面向运动学机构的一体化3D打印方法及系统

面向运动学机构的一体化3d打印方法及系统
技术领域
1.本发明属于3d打印技术领域，涉及一种面向运动学机构的一体化3d打印方法及系统。


背景技术：

2.3d打印作为一种快速原型技术，通常可制造出难以物理修改的物体或实体模型。然而，现有的3d打印策略难以制造多零件的运动机构。一方面，传统的多步骤制造流程需要环环相扣的装配过程，耗时耗力且打印误差极易导致装配发生错误；另一方面，现有的一体化打印中，打印支撑会填满所有内部预留空隙导致机械运动阻碍。因此，有必要提供一种更为优化的面向运动学机构的一体化3d打印方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种面向运动学机构的一体化3d打印方法及系统。该方法通过特殊路径控制的拱形打印结构和桥联支撑结构，允许使用一步式桌面级fdm式3d打印机生产运动学机构，无需额外的后期处理和组装过程。采用本发明的方法可大大减少了打印时间、打印料消耗和额外的人力成本。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.面向运动学机构的一体化3d打印方法，包括软件生成和实际生产两部分，所述的软件生成用于对含运动学机构的模型进行分析以确定需要辅助打印的位置，并在所述需辅助打印的位置添加桥联支撑结构或采用拱形打印结构，生成可直接用于打印的g代码文件；所述的实际生产包括根据g代码文件进行3d打印，得到初步模型，初步模型中含有桥联支撑结构或采用拱形打印实现的结构，将桥联支撑结构扯断，即得到含运动学机构的打印件，完成成品制作。
6.上述技术方案中，进一步地，所述的软件生成包括：
7.输入模型：用户输入任意虚拟实体模型作为基础；根据所需的形变位置及动作要求在虚拟实体模型上设定运动学机构部位；
8.模型设置：将获得的模型简化为四边形网格，之后由用户调整运动学机构的运动方式和运动学机构的运动范围，调控运动学机构中各零件间的间隙范围，由于打印机的精度有限，通常可以将间隙宽度设置为0.2-0.4mm，以避免打印过程中产生粘连，并预览完成的模型；
9.模型分析：分析所获得的模型，对于在实际打印时附着在3d打印平台上的部件，直接采用常规3d打印方式，对于在实际打印时未附着在3d打印平台上的部件，确定其上需要辅助打印的位置以及辅助打印的方式，所述辅助打印的方式包括添加桥联支撑结构或采用拱形打印结构。
10.进一步地，对于在实际打印时未附着在3d打印平台上的部件，确定需要辅助打印的位置以及辅助打印的方式，具体包括：分析所述部件的各网格面，若网格面的法向量与竖
直向下方向接近，且夹角小于第一预设值，则该网格面位置可采用添加桥联支撑结构的辅助打印方式，通常第一预设值可以设定为52
°
；若所述部件的悬空结构部分底面法向量为竖直方向，则所述悬空结构部分可采用拱形打印结构的辅助打印方式，尤其是当所述悬空结构部分的长度较长如超过5cm时应采用拱形打印结构辅助打印，以减少打印丝的下垂避免打印后悬空结构部分变形。
11.进一步地，所述添加桥联支撑结构，具体包括：在所述网格面位置添加“桥状”的桥联支撑结构，且在实际打印时桥联支撑结构的两端均需设在已打印的部件上，将所述网格面所属部件架起。
12.进一步地，所述添加桥联支撑结构，还包括：对于所述网格面所属部件由下向上沿水平方向切片，高度每增加第二预设值，则在对应切片的几何体中心方向再添加一“桥状”的桥联支撑结构，且在实际打印时桥联支撑结构的两端均需设在已打印的部件上，通常第二预设值可以设定为2cm。
13.进一步地，所述采用拱形打印结构，具体包括：对所述悬空结构部分由下向上沿水平方向切片，将最下方切片采用拱形替代，向上每层切片的拱形曲率逐层递减，直至如4-6层后最上方切片为水平结构。
14.进一步地，所述最下方切片采用拱形替代，其拱形曲线为：
