本文摘要：摘要：隨著材料擠出成型 3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，適用于復(fù)雜環(huán)境的功能梯度材料的制備成為研究熱點(diǎn)。目前，功能梯度材料模型的構(gòu)建方法尚未成熟，仍需要建立一種新的算法，將功能梯度材料的材料組分信息附加到路徑規(guī)劃中，以實現(xiàn)材料空間到幾何空間的映射。首先，以 Vi
摘要：隨著材料擠出成型 3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，適用于復(fù)雜環(huán)境的功能梯度材料的制備成為研究熱點(diǎn)。目前，功能梯度材料模型的構(gòu)建方法尚未成熟，仍需要建立一種新的算法，將功能梯度材料的材料組分信息附加到路徑規(guī)劃中，以實現(xiàn)材料空間到幾何空間的映射。首先，以 VisualStudio 2019 為開發(fā)平臺，利用 OpenGL 進(jìn)行可視化分析;然后，將打印路徑體素化，對材料組分進(jìn)行設(shè)計與計算，并映射至幾何坐標(biāo)中，構(gòu)建出有連續(xù)梯度變化的目標(biāo)模型;最終，生成具有幾何信息和材料信息的新型 G 代碼，并用于功能梯度材料精準(zhǔn) 3D 打印。結(jié)果表明：利用路徑體素化的方法，可以精準(zhǔn)控制材料模型的梯度變化。
關(guān)鍵詞：功能梯度材料;3D 打印;體素;精準(zhǔn)控制
功能梯度材料(Functionally Graded Materials，F(xiàn)GMs)這一概念首先由日本科學(xué)家提出，它是指構(gòu)成材料的要素(組分、結(jié)構(gòu))沿空間方向呈梯度變化，從而使材料的性質(zhì)和功能也呈梯度變化的一種新型非均質(zhì)材料。功能梯度材料可將兩種或多種不相容材料相結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的自定義變化，自上世紀(jì) 80 年代提出至今，功能梯度材料廣泛應(yīng)用于醫(yī)療[1]、建筑[2]、軍事、航空航天[3]等領(lǐng)域。目前常見的制備方法可以分為相分布控制技術(shù)與粒子排列技術(shù)兩大類[4]。
其中相分布控制技術(shù)包含物理氣相沉積法與化學(xué)氣相沉積法 [5]、粉末冶金法[6]等。粒子排列技術(shù)包含離子噴涂法[7]、粒子排列燒結(jié)法、自蔓延高溫合成法[8]等。但傳統(tǒng)制備方法存在工藝復(fù)雜、成本高，難以制備組分或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的功能梯度材料等問題。新興的 3D 打印技術(shù)，如擠壓成型技術(shù)[9]、光固化成型技術(shù)[10]、熔融堆積成型技術(shù)[11]等能夠?qū)崿F(xiàn)材料組分和組織結(jié)構(gòu)的自定義調(diào)控，使制造復(fù)雜功能梯度材料成為可能。
近年來，多種功能梯度材料建模方法被相繼提出，如 Kumar 等[12]提出一種擴(kuò)展 rm-sets 集的異質(zhì)體建模方法，在幾何空間上對零件的幾何信息與材料信息進(jìn)行布爾運(yùn)算獲得功能梯度材料模型。Jackson 等[13]利用有限元的原理，對目標(biāo)零件網(wǎng)格化，將其材料信息與幾何信息賦予至網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，得到有限元化模型。吳曉軍等[14]提出了一種體素化功能梯度材料建模方法，將 CAD 模型離散體素化后與其目標(biāo)材料信息相結(jié)合，生成體素化模型。Doubrovski 等[15]基于噴墨 3D 打印方法，利用CT 掃描定義了體素的材料組成，對異構(gòu)對象模型賦予材料信息，用于制造具有剛度梯度變化的材料。
李宗安等[16]設(shè)計了一種梯度異質(zhì)三維打印數(shù)字化設(shè)計制造系統(tǒng)，提出了一種基于材料分布控制函數(shù)和切片邊緣環(huán)的梯度材料模型的設(shè)計方法，實現(xiàn)了基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的點(diǎn)顏色切片建模。葛正浩[17]等在材料建模中以“梯度源”建模思想，按照材料組分梯度變化公式對多材料零件進(jìn)行顏色漸變表示。劉崇蒙[18]等以原有的 FDM 單噴頭打印機(jī)改進(jìn)為多噴頭一體式，以包含材料信息 AMF 文件為基礎(chǔ)，通過多噴頭運(yùn)動實現(xiàn)梯度材料打印。
