求高，此外基底結(jié)構(gòu)往往耗材較大，造成高昂的生產(chǎn)成本。

4、因此，需要開發(fā)一種新型的基底結(jié)構(gòu)用于薄殼構(gòu)件的曲面層fdm打印，來降低制作難度及經(jīng)濟(jì)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于彈性網(wǎng)殼基底的曲面層fdm打印方法，可以快速建造具有復(fù)雜幾何的曲面薄殼構(gòu)件，使用彈性網(wǎng)殼作為曲面層fdm打印的基底可有效降低支撐結(jié)構(gòu)的制作難度、生產(chǎn)時(shí)間以及經(jīng)濟(jì)成本。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于彈性網(wǎng)殼基底的曲面層fdm打印方法，包括以下步驟：

3、s1、彈性網(wǎng)殼基底設(shè)計(jì)與制作，得到用于支撐曲面層fdm打印的彈性網(wǎng)殼基底；

4、s2、彈性網(wǎng)殼基底表面重構(gòu)，填補(bǔ)表面孔洞縫隙，得到用于生成曲面層fdm首層打印路徑的完整表面；

5、s3、曲面層fdm打印代碼編程與執(zhí)行，得到打印程序腳本文件并通過機(jī)械臂執(zhí)行曲面層fdm打印。

6、優(yōu)選的，步驟s1中，根據(jù)目標(biāo)曲面薄殼構(gòu)件設(shè)計(jì)并制作所述彈性網(wǎng)殼基底，具體包括以下步驟：

7、s11、根據(jù)目標(biāo)曲面薄殼構(gòu)件的三維建模軟件模型，生成彈性網(wǎng)殼基底的網(wǎng)殼條帶的布置方案和幾何尺寸信息，得到彈性網(wǎng)殼基底設(shè)計(jì)模型；

8、s12、根據(jù)長直板條的構(gòu)件材料信息、幾何尺寸信和邊界條件信息，通過有限元法對(duì)彈性網(wǎng)殼基底進(jìn)行力學(xué)找形分析，模擬其真實(shí)狀態(tài)下的幾何形態(tài)，并對(duì)上述步驟s11得到彈性網(wǎng)殼基底設(shè)計(jì)模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化；

9、s13、根據(jù)上述步驟s12得到的彈性網(wǎng)殼基底設(shè)計(jì)模型，加工長直板條并拼裝得到彈性網(wǎng)殼基底。

10、優(yōu)選的，步驟s11具體為：

11、s111、獲取基底曲面：

12、使用三維建模軟件設(shè)計(jì)曲面薄殼構(gòu)件并建模，提取其下表面作為彈性網(wǎng)殼基底的目標(biāo)表面，標(biāo)記為基底曲面；

13、s112、生成網(wǎng)格圖案：

14、使用參數(shù)化建模軟件在基底曲面布設(shè)控制點(diǎn)，連接相應(yīng)的控制點(diǎn)在曲面上生成網(wǎng)格圖案；

15、s113、建立三維模型：

16、根據(jù)上述步驟s112生成的網(wǎng)格圖案生成彈性網(wǎng)殼基底三維模型，用于有限元分析建模及網(wǎng)殼條帶拼裝；

17、所述彈性網(wǎng)殼基底三維模型具體為每根網(wǎng)殼條帶的板條幾何尺寸，包括輪廓尺寸與開孔尺寸。

18、優(yōu)選的，步驟s12具體為：

19、s121、基于有限元法的力學(xué)找形：

20、根據(jù)板條的抗彎材性數(shù)據(jù)與步驟s113中得到的板條幾何尺寸，通過構(gòu)件裝配、設(shè)置邊界條件、定義接觸類型和劃分網(wǎng)格單元，建立有限元分析模型，模擬板條在力作用下的幾何形態(tài)；

21、s122、板條幾何尺寸誤差對(duì)比：

22、將力學(xué)找形得到的彈性網(wǎng)殼基底三維幾何模型與步驟s113中的三維模型進(jìn)行幾何尺寸誤差對(duì)比，若尺寸差異大于加工精度需求，則返回步驟s112重新調(diào)整網(wǎng)格圖案布局，若誤差滿足需求則進(jìn)行步驟s13。

23、優(yōu)選的，步驟s13具體為：

24、s131、板條加工：

25、根據(jù)板條幾何尺寸加工具有彈性的長直板條并進(jìn)行編號(hào)；

26、s132、彈性網(wǎng)殼基底拼裝：

27、根據(jù)彈性網(wǎng)殼基底三維模型、按照步驟s131中的編號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼裝，制作用于支撐曲面層fdm打印的彈性網(wǎng)殼基底。

28、優(yōu)選的，步驟s2中，生成曲面層fdm首層打印路徑的完整表面，具體包括以下步驟：

29、s21、通過點(diǎn)云掃描技術(shù)獲得彈性網(wǎng)殼基底實(shí)物的三維點(diǎn)云模型，具體包括：

30、s211、基底結(jié)構(gòu)點(diǎn)云掃描：

31、使用手持三維點(diǎn)云掃描儀，獲取步驟s132中彈性網(wǎng)殼基底的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

32、s212、點(diǎn)云數(shù)據(jù)清洗：

33、通過后處理軟件清洗步驟s211中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，剔除與步驟s132中彈性網(wǎng)殼基底無關(guān)的多余數(shù)據(jù)；

34、s213、網(wǎng)格面片修復(fù)：

35、通過后處理軟件對(duì)步驟s212中彈性網(wǎng)殼基底的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格面片進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化，消除孤立面片、自交點(diǎn)和褶皺問題；

