一种基于弹性网壳基底的曲面层FDM打印方法

本发明涉及3d打印，尤其是涉及一种基于弹性网壳基底的曲面层fdm打印方法。

背景技术：

1、曲面薄壳是一种受力性能良好的空间结构形式，具备轻质高强的特点，同时还可以表现出独特的美学效果，目前被广泛应用于产品设计、艺术装置和建筑结构之中。

2、fdm打印(fused deposition modeling)技术是3d打印中最常见和广泛应用的一种技术。它基于热塑性材料的熔融堆积原理，通过将材料按照预定路径进行控制层叠堆积，最终形成3d打印的物体。相较于传统的平面层fdm打印，曲面层fdm打印技术可以提高薄壳结构的力学性能和表面打印质量。

3、现有技术中，曲面层薄壳构件打印工艺大多使用实心基底结构作为支撑，复杂的几何造型导致基底加工难度大、对设备或工人要求高，此外基底结构往往耗材较大，造成高昂的生产成本。

4、因此，需要开发一种新型的基底结构用于薄壳构件的曲面层fdm打印，来降低制作难度及经济成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于弹性网壳基底的曲面层fdm打印方法，可以快速建造具有复杂几何的曲面薄壳构件，使用弹性网壳作为曲面层fdm打印的基底可有效降低支撑结构的制作难度、生产时间以及经济成本。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于弹性网壳基底的曲面层fdm打印方法，包括以下步骤：

3、s1、弹性网壳基底设计与制作，得到用于支撑曲面层fdm打印的弹性网壳基底；

4、s2、弹性网壳基底表面重构，填补表面孔洞缝隙，得到用于生成曲面层fdm首层打印路径的完整表面；

5、s3、曲面层fdm打印代码编程与执行，得到打印程序脚本文件并通过机械臂执行曲面层fdm打印。

6、优选的，步骤s1中，根据目标曲面薄壳构件设计并制作所述弹性网壳基底，具体包括以下步骤：

7、s11、根据目标曲面薄壳构件的三维建模软件模型，生成弹性网壳基底的网壳条带的布置方案和几何尺寸信息，得到弹性网壳基底设计模型；

8、s12、根据长直板条的构件材料信息、几何尺寸信和边界条件信息，通过有限元法对弹性网壳基底进行力学找形分析，模拟其真实状态下的几何形态，并对上述步骤s11得到弹性网壳基底设计模型进行调整和优化；

9、s13、根据上述步骤s12得到的弹性网壳基底设计模型，加工长直板条并拼装得到弹性网壳基底。

10、优选的，步骤s11具体为：

11、s111、获取基底曲面：

12、使用三维建模软件设计曲面薄壳构件并建模，提取其下表面作为弹性网壳基底的目标表面，标记为基底曲面；

13、s112、生成网格图案：

14、使用参数化建模软件在基底曲面布设控制点，连接相应的控制点在曲面上生成网格图案；

15、s113、建立三维模型：

16、根据上述步骤s112生成的网格图案生成弹性网壳基底三维模型，用于有限元分析建模及网壳条带拼装；

17、所述弹性网壳基底三维模型具体为每根网壳条带的板条几何尺寸，包括轮廓尺寸与开孔尺寸。

18、优选的，步骤s12具体为：

19、s121、基于有限元法的力学找形：

20、根据板条的抗弯材性数据与步骤s113中得到的板条几何尺寸，通过构件装配、设置边界条件、定义接触类型和划分网格单元，建立有限元分析模型，模拟板条在力作用下的几何形态；

21、s122、板条几何尺寸误差对比：

22、将力学找形得到的弹性网壳基底三维几何模型与步骤s113中的三维模型进行几何尺寸误差对比，若尺寸差异大于加工精度需求，则返回步骤s112重新调整网格图案布局，若误差满足需求则进行步骤s13。

