基于FDM的薄壁殼體可變厚度曲面分層技術(shù)的研究

供稿人:周貝,連芩

香港科技大學(xué)機(jī)械與航天航空工程系的科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)曲面分層3D打印技術(shù)開(kāi)展了包括薄壁殼體建模、曲面分層、路徑規(guī)劃等問(wèn)題的研究，提出了一種可變厚度曲面分層技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)⒛Ｐ痛蛴閷?shí)體的過(guò)程中，最小化甚至完全消除其階梯效應(yīng)，為3D打印分層技術(shù)帶來(lái)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(diǎn)通過(guò)特定方式（標(biāo)識(shí)的距離域）進(jìn)行偏移，構(gòu)建新的曲面。由于每個(gè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的距離域都不是恒定不變的，因此構(gòu)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(gòu)出網(wǎng)格曲面，在構(gòu)建的過(guò)程中同時(shí)采用拉普拉斯對(duì)曲面進(jìn)行平滑處理。整個(gè)可變厚度表面的重構(gòu)過(guò)程可以看作是從原始表面向外生成偏移面的過(guò)程。最后，生成打印路徑，并通過(guò)多軸3D打印機(jī)規(guī)劃出整個(gè)打印過(guò)程。研究者通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(cè)的橫截截面（d）沿著截面A-A,B-B觀測(cè)到的結(jié)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(lái)觀測(cè)最終的打印實(shí)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(shí)用性。

圖2. 薄壁殼體實(shí)驗(yàn)舉例（a）曲面曲率圖, (b)表面法向用RGB編碼的設(shè)計(jì)圖面,（c）可變厚度曲面的建模,（d）最終打印出的薄壁殼體實(shí)體

研究者任務(wù)該方案適用于任何薄壁殼體模型的打印，今后將進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)雜的薄壁殼體的應(yīng)用研究，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的空心葉片。

參考文獻(xiàn)：
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(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室