36、s22、彈性網(wǎng)殼基底是由板條編織而成的非完整表面，存在大量孔洞和空隙，需重對(duì)其表面進(jìn)行重構(gòu)以獲得連續(xù)完整的基底重構(gòu)表面，具體包括：

37、s221、基底曲面重構(gòu)：

38、參照步驟s111中基底曲面的三維軟件建模的模型，填補(bǔ)步驟s213中彈性網(wǎng)殼基底模型的孔洞區(qū)域，生成完整的表面，重構(gòu)的表面需保留s213中彈性網(wǎng)殼基底的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何特征，以保證后續(xù)曲面層fdm首層打印路徑與實(shí)際基底表面貼合。

39、優(yōu)選的，步驟s3中，對(duì)曲面層fdm打印代碼進(jìn)行編程與執(zhí)行，具體包括以下步驟：

40、s31、重構(gòu)曲面薄殼構(gòu)件模型，并與實(shí)際物理空間坐標(biāo)對(duì)齊；

41、s32、對(duì)薄殼構(gòu)件進(jìn)行曲面層切片并生成各層的打印路徑；

42、s33、對(duì)機(jī)械臂工作參數(shù)進(jìn)行編程并執(zhí)行曲面層fdm打印任務(wù)。

43、優(yōu)選的，步驟s31具體包括：

44、s311、薄殼構(gòu)件模型重構(gòu)：

45、使用步驟s221中重構(gòu)的完整基底曲面模型替換步驟s111中薄殼構(gòu)件基底曲面模型，得到用于打印切片的薄殼構(gòu)件模型；

46、s312、坐標(biāo)系對(duì)齊：

47、測(cè)量并建立機(jī)械臂打印系統(tǒng)物理空間的基坐標(biāo)，將步驟s311中重構(gòu)的薄殼構(gòu)件模型置入基坐標(biāo)系統(tǒng)并與網(wǎng)殼基底實(shí)物對(duì)齊。

48、優(yōu)選的，步驟s32具體包括：

49、s321、曲面層切片：

50、在參數(shù)化建模軟件中輸入步驟s311中重構(gòu)的薄殼構(gòu)件模型，根據(jù)預(yù)設(shè)打印層高，沿構(gòu)件厚度方向生成曲面切片層；

51、s322、按照步驟s112生成的網(wǎng)格圖案將首層切片表面劃分為若干格子單元；

52、s323、依次在步驟s322中劃分的格子單元內(nèi)生成由四周向中心行進(jìn)的等間距螺旋線形打印路徑，完成首層打印路徑規(guī)劃；

53、s324、生成非首層打印路徑：

54、非首層切片層不存在懸挑打印，采用覆蓋整個(gè)切片層的等間距之字形打印路徑，相鄰切片層的之字形打印路徑方向彼此正交，用于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

55、s325、連通所有打印路徑：

56、步驟s322-s324中生成的打印路徑彼此屬于非連續(xù)路徑間，通過在各段打印路徑間增加過渡路徑，將其連接組合為一條完整路徑。

57、優(yōu)選的，步驟s33具體包括：

58、s331、設(shè)置機(jī)械臂工作位姿：

59、將步驟s325中的完整打印路徑劃分為等間距的路徑點(diǎn)并提取對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)，設(shè)置機(jī)械臂工具頭在路徑點(diǎn)處的位置姿態(tài)，將路徑點(diǎn)坐標(biāo)和位姿數(shù)據(jù)編程為機(jī)械臂可讀取的文件類型；

60、s332、檢查路徑點(diǎn)可達(dá)性：

61、通過軟件模擬機(jī)械臂工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，檢驗(yàn)機(jī)械臂在路徑點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸是否可以達(dá)到預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)角，若路徑點(diǎn)不可達(dá)，則返回步驟s331重新調(diào)整位姿數(shù)據(jù)；

62、s333、設(shè)置打印參數(shù)：

63、設(shè)置最優(yōu)打印參數(shù)組合，將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)編程為機(jī)械臂可讀取的文件類型，所述最優(yōu)打印參數(shù)組合包括擠出開關(guān)狀態(tài)、擠出流量、風(fēng)扇冷卻功率、熱端溫度和機(jī)械臂工具頭移動(dòng)速度；

64、s334、執(zhí)行曲面層fdm打印：

65、將打印程序輸入機(jī)械臂，執(zhí)行薄殼構(gòu)件的曲面層fdm打印任務(wù)。

66、因此，本發(fā)明采用上述一種基于彈性網(wǎng)殼基底的曲面層fdm打印方法，有益效果如下：

67、（1）本發(fā)明針對(duì)曲面層fdm打印中基底制作難度大的問題，采用長直板條制作彈性網(wǎng)殼基底的所有構(gòu)件，其加工制作簡單方便、無需復(fù)雜的工藝設(shè)備，且進(jìn)一步降低對(duì)工人技術(shù)的依賴。

68、（2）本發(fā)明針對(duì)曲面層fdm打印中基底制作成本高的問題，采用非實(shí)心結(jié)構(gòu)的彈性網(wǎng)殼基底，可減少材料的用量，進(jìn)而降低經(jīng)濟(jì)成本。

69、（3）本發(fā)明通過提高基底結(jié)構(gòu)建造效率，縮短了曲面層fdm打印整個(gè)過程的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了薄殼構(gòu)件的高效建造，減少生產(chǎn)時(shí)間。