[0015][0016]
其中以切片长度方向为x方向，以向上方向为z方向，x为x方向坐标，z(x)为z方向高度，r为拱高，s为跨度，l
p
为拱形结构两侧水平连接段的x方向宽度。
[0017]
进一步地，所述g代码文件的生成方法包括如下：采用常规3d打印方式打印所述虚拟实体模型，生成原g代码文件，将所添加的桥联支撑结构或采用拱形打印结构部分的g代码替换或插入原g代码文件中，将两种打印方式的g代码编织在一起，获得可直接打印的g代码文件。
[0018]
进一步地，所述桥联支撑结构的打印参数为：pla材料，单位长度挤出倍率为1.2，打印速度为20mm/s，以保证桥联支撑结构的韧性和支撑力。
[0019]
一种面向运动学机构的一体化3d打印系统，所述系统用于实现如上所述方法中所述的软件生成部分。
[0020]
本发明的有益效果是：
[0021]
本发明所提供的方法及系统不仅可以简化运动机械结构的制造流程，减少打印时间和认知成本，还可以集成多种变形动作、多稳态控制和连续创造的逆向设计方式。既可以更快更有效地完成制造过程，同时能够生产具有不同变形方式和稳态控制的复杂运动结构。此外，本方法通过桥联支撑代替传统支撑结构，使得桥联支撑易拆除且不会影响运动；通过拱形打印方式避免长距离悬挂结构下垂。通过对打印参数的系统实验，我们证明了采用本发明方法3d打印拱形桥联结构的可能性，以及桥联支撑的强度和可拆卸性。
附图说明
[0022]
图1为本发明中软件生成部分模型设置的流程示意图；
[0023]
图2为本发明中软件生成部分模型分析的示意图；
[0024]
图3为本发明的桥联支撑方法(下)与传统支撑方法(上)的对比图；
[0025]
图4为拱形打印曲线描述的示意图；
[0026]
图5为本发明的拱形打印方法(下)与传统支撑方法(上)的对比图；
[0027]
图6为采用本发明方法打印三种单自由度形变结构的示意图；
[0028]
图7为采用本发明方法打印两种多稳态结构的示意图；
[0029]
图8为采用本发明方法打印延展性结构的示意图；
[0030]
图9为采用本发明方法打印一个玩具刺猬的示意图；
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0032]
本发明的面向运动学机构的一体化3d打印方法，包括软件生成和实际生产两部分，所述的软件生成用于对含运动学机构的模型进行分析以确定需要辅助打印的位置，并在所述需辅助打印的位置添加桥联支撑结构或采用拱形打印结构，生成可直接用于打印的g代码文件；所述的实际生产包括根据g代码文件进行3d打印，得到初步模型，初步模型中含有桥联支撑结构或采用拱形打印实现的结构，将桥联支撑结构拆除即得到含运动学机构的打印件，完成打印。
[0033]
具体的：
[0034]
所述的软件生成部分(如图1所示)包括：
[0035]
输入模型：用户输入任意虚拟实体模型作为基础；根据所需的形变位置及动作要求在虚拟实体模型上设定运动学机构部位；
[0036]
模型设置：将模型简化为四边形网格，之后由用户调整运动学机构的运动方式和运动学机构的运动范围，调控运动学机构中各零件间的间隙范围，并预览完成的模型；如图1中，用户输入了虚拟恐龙模型，通过对恐龙脖子部位的选择控制机械结构的生成位置，并通过拉伸长度和方向选择完成最后的打印模型；本发明软件生成部分中也可以含有diy设计部分，
[0037]
对于有经验的用户，提供后续或全过程的diy设计，以实现更复杂、更为定制化的运动。为了确保所设计的组件是可打印的，diy设计中需要满足以下条件：
[0038]
对于未附着在平台上的部件，
[0039]
p1组件的大部分应位于外壳或其他部件之间；
[0040]
p2其一半以上的底部应与打印平台平行，其余部分的角度应大于35度；
[0041]
p3壁厚不应小于1.5毫米；
[0042]
对于大跨度的悬挂结构，