綜上所述：各國學(xué)者采用多種構(gòu)建方法對功能梯度材料的建模進(jìn)行了大量研究，但功能梯度材料建模仍缺乏結(jié)構(gòu)梯度和組分梯度的相應(yīng)設(shè)計準(zhǔn)則。因此，功能梯度材料 3D 打印需要一種新的建模方法，將零件材料信息與幾何信息相結(jié)合，以實現(xiàn)功能梯度變化。因此，本文提出了一種適用于材料擠出式 3D打印的功能梯度材料建模方法，通過設(shè)置體素幾何參數(shù)并依據(jù)函數(shù)模型計算材料組分配比，將規(guī)劃后的路徑實現(xiàn)體素化，使得材料信息映射至幾何空間。最終生成含有模型空間幾何信息與材料信息雙重屬性的新型 G 代碼，實現(xiàn)具有連續(xù)梯度變化的多材料 3D 打印。
1 功能梯度材料
信息融合體素化(Voxelization)是將物體的幾何形式表示轉(zhuǎn)換成該物體的體素表示形式，產(chǎn)生體素數(shù)據(jù)集，其不僅包含模型的表面信息，而且能描述模型的內(nèi)部屬性。將一個球體模型體素化后形成多個立方體搭建而成的球的體素集合。
1.1 設(shè)計流程
在此提出的解決方案為，首先，將 CAD 模型的 STL 文件導(dǎo)入算法程序，對模型進(jìn)行優(yōu)化，改變空間三角形面片三點(diǎn)順序并建立其拓?fù)潢P(guān)系以解決 STL 文件中所生成的三角形面片信息相互獨(dú)立問題。然后，對模型進(jìn)行切片，求取交點(diǎn)，將模型信息以交點(diǎn)坐標(biāo)的形式呈現(xiàn)出來，并將求得的交點(diǎn)，按照給定規(guī)則進(jìn)行路徑規(guī)劃。將設(shè)計好的路徑體素化，在每一個體素內(nèi)精準(zhǔn)設(shè)計計算其材料組分，將材料信息賦予到代表體素的點(diǎn)中，使其包含幾何信息與材料信息雙重屬性。最后，將擁有材料梯度組分變化的路徑生成新型 G 代碼，并在 3D 打印機(jī)上進(jìn)行打印。
1.2 建立體素
本研究涉及到的體素概念與傳統(tǒng)的體素概念有一定區(qū)別。傳統(tǒng)概念中的體素是將 CAD 模型直接通過算法計算將其分割為無數(shù)個小的立方體。而針對材料擠出式功能梯度材料 3D 打印，為賦予打印模型連續(xù)梯度變化的材料信息，需要在原有的路徑規(guī)劃上提出一種體素化策略，即體素劃分是在規(guī)劃好的路徑中完成的。
對相鄰兩個打印拐點(diǎn)間的路徑進(jìn)行多次分段，形成多段 G 代碼，每一段 G 代碼所打印出的材料段代表一個體素體，切片層高對應(yīng)打印時的擠出絲高度，為定義的體素體高度，打印時擠出絲的線寬即為體素體寬度，將打印中兩拐點(diǎn)間的路徑長度進(jìn)行切分，切分成 N 個小段，每小段長度即為體素體長度。
通過上述設(shè)定可以準(zhǔn)確定義一個體素體的長度、寬度與高度，當(dāng)對模型進(jìn)行切片處理時，在模型的任一層切平面內(nèi)，三維體素則可以向二維分辨率轉(zhuǎn)變，即在打印路徑進(jìn)行分段后產(chǎn)生的段落大小。在產(chǎn)生材料過渡變化的打印軌跡上，段落自身所包含的材料信息是相同的，但彼此相鄰的兩個段落的材料信息則可以不相同。在體素體內(nèi)，通過對材料分布函數(shù)構(gòu)建，可以在體素內(nèi)得到自定義量的材料配比。通過將含有各自組分信息的體素體依路徑連續(xù)排序，可以得到擁有材料連續(xù)變化的梯度材料模型。
對路徑進(jìn)行分段劃分，當(dāng)分段數(shù)過多時，體素體長度減小，兩個體素體間的材料變化幅度降低，打印精度有所提高，但增加了算法運(yùn)算量和機(jī)器運(yùn)作步驟，嚴(yán)重影響打印效率與機(jī)器的使用壽命。當(dāng)分段數(shù)過少時，體素體間的材料變化明顯，材料組成成分跨度大，無法形成連續(xù)的梯度變化，影響產(chǎn)品最終的使用性能。
1.3設(shè)計計算
