面向节材3D打印的可重构家具设计与模型结构优化

发布时间：2020-07-06 09:56

【摘要】：近年来,3D打印技术作为一种新型的制造工艺越来越广泛的应用于包括家具制造、建筑设计、医疗器械等在内的各行各业。其层层打印、逐层叠加原材料的技术特点使得其能轻易制造出各种复杂的形状,这是传统制造技术所不能比拟的。此外,3D打印技术还具有技能门槛低、制造成本与模型复杂度无关的突出优点。然而,3D打印技术仍然面临着一些亟待解决的问题,这其中,材料成本居高不下的问题很大程度上制约了此技术的进一步发展,受到了学术界的广泛关注。在上述背景下,本文分别从计算设计和结构优化的角度出发,给出两种节省打印材料的方法。首先,从计算设计的角度出发,本文给出一种可重构自锁家具的计算设计方案。此方案可以根据给定的一组家具设计形态生成对应的公共部件,并基于实际使用场景,将这组公共部件组装成对应的自锁家具进行使用。这一方面通过部件重用的方式节约了材料的消耗,另一方面生成的家具部件可以方便的组装、拆卸和存储。此方案主要做了如下工作:1)利用动态二部图模型对给定的一组设计模型进行协同分解,得到一组可重复使用的公共部件;2)提出一种半连接头连接图来对多个设计模型的部件之间的连接情况进行建模;3)提出后向自锁建模、多钥自锁建模这两种新的自锁结构构造方案;4)提出在多个组装结构上布置兼容连接头形成自锁结构的同步构造方案。实验证明,应用本方案可以高效地设计出不同类型、不同复杂程度的可重构自锁家具模型,有效降低了材料消耗。其次,从结构优化的角度出发,本文给出一种基于应力分布的壳模型构造与优化方案。此方案基于模型的应力分布情况迭代的构造出不改变模型外观、满足一定强度约束的非均匀厚度壳模型,大幅减少模型的打印体积,进而有效地节约打印成本。此方案主要做了如下工作:1)基于模型的体素化表示构造出有向距离场,并提取出均匀厚度的壳模型;2)获取壳模型的应力分布,基于应力分布情况自适应的向外扩张内表面;3)通过辅助用户分割模型、自动构造连接结构、同步进行壳模型的优化来支持对大物体的节材优化。实验结果表明,本方案生成的壳模型体积为输入模型的1 7.2%～24.4%,大幅减少了打印体积。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.73;TS664.01
【图文】：

相关研究,结构设计,家具,变换顺序

逦第１章绪邋论逦逡逑中各个模块间碰撞情况，最后得到无碰撞且对模型修改较少的可折叠家具。Ｇａｒｇ逡逑等［５１开发了一个交互式设计系统，该系统可以实时检测到部件碰撞并辅助用户逡逑可视化编辑家具各部分之间的变换顺序和方式，可以使得单个家具（如长椅）可逡逑以根据需要重构成具有不同功能的结构。逦逦逡逑

自锁,结构设计,节材,设计构造

逦［Ｌｉｕ邋ｅｔ邋ａｌ邋２０１５］逦［Ｋａｌｏｊａｎｏｖｅｔ邋ａｌ．邋２０１６］逡逑图１．２可重用部件或子结构的相关研宄逡逑体的节材打印，其作为内部支撑框架的内部结构便是由２Ｄ激光切割制成的部件逡逑以自锁的方式连接而成的凸多面体。Ｚｈａｎｇ和ＢａｌｋｃｏｍｔＷ设计构造了一个类体逡逑素的自锁立方体组，其实例可以逐层连接组成各种体素化形状。Ｙａｏ等［１９］为家逡逑具设计构造装饰性的连接头，其中部分连接头之间构成了自锁结构以增强稳定逡逑性。逡逑ｍｍｍ逡逑［Ｘｉｎｅｔ邋ａｌ邋２０１１］逦［Ｓｏｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ邋２０１２］逦［Ｓｋｏｕｒａｓ邋ｅｔ邋ａｌ邋２０１５］逡逑［Ｆｕ邋ａｎｄ邋Ｓｏｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ邋２０１５］逦［Ｓｏｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ邋２０１６］逦［Ｙａｏ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１７］逡逑图１．３自锁结构设计的相关研宄逡逑１．２．２面向３Ｄ打印的结构优化逡逑如前文所述，３Ｄ打印技术还面临着一些技术难题需要解决，这其中的结构逡逑优化问题作为其中与计算机图形学联系最为紧密的部分，而结构优化又分为节逡逑材优化、强度优化等方面。逡逑节材优化。在节材优化方面，相关研究多采用一些特定的结构型式来进行模逡逑型的内部填充，将原本的实心模型转换为具有稀疏空间结构的模型，以减少材料逡逑的消耗

面向节材3D打印的可重构家具设计与模型结构优化

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【参考文献】