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异质零件3D打印建模基础

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:532      更新时间:2021-09-24

杨继全,李〓娜,施建平,唐文来,张〓钢
(南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏 南京〓210023)
摘要:异质零件设计和制造过程中使用多个模型,例如结构模型、材料模型和制造模型等。采用CAD软件设计的三维模型文件因用途不同,模型的格式经常不同,但因需要进行数据交换,所以需要建立数据交换标准。3D打印设备常用的“准标准”文件是STL格式,但STL格式并不完备,比如表面漏洞,表达的只是对象的几何信息,不包含色彩和材料信息,异质零件模型进行三角面片化所得到的传统STL格式文件也比较粗略。针对这些问题,首先介绍多材料3D打印的成形工艺及过程,然后重点阐述异质零件制造的模型及数据格式,最后给出基于STL格式的细化及在细化基础上的四面体模型。
关键词:多材料3D打印;STL格式;微四面体模型
中图分类号:TS853〓〓〓文献标识码:A〓〓〓文章编号:2095-509X(2021)08-0001-09

不同CAD软件设计的三维模型文件因格式不同、用途不同等,经常要进行数据交换,这就需要建立数据交换标准。3D打印设备常用的“准标准”文件是STL格式文件,但STL格式并不完备,比如表面漏洞,其表达的只是对象的几何信息,不包含色彩和材料信息,异质零件模型进行三角面片化所得到的传统STL格式文件也比较粗略。针对这些问题,本文首先介绍多材料三维打印的成形工艺及过程,然后重点阐述异质零件制造的模型及数据格式,其中本文给出的基于STL格式的细化及在细化基础上的四面体模型,将作为异质零件的建模基础。
1〓多材料3D打印成形原理
3D打印成形系统的工作原理是在数字信号驱动下,采用物理手段,将成形材料以一定的速率从喷头打印至指定位置,打印材料按照一定的序列堆积,形成三维实体零件。
目前针对多材料模型的成形方法研究,开发的系统都只适用于有限材料的相对简单的成形件的加工。图1所示的是基于微滴喷射技术和3D打印技术的异质零件设计与制造一体化加工流程。其思路为:将通过逆向工程获得的扫描数据或根据要求设计出的三维结构CAD实体模型以单色STL文件的形式导出,根据零件功能要求进行零件的几何拓扑形状(用单色STL面化模型数据表示)和材料组织结构(用色彩信息表示)的并行设计;对含有结构及材料信息的彩色STL模型进行切片分层,获得一系列彩色切片,并对每层加工单元所对应的色彩信息和结构信息进行解析,使之与成形信息相对应;在成形过程中,计算机根据每一层的成形信息分别控制各机构做协调运动,采用微滴喷射技术和3D打印技术,将含有材料微粒的浓悬浮液、紫外光敏树脂或低熔点合金熔液,通过微细喷嘴实现数字化的分层微滴喷射,从而制得异质零件。具体而言,制作开始时,计算机把第一层加工信息发送给打印喷头控制电路,打印喷头控制电路根据第一层的材料信息驱动打印喷头中的某个或某几个喷头按该层的形状喷射一种或几种液态材料,随后液态材料通过挥发、固化、迅速凝固等过程形成实体区域。如果需要打印支撑,在打印喷头中的某个或某几个喷头喷射液态材料的同时,打印喷头中的另一喷头喷射支撑材料填充该层未被喷射的区域,迅速凝固后形成支撑区域。随后,计算机把下一层的成形信息发送给打印喷头控制电路,打印喷头喷射出液态材料和支撑材料。如此反复,一层层地打印,从而快速制作出异质零件。

作者简介:杨继全(1973—),男,教授,博士,主要研究方向为3D打印技术与生物制造等

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