3D打印是一种快速成型技术,能够高效地将数字化三维模型制造成实体,有效提高设计、制造物体的效率。随着桌面级3D打印机价格不断下降,3D打印技术的快速普及使普通用户体验到制造个性化模型的乐趣。在进行3D打印之前,需要首先对物体进行数字化建模,但是如何将普通用户的设计想法转换为可打印3D数字化模型是目前普遍存在的难点之一。用户要求模型美观、能够满足特定需求、并具有个性化和趣味性。所以在模型设计阶段需要充分考虑打印成品的功能性,对数字模型进行相应优化调整。目前常用的3D建模软件能够生成可3D打印模型,但建模过程主要基于物体外观进行,难以保证打印物体满足相应设计功能。由于建模过程中缺少对于结构的优化,常常导致打印材料的浪费,增加打印耗时。对于用户个性化的需求,比如制作不倒翁玩具、类似糖画的可食用物体,目前并没有可行解决方案,而制作过程中涉及到网格编辑、物体结构分析与仿真、图像抽象化等内容对于普通用户十分繁琐,需要相应算法满足此类需求。本文对3D打印设计与个性化制造相关问题进行了深入探讨,结合物理仿真、图像编辑等技术提出了高效易用的解决方案。本文主要内容与贡献如下:·提出了一种优化壳体厚度参数的方法,能够在保持物体结构强度的基础上,减少打印材料消耗。在用户输入网格模型和相应受力情况后,本算法能够自动根据应力约束对厚度参数进行优化,并生成可进行3D打印的封闭壳体。本算法主要有以下两点贡献:1、使用分割算法对输入网格模型进行分块。采用壳单元有限元仿真模型对物体进行仿真。2、本算法推导了刚度矩阵、节点位移等物理量对厚度参数的导数解析形式,提高了仿真优化过程速度。采用交替优化过程求解优化问题,将非线性优化问题在局部转化为线性规划问题。采用灵敏度分析方法进一步加速优化过程。使用不同种类3D打印机、多种打印材料制作模型进行相关物理实验。本算法能够在较短时间内求解厚度参数。仿真、优化结果和实验测试相符。·提出了一种计算机辅助设计算法,帮助普通用户设计并制作个性化不倒翁。本算法生成的模型能够在外力推动后摇而不倒,最终静止在平衡位置。基于力矩与能量相关知识,我们推导了不倒翁质心和底部形状需要满足的约束条件。将设计制作不倒翁问题抽象为优化问题,并在优化目标函数中加入节省打印材料、增加不倒翁稳定性、增加摇摆幅度、外形比例协调等约束条件。我们制作了多种模型进行相关实验,验证推导的物理约束和优化算法有效性。本算法提供了简单易用的框架,能够帮助普通用户使用常见3D打印机制作不倒翁玩具。·提出了一种根据肖像进行3D食品打印制作的方法。本算法使用3D食品打印机,打印材料使用麦芽糖、巧克力、果酱等可食用材料。在保持输入图像特征的情况下,本算法能够自动将输入肖像进行抽象化,并转化为可打印路径。本方法主要分为两阶段:1、使用图像抽象化方法提取肖像轮廓线。可进行人脸特征点检测、素描生成算法进一步增强人脸特征。2、使用路径优化算法生成可打印路径,在保持打印效果的前提下,减少打印耗时。我们提出了一种简单易用的肖像胖瘦调整算法,进一步提高肖像食品打印效果。对多幅肖像进行3D食品打印制作,并进行多组实验对比,验证本算法效果。