經(jīng)過切片與路徑規(guī)劃后所產(chǎn)生的路徑是由數(shù)段線段相互連接而成，每一段路徑上只有首末兩個端點(diǎn)，中間無其他間斷點(diǎn)。由于首末兩端點(diǎn)之間跨度較大，無法準(zhǔn)確表示功能梯度材料的梯度變化過程，所以需要在首末兩端點(diǎn)之間引入分辨率的概念。即在首末兩端點(diǎn)之間，每經(jīng)過相同的一段距離插入一個分辨率的坐標(biāo)點(diǎn)，求出該點(diǎn)坐標(biāo)并儲存。
2 實例仿真
2.1 功能梯度材料模型
采用 Visual Studio 2019 和 OpenGL 實現(xiàn)了功能梯度材料實體模型可視化算法，下文給出由幾種雙材料呈現(xiàn)出不同維度的梯度變化，以驗證上文所提出的算法。以單一材質(zhì)立方體 CAD 模型為研究對象，其尺寸為100mm 100mm 100mm 。對其利用上述研究算法，將材料組分信息分別以不同元數(shù)與冪數(shù)的自定義函數(shù)表達(dá)，并映射至幾何空間內(nèi)，實現(xiàn)立方體的材料變化梯度呈現(xiàn)不同速率與維度的變化。下面用 OpenGL 對模型進(jìn)行可視化表示，并將以紅色與黃色兩種顏色代表兩種不同的材料，來表征梯度材料的變化方式，將體素用其所處位置的起點(diǎn)來表示。
3.結(jié)論
本文針對 3D 打印功能梯度材料的路徑規(guī)劃技術(shù)，結(jié)合材料擠出的打印方式，提出了一種功能梯度材料的建模方法，為擠出式 3D 打印功能梯度材料提供了一條有效途徑。通過可視化模型的實例研究發(fā)現(xiàn)，利用路徑體素化方法，通過函數(shù)構(gòu)建可靈活設(shè)計材料模型，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制材料模型的變化梯度，可應(yīng)用于自主設(shè)計的材料擠出式 3D 打印機(jī)制備功能梯度材料。
打印技術(shù)論文發(fā)表知識：3d打印技術(shù)論文在哪些sci期刊發(fā)表
用于打印設(shè)計要求功能、性能隨機(jī)件內(nèi)部位置的變化而變化，滿足實際工程需求的功能梯度材料產(chǎn)品。但由于分辨率的存在，產(chǎn)生的路徑點(diǎn)過多可能會導(dǎo)致出現(xiàn)相鄰的多個相同體素體，使計算量變大，增加打印啟停次數(shù)，進(jìn)而增加了打印時長。因此，在未來研究中可根據(jù)材料的變化速率，實時改變分辨率大小，減少打印時的材料組分轉(zhuǎn)變點(diǎn)，提高打印效率。
[參考文獻(xiàn)]
[1] Wang X H,Wan C P,Feng X X, et al. In Vivo and In VitroAnalyses of Titanium-Hydroxyapatite Functionally GradedMaterial for Dental Implants[J]. BioMed ResearchInternational,2021.101151.
[2] Bobbio Lourdes D, Bocklund Brandon, Liu Zi Kui, et al.Tensile behavior of stainless steel 304L to Ni-20Crfunctionally graded material: experimental characterizationand computational simulations[J]. Materialia,2021.101151.
[3] 高阿婷. 密度梯度飛片的設(shè)計及制備[D].成都:西南交通大學(xué),2011.Gao A T. Design and preparation of density gradient flyer[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University,2011 (inChinese)
[4] 李寧,雷孫栓,王春生等.功能梯度材料的開發(fā)與應(yīng)用[J].航天工藝,1998(4):1-7.
作者：韓碩，彭壯壯，段國林
轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jjlw/29975.html
