面向3D打印的复杂多连孔结构数字化建模方法研究

The porous structures have characteristics of complex multidimensional space gradient and pore connectivity, it is difficult to achieve accurate and efficient modeling problems in model-building and model conversion, this project proposes a rapid digital modeling method of complex porous structures for Additive Manufacturing technology, This project specifically studies on the following three aspects: (1) Discusses and analyzes technical and geometric constraints of Additive Manufacturing processing multi-pore structure, establish design rules of porous structures, (2) Studies on the method of using implicit surfaces represented by nonlinear target implicit functions to build pore units, explores the internal relations between function expression forms and shapes of pore units, Studies on judgment methods of regularity based on imply surfaces, and reveals the mathematical laws of pore unit continuity; and (3) By using finite element method combined with multiple intelligent optimization algorithm, builds on the mapping method from pore units to spatial uniformity and dimensional gradient porous structures, establishes interactive processing method between expression functions and digital model, and researches on controlling and improving model conversion precision approach by direct slicing. This modeling method not only has great design freedom, but also achieves rapid and accurate digital modeling, and provides theoretical and technical support for the development of digital modeling of porous structures and Additive Manufacturing.

连孔结构具有空间多维梯度、孔道连通和孔道表面光滑过渡等复杂的结构特征，针对其在模型构建和模型3D打印数据转换中较难实现精确和高效的建模问题，本项目提出一种基于隐函数的复杂多连孔结构数字化建模方法。具体进行以下三个方面的研究：（1）讨论和分析3D打印加工多连孔结构的技术约束和几何限制，并建立多连孔结构的设计规则；（2）研究由非线性目标隐函数表示的隐式曲面构建孔隙单元的方法，探索函数表达形式与孔隙单元形状的内在关系，研究目标函数表达的曲面正则性的判断方法，揭示孔隙单元连续性数学规律；（3）阐明从孔隙单元到空间均匀和多维梯度多连孔结构的映射机制，建立表达函数和数字化模型交互处理的方法和算法，研究通过直接切片控制和提高模型3D打印转换精度的方法。该建模方法不仅具有较大的设计自由性，而且也可以实现快速、准确的数字化建模，为复杂多连孔结构数字化建模和3D打印技术的发展提供理论和技术支持。

多连孔结构具有空间多维梯度、孔道连通等复杂的结构特征，针对其在模型构建和模型3D打印数据转换中较难实现精确和高效的建模问题，本项目提出一种基于隐函数的复杂多连孔结构数字化建模方法。具体进行了以下三个方面的研究：（1）分析了3D打印加工多连孔结构的技术约束和几何限制，从粉末粘附现象的成因、粘附颗粒的分类及粘附颗粒对成型精度的影响机理等方面研究了粉末粘附现象。结合成型工艺实验分析，从扫描路径规划及材料摄入能量调配方面提出了弱化粉末粘附现象对成型精度影响的方法，建立了基于3D打印技术的多连孔结构的设计规则。研究了支柱可加工临界倾斜角和支柱直径与切片层厚之比的关系；（2）研究了由非线性目标隐函数表示的隐式曲面构建孔隙单元的方法，研究了带蒙皮曲面多连孔结构的构造形式及设计方法，探讨了合适的成型棱长及合理蒙皮曲面结构形式，成功实现复杂零件自动带蒙皮曲面多连孔结构化设计及增材制造。研究目标函数表达的曲面正则性的判断方法，揭示孔隙单元连续性和多孔隙结构连通性的数学规律；（3）研究了空间均匀和多维梯度多连孔结构数字化建模方法，实现了从孔隙单元到空间均匀和空间二维和三维梯度多连孔结构的映射方法。据激光选区熔化工艺特点，编制程序将原始零件CAD模型自动转化为设定孔隙率的带蒙皮曲面蜂窝状多连孔结构零件模型，且其数据可直接驱动设备实现零件增材制造。分析了影响多连孔结构模型数据转换精度的因素，研究通过直接切片控制和提高精度的方法，研究了在切片数据转换过程中通过轮廓偏移控制孔隙率的算法。本研究提出的面向3D打印技术的高精度和高效率的复杂多连孔结构数字化建模方法，为3D打印技术的发展及其应用提供了理论和技术支持。