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。

与传统CAD建模不同,异质零件建模时将材料的类型和分布特征作为参数,在模型中进行优化设计。异质零件建模的核心是将几何结构与材料设计结合起来,实现单一材料无法实现的特殊功能。异质零件模型的设计还需要考虑制造需求,与传统模型兼容,使用标准文件格式,最终静态模型可直接用于数字制造。给出了静态模型的设计过程,首先使用常见三维建模数据存储方式的点云数据来存储模型数据;然后设计基于轮廓近似法的结构和材料模型,用不同颜色映射不同材料;最后将材料信息添加到以微四面体为基本单元的模型中,生成异质零件的静态模型。

异质零件建模的核心是将几何结构与材料设计结合起来,使结构特征和材料组成有机整体,直接用于数字化制造。给出基于体素法的结构模型,使用细化后的网格和节点,建立STL模型均匀点云数据集,构建空间微四面体,形成结构模型;依据零件的物理特性和材料分布特征,使用节点间线性插值算法,对细化网格进行材料分布运算,获得不同材料的梯度分布,把材料信息添加到结构模型中,完成模型的设计。

静态建模方法主要适用于结构和材料分布简单的异质零件,某些零件的材料既不是均匀的,也不是基于梯度的,称之为动态异质零件。基于结构和材料的混合模型可用于设计动态异质零件。可以根据材料进行建模,填充微四面体结构内材料,材料可以根据变化特性动态地分布和改变。详细阐述了材料的特征描述、体素表示方法、实体与材料的映射关系以及特征节点的提取,作为建立动态异质零件模型的基础。

某些零件的材料既不是均匀的,也不是基于梯度的,称之为动态异质零件。介绍了异质零件动态模型的建模方法,使用微四面体,以材料特征为顶点,通过材料向量分布角度调整实现动态变化,以达到材料的渐变或突变效果,结合STL格式,给出的模型可以直接用在3D打印中制作动态异质零件。该方法的优点是以每个特征节点为定义单元,结合有序的拓扑结构,能够表达多种材料的非均质分布情况,以及材料分布突变、断裂等异常情况;按照空间点云数据集映射至每个材料切片层的方式进行二维切片的材料定义,对每层切片进行材料分区,同时建立了材料切片与物理切片的对应关系,可用于CAD/CAM一体化设计。

异质零件模型设计过程中,需要实现交互及可视化。使用颜色变量,基于微四面体模型建立材料映射,使得模型既可用于彩色3D打印,也可用于梯度功能材料3D打印。首先对实体离散化处理,把零件分解为体素单元,然后研究了基本彩色文件格式,使用梯度插值算法,给出STL文件模型的色彩映射方法,并给出材料映射函数,实现外表面轮廓的材料映射。

异质零件的动态模型是使用微四面体,以材料特征为顶点,通过材料向量分布角度调整设计动态变化,实现材料的渐变或突变效果。结合STL格式,给出的模型可以直接用于3D打印制作动态模型。基于色彩映射材料函数的彩色四面体模型及模型可视化方法,既可用于彩色模型3D打印,也可用于梯度功能材料3D打印。

异质材料零件3D打印兼顾多种优点,在汽车、航空航天、医疗和食品工业等领域具有广阔的应用前景,逐渐成为国内外3D打印领域的研究热点。异质零件主要包括多材料零件、梯度功能材料零件和多相材料零件。不同类别的异质零件(HEO)成形材料在硬度、耐蚀性和环境适应性的表现各不相同。系统性阐述了异质零件成形材料及其制备与性能测试,作为异质零件3D打印的基础。

印制电子技术与3D打印技术相结合是目前的研究热点,为提高3D打印工艺所制得电子电路产品的导电率、打印精度及其机械性能,对在电工电子领域应用较为广泛的银导电墨水、聚乳酸复合材料及石墨烯材料等7种典型导电复合材料,进行了材料制备对比试验,并对制备出的材料进行了性能测试。各材料测试结果表明,通过适当的制备方法,同时搭配适宜的3D打印工艺能够有效地提高电子电路产品的性能。

提出了一种吸力型永磁悬浮承载平台,拟用于调谐质量阻尼器质量块的支承与引导。对构成平台的磁阵列对的工作原理、磁路分布及磁路优化进行分析,提出磁阵列对的磁力解析模型,使用解析模型和Ansoft Maxwell仿真模拟的方法对磁阵列对结构的承载能力进行分析,结果表明,该磁阵列对的承载力及刚度能够达到承载平台的设计要求。