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3 多色、多材料、多尺度工藝結構3D 打印技術的實現方法

3.1 面向3D 打印的產品設計方法

   傳統的面向制造與裝配設計(design for manufacturing, DFM) 方法目的在于設計出的產品易于制造和裝配, 從而縮短開發周期、降低產品成本. 3D 打印技術使得產品的外形不再是制造的難點,因此, 為了達到高性能, 產品往往幾何外形復雜, 導致模型特征數量陡增; 另外, 包括從宏觀到微觀的工藝結構的設計, 都是傳統CAD 技術無法實現的. 傳統CAD 技術及軟件仍然主要針對單材均質模型設計優化: 設計方法上以邊界表示(boundary representation, B-Rep) 和構造表示(constructive solid geometry, CSG) 技術為主導, 側重復雜形貌特征的表面建模, 而CSG 技術僅適用于相對簡單形狀的實體建模, 難以有效地設計和表達復雜的功能梯度材料制件的材料配比變化及多尺度工藝結構特征, 僅僅依靠多個均質模型之間的裝配來表達復雜模型將大大增加設計的復雜度且限制了模型的可表達范圍, 缺乏有效的能表達上述信息的3D 模型數據交換標準.

   為了充分發揮3D 打印技術的優勢, 促進3D 打印技術的快速發展, 美國材料與試驗協會2011年提出了新的增材制造文件格式(additive manufacturing le format, AMF), 基于可擴展標記語言(extensible markup language, XML), 彌補了CAD 數據和現代的3D 打印技術之間的差距. 相比原來的(stereolithography, STL) 格式, 克服了其精度不高、數據冗余大、工藝信息缺失、文件體積龐大、讀取緩慢等缺點, 同時引入了曲面三角形、顏色貼圖、異質材料、功能梯度材料、微結構、排列方位等高級概念. 其中, 曲面三角形能夠大幅提升模型的精度, 其是利用各個頂點法線或切線方向來確定曲面曲率的, 在進行數據處理切片時, 曲面三角形可進行細分, 便于獲得理想精度. 不同區域的材料成分表達是通過空間點坐標公式來表述的, 按常數比例混合的材料即為均質材料, 按坐標值線性變化的比例即為梯度材料, 還可表達非線性梯度材料. 當材料比例被賦為\0" 時, 即表示該處為孔洞. 顏色元素指定sRGB 色彩空間內的紅、綠、藍以及透明度值, 且小區域的顏色屬性將覆蓋大區域顏色屬性. 因此,AMF 格式包含的工藝信息更全、文件體積更小、模型錯誤更少, 使得3D 打印過程中使用起來更加方便, 模型設計過程也更加輕松。

   要實現全信息的3D 打印, 首先需要設計出包含這些信息的三維實體模型, 然后通過數據處理、工藝規劃等, 最后進行3D 打印. 然而, 由于AMF 模型文件的設計與傳統僅僅表達幾何外形的設計方法差異較大, 還沒有出現能支持AMF 格式完整功能的相關設計工具, 無法提供全工藝信息的數據來源,3D 打印軟件也無法對AMF 文件的全部信息予以支持.   面向3D 打印設計(design for addictive manufacturing, DFAM) 方法, 與DFM 方法不同, 這種新的設計方法旨在綜合設計產品的外觀、多尺度結構以及材料, 以達到產品性能的最優化設計. 一體化的設計方法不但可以減少部件數量、避免裝配問題, 還能提高產品綜合性能, 定制化的設計能滿足用戶需求, 設計過程中也無需考慮傳統加工方法的限制, 真正實現了產品的材料、工藝、結構的一體化自由設計. 美國航天軍工Aerojet Rocketdyne 公司使用3D 打印技術制造了一臺完整的發動機, 并成功通過測試, 一臺典型的同類發動機需要幾十個不同的零件組成, 而這臺發動機的零部件被合并至只有三個, 包括喉部和噴嘴部、噴油器和圓頂組件、燃燒室. 設計和制造過程只用了幾個月, 以往需要大約一年的時間, 成本節約了65%.

   要實現DFAM 方法的前提是要掌握材料、工藝、結構一體化的建模方法. 材料建模的目的是定義幾何區域內的材料分布情況, 為滿足3D 打印技術對于材料建模的需求, 需要做大量研究工作.楊繼全等通過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, 對材料切片內的特征節點進行材料賦值, 并對節點間的材料進行插值運算, 層層遍歷賦值, 從而實現了對異質材料零件中任意點結構與材料信息的表述. 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法進行空間參數化方法來表征材料成分變化.

   為支撐3D 打印技術進行多尺度工藝結構的成形, 在建模過程中完成對模型微觀結構的描述十分重要. Olson把系統工程思想引入到材料設計和結構制造過程中, 提出了多層次結構的計算機輔助設計技術, 認為材料設計、結構制造是一個系統工程, 不同尺度下的組織結構決定了其各自的性能特點, 而且工藝、組織、性能之間關系的良好集成能夠實現多尺度結構設計的概念。

未完待續；