23、优选的，步骤s13具体为：

24、s131、板条加工：

25、根据板条几何尺寸加工具有弹性的长直板条并进行编号；

26、s132、弹性网壳基底拼装：

27、根据弹性网壳基底三维模型、按照步骤s131中的编号对结构进行拼装，制作用于支撑曲面层fdm打印的弹性网壳基底。

28、优选的，步骤s2中，生成曲面层fdm首层打印路径的完整表面，具体包括以下步骤：

29、s21、通过点云扫描技术获得弹性网壳基底实物的三维点云模型，具体包括：

30、s211、基底结构点云扫描：

31、使用手持三维点云扫描仪，获取步骤s132中弹性网壳基底的点云数据；

32、s212、点云数据清洗：

33、通过后处理软件清洗步骤s211中的三维点云数据，剔除与步骤s132中弹性网壳基底无关的多余数据；

34、s213、网格面片修复：

35、通过后处理软件对步骤s212中弹性网壳基底的点云数据的网格面片进行修复和优化，消除孤立面片、自交点和褶皱问题；

36、s22、弹性网壳基底是由板条编织而成的非完整表面，存在大量孔洞和空隙，需重对其表面进行重构以获得连续完整的基底重构表面，具体包括：

37、s221、基底曲面重构：

38、参照步骤s111中基底曲面的三维软件建模的模型，填补步骤s213中弹性网壳基底模型的孔洞区域，生成完整的表面，重构的表面需保留s213中弹性网壳基底的点云数据的几何特征，以保证后续曲面层fdm首层打印路径与实际基底表面贴合。

39、优选的，步骤s3中，对曲面层fdm打印代码进行编程与执行，具体包括以下步骤：

40、s31、重构曲面薄壳构件模型，并与实际物理空间坐标对齐；

41、s32、对薄壳构件进行曲面层切片并生成各层的打印路径；

42、s33、对机械臂工作参数进行编程并执行曲面层fdm打印任务。

43、优选的，步骤s31具体包括：

44、s311、薄壳构件模型重构：

45、使用步骤s221中重构的完整基底曲面模型替换步骤s111中薄壳构件基底曲面模型，得到用于打印切片的薄壳构件模型；

46、s312、坐标系对齐：

47、测量并建立机械臂打印系统物理空间的基坐标，将步骤s311中重构的薄壳构件模型置入基坐标系统并与网壳基底实物对齐。

48、优选的，步骤s32具体包括：

49、s321、曲面层切片：

50、在参数化建模软件中输入步骤s311中重构的薄壳构件模型，根据预设打印层高，沿构件厚度方向生成曲面切片层；

51、s322、按照步骤s112生成的网格图案将首层切片表面划分为若干格子单元；

52、s323、依次在步骤s322中划分的格子单元内生成由四周向中心行进的等间距螺旋线形打印路径，完成首层打印路径规划；

53、s324、生成非首层打印路径：

54、非首层切片层不存在悬挑打印，采用覆盖整个切片层的等间距之字形打印路径，相邻切片层的之字形打印路径方向彼此正交，用于提高结构强度；

55、s325、连通所有打印路径：

56、步骤s322-s324中生成的打印路径彼此属于非连续路径间，通过在各段打印路径间增加过渡路径，将其连接组合为一条完整路径。

57、优选的，步骤s33具体包括：

58、s331、设置机械臂工作位姿：

59、将步骤s325中的完整打印路径划分为等间距的路径点并提取对应的空间坐标，设置机械臂工具头在路径点处的位置姿态，将路径点坐标和位姿数据编程为机械臂可读取的文件类型；

60、s332、检查路径点可达性：

61、通过软件模拟机械臂工作时的运动轨迹，检验机械臂在路径点间运动时各关节转轴是否可以达到预设的旋转角，若路径点不可达，则返回步骤s331重新调整位姿数据；

62、s333、设置打印参数：

63、设置最优打印参数组合，将对应数据编程为机械臂可读取的文件类型，所述最优打印参数组合包括挤出开关状态、挤出流量、风扇冷却功率、热端温度和机械臂工具头移动速度；

64、s334、执行曲面层fdm打印：

65、将打印程序输入机械臂，执行薄壳构件的曲面层fdm打印任务。

66、因此，本发明采用上述一种基于弹性网壳基底的曲面层fdm打印方法，有益效果如下：

67、（1）本发明针对曲面层fdm打印中基底制作难度大的问题，采用长直板条制作弹性网壳基底的所有构件，其加工制作简单方便、无需复杂的工艺设备，且进一步降低对工人技术的依赖。

68、（2）本发明针对曲面层fdm打印中基底制作成本高的问题，采用非实心结构的弹性网壳基底，可减少材料的用量，进而降低经济成本。

69、（3）本发明通过提高基底结构建造效率，缩短了曲面层fdm打印整个过程的时间，实现了薄壳构件的高效建造，减少生产时间。