基于FDM的薄壁殼體可變厚度曲面分層技術的研究

供稿人:周貝,連芩

香港科技大學機械與航天航空工程系的科研團隊針對曲面分層3D打印技術開展了包括薄壁殼體建模、曲面分層、路徑規(guī)劃等問題的研究，提出了一種可變厚度曲面分層技術。該技術能夠?qū)⒛Ｐ痛蛴�為實體的過程中，最小化甚至完全消除其階梯效應，為3D打印分層技術帶來了創(chuàng)新性的新方向。如圖1，研究者提出將隨形薄壁殼體的原始曲面上的點通過特定方式（標識的距離域）進行偏移，構建新的曲面。由于每個點標識的距離域都不是恒定不變的，因此構建出的偏移隨形曲面（雙輪廓法）是可變厚度的。然后據(jù)此重構出網(wǎng)格曲面，在構建的過程中同時采用拉普拉斯對曲面進行平滑處理。整個可變厚度表面的重構過程可以看作是從原始表面向外生成偏移面的過程。最后，生成打印路徑，并通過多軸3D打印機規(guī)劃出整個打印過程。研究者通過大量的實驗驗證了該方案的可行性與高效性。

圖1. 均勻厚度與可變厚度偏移曲面之間的人臉比較案例（a）人臉的隨形曲面表面模型，（b）偏移后的表面模型（b1）可變厚度，（b2）均勻厚度，（c）用于觀測的橫截截面（d）沿著截面A-A,B-B觀測到的結果（d1）可變厚度，（d2）均勻厚度

圖2以薄壁殼體的模型為例展示了方案的效果：從前后角度分別來觀測最終的打印實體，可看出可變厚度曲面打印部件相較于傳統(tǒng)方法明顯具有更高的表面光潔度與更平滑的曲率，展示出可變厚度曲面打印方案的高效性及實用性。

圖2. 薄壁殼體實驗舉例（a）曲面曲率圖, (b)表面法向用RGB編碼的設計圖面,（c）可變厚度曲面的建模,（d）最終打印出的薄壁殼體實體

研究者任務該方案適用于任何薄壁殼體模型的打印，今后將進一步開展復雜的薄壁殼體的應用研究，如航空發(fā)動機中的空心葉片。

參考文獻：
Lufeng Chen, Man-Fai Chung, Yaobin Tian, Ajay Joneja, Kai Tang .Variable-depth curved layer fused deposition modeling of thin-shells. Robotics and Computer Integrated Manufacturing .57(2019)422-434.

供稿人:周貝,連芩
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室