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3 多色、多材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)3D 打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 面向3D 打印的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

   傳統(tǒng)的面向制造與裝配設(shè)計(jì)(design for manufacturing, DFM) 方法目的在于設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品易于制造和裝配, 從而縮短開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本. 3D 打印技術(shù)使得產(chǎn)品的外形不再是制造的難點(diǎn),因此, 為了達(dá)到高性能, 產(chǎn)品往往幾何外形復(fù)雜, 導(dǎo)致模型特征數(shù)量陡增; 另外, 包括從宏觀到微觀的工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì), 都是傳統(tǒng)CAD 技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的. 傳統(tǒng)CAD 技術(shù)及軟件仍然主要針對(duì)單材均質(zhì)模型設(shè)計(jì)優(yōu)化: 設(shè)計(jì)方法上以邊界表示(boundary representation, B-Rep) 和構(gòu)造表示(constructive solid geometry, CSG) 技術(shù)為主導(dǎo), 側(cè)重復(fù)雜形貌特征的表面建模, 而CSG 技術(shù)僅適用于相對(duì)簡(jiǎn)單形狀的實(shí)體建模, 難以有效地設(shè)計(jì)和表達(dá)復(fù)雜的功能梯度材料制件的材料配比變化及多尺度工藝結(jié)構(gòu)特征, 僅僅依靠多個(gè)均質(zhì)模型之間的裝配來(lái)表達(dá)復(fù)雜模型將大大增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度且限制了模型的可表達(dá)范圍, 缺乏有效的能表達(dá)上述信息的3D 模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn).

   為了充分發(fā)揮3D 打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì), 促進(jìn)3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展, 美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)2011年提出了新的增材制造文件格式(additive manufacturing le format, AMF), 基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(extensible markup language, XML), 彌補(bǔ)了CAD 數(shù)據(jù)和現(xiàn)代的3D 打印技術(shù)之間的差距. 相比原來(lái)的(stereolithography, STL) 格式, 克服了其精度不高、數(shù)據(jù)冗余大、工藝信息缺失、文件體積龐大、讀取緩慢等缺點(diǎn), 同時(shí)引入了曲面三角形、顏色貼圖、異質(zhì)材料、功能梯度材料、微結(jié)構(gòu)、排列方位等高級(jí)概念. 其中, 曲面三角形能夠大幅提升模型的精度, 其是利用各個(gè)頂點(diǎn)法線或切線方向來(lái)確定曲面曲率的, 在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理切片時(shí), 曲面三角形可進(jìn)行細(xì)分, 便于獲得理想精度. 不同區(qū)域的材料成分表達(dá)是通過(guò)空間點(diǎn)坐標(biāo)公式來(lái)表述的, 按常數(shù)比例混合的材料即為均質(zhì)材料, 按坐標(biāo)值線性變化的比例即為梯度材料, 還可表達(dá)非線性梯度材料. 當(dāng)材料比例被賦為\0" 時(shí), 即表示該處為孔洞. 顏色元素指定sRGB 色彩空間內(nèi)的紅、綠、藍(lán)以及透明度值, 且小區(qū)域的顏色屬性將覆蓋大區(qū)域顏色屬性. 因此,AMF 格式包含的工藝信息更全、文件體積更小、模型錯(cuò)誤更少, 使得3D 打印過(guò)程中使用起來(lái)更加方便, 模型設(shè)計(jì)過(guò)程也更加輕松。

   要實(shí)現(xiàn)全信息的3D 打印, 首先需要設(shè)計(jì)出包含這些信息的三維實(shí)體模型, 然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理、工藝規(guī)劃等, 最后進(jìn)行3D 打印. 然而, 由于AMF 模型文件的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)僅僅表達(dá)幾何外形的設(shè)計(jì)方法差異較大, 還沒(méi)有出現(xiàn)能支持AMF 格式完整功能的相關(guān)設(shè)計(jì)工具, 無(wú)法提供全工藝信息的數(shù)據(jù)來(lái)源,3D 打印軟件也無(wú)法對(duì)AMF 文件的全部信息予以支持.   面向3D 打印設(shè)計(jì)(design for addictive manufacturing, DFAM) 方法, 與DFM 方法不同, 這種新的設(shè)計(jì)方法旨在綜合設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外觀、多尺度結(jié)構(gòu)以及材料, 以達(dá)到產(chǎn)品性能的最優(yōu)化設(shè)計(jì). 一體化的設(shè)計(jì)方法不但可以減少部件數(shù)量、避免裝配問(wèn)題, 還能提高產(chǎn)品綜合性能, 定制化的設(shè)計(jì)能滿足用戶需求, 設(shè)計(jì)過(guò)程中也無(wú)需考慮傳統(tǒng)加工方法的限制, 真正實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的材料、工藝、結(jié)構(gòu)的一體化自由設(shè)計(jì). 美國(guó)航天軍工Aerojet Rocketdyne 公司使用3D 打印技術(shù)制造了一臺(tái)完整的發(fā)動(dòng)機(jī), 并成功通過(guò)測(cè)試, 一臺(tái)典型的同類發(fā)動(dòng)機(jī)需要幾十個(gè)不同的零件組成, 而這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件被合并至只有三個(gè), 包括喉部和噴嘴部、噴油器和圓頂組件、燃燒室. 設(shè)計(jì)和制造過(guò)程只用了幾個(gè)月, 以往需要大約一年的時(shí)間, 成本節(jié)約了65%.

   要實(shí)現(xiàn)DFAM 方法的前提是要掌握材料、工藝、結(jié)構(gòu)一體化的建模方法. 材料建模的目的是定義幾何區(qū)域內(nèi)的材料分布情況, 為滿足3D 打印技術(shù)對(duì)于材料建模的需求, 需要做大量研究工作.楊繼全等通過(guò)引入描述各材料物理特征的材料分布特征值、各材料的體分量和材料分布向

量, 對(duì)材料切片內(nèi)的特征節(jié)點(diǎn)進(jìn)行材料賦值, 并對(duì)節(jié)點(diǎn)間的材料進(jìn)行插值運(yùn)算, 層層遍歷賦值, 從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)異質(zhì)材料零件中任意點(diǎn)結(jié)構(gòu)與材料信息的表述. 吳曉軍等提出了一種基于體素模型的功能梯度材料/零件建模方法. Biswas 等[18] 提出一種采用反距離加權(quán)法進(jìn)行空間參數(shù)化方法來(lái)表征材料成分變化.

   為支撐3D 打印技術(shù)進(jìn)行多尺度工藝結(jié)構(gòu)的成形, 在建模過(guò)程中完成對(duì)模型微觀結(jié)構(gòu)的描述十分重要. Olson把系統(tǒng)工程思想引入到材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中, 提出了多層次結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù), 認(rèn)為材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)制造是一個(gè)系統(tǒng)工程, 不同尺度下的組織結(jié)構(gòu)決定了其各自的性能特點(diǎn), 而且工藝、組織、性能之間關(guān)系的良好集成能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念。

未完待續(xù)；