[0043]
p4确保结构的底部与打印床平行；
[0044]
p5避免在悬挂物中加入复杂的形状，如拐角；
[0045]
p6不要超过10cm的长度。
[0046]
模型分析：分析所获得的模型，对于在实际打印时附着在3d打印平台上的部件，直
接采用常规3d打印方式，对于在实际打印时未附着在3d打印平台上的部件，确定其上需要辅助打印的位置以及辅助打印的方式，所述辅助打印的方式包括添加桥联支撑结构或采用拱形打印结构。如图2所示，该模型中包括两个部件，其中下方部件底部附着在3d打印平台上，该部件直接采用常规3d打印即可，对于上方部件其底部未附着在平台上，其可能需要辅助打印。
[0047]
分析所述部件的各网格面，若网格面位于所述部件的底面，或所述网格面位于所述部件的悬空结构部分底面，且其法向量与竖直方向存在夹角，同时夹角小于第一预设值，则该网格面位置可采用添加桥联支撑结构的辅助打印方式，通常第一预设值可以设定为52
°
；如图2中b所示，所述上方部件的底面部分即需要添加桥联支撑结构；若所述部件的悬空结构部分底面法向量为竖直方向，则所述悬空结构部分可采用拱形打印结构的辅助打印方式，尤其是当所述悬空结构部分的长度较长如超过5cm时应采用拱形打印结构辅助打印，以减少打印丝的下垂避免打印后悬空结构部分变形；如图2中b所示部件的上方悬空结构部分，可采用拱形打印结构。
[0048]
所述添加桥联支撑结构，具体包括：在所述网格面位置添加“桥状”的桥联支撑结构，且在实际打印时桥联支撑结构的两端均需设在已打印的部件上，将所述网格面所属部件架起，使得底层具有较强的支撑力。还可包括：对于所述网格面所属部件由下向上沿水平方向切片，高度每增加第二预设值，则在对应切片的几何体中心方向再添加一“桥状”的桥联支撑结构，且在实际打印时桥联支撑结构的两端均需设在已打印的部件上，以防止物体在打印过程中摇晃，通常第二预设值可以设定为2cm。如图2中c所示，展示了所添加的桥联支撑结构。
[0049]
通常桥联支撑结构的打印参数可以设置为：pla材料，单位长度挤出倍率为1.2，打印速度为20mm/s，以保证桥联支撑结构的韧性和支撑力。根据我们的制造经验，每个桥联支撑结构可以承受约6克的重量，由此可计算得到所需桥联支撑结构的数量，除去底层和防止晃动向中心添加的桥联支撑结构，剩下数量的桥联支撑结构可以均添加在部件底部，以确保部件可以完好打印。
[0050]
如图3所示，桥联支撑结构的主要目的是：代替在机构缝隙中出现的难以拆除的传统支撑。在传统的逐层打印策略中，没有附着在平台上的悬空组件需要自下而上的支撑结构(如图3中b所示)。这些支撑对于可动性来说是致命的，因为它们在封闭或半封闭的空间内不能被移除(如图3中b3所示)。在上述情况下，可以利用本发明的桥联支撑结构或拱形打印的长丝作为支持的替代物。具体而言，例如通过将几个桥联支撑结构的长丝连接到墙上(如图3中c2所示)，中间部件第一层即可以在它们上面进行打印。
[0051]
为满足实际打印和制造的需求，并符合g代码的生成逻辑，桥联支撑结构的生成需要满足以下五个原则：
[0052]
p1.自下而上、逐层的打印顺序，不与现有g代码产生冲突。
[0053]
p2.桥联支撑的两端必须落在已有的竖直面或打印物上。
[0054]
p3.提供足够的强度以支撑上方物体的负载。
[0055]
p4.非线性排列，以避免上方物体在打印过程中受打印头影响而晃动，从而影响质量。
[0056]
p5.尽可能少量地生成桥联支撑结构，便于打印完成后去除。
[0057]
p1允许该方法生成的打印文件与传统打印机兼容，p2和p3确保生成物体可以正常打印。p4、p5满足了用户对高质量制造的要求，并将人工的后期工作降至最低。
[0058]
所述采用拱形打印结构，具体包括：对所述悬空结构部分由下向上沿水平方向切片，将最下方切片采用拱形替代，向上每层切片的拱形曲率逐层递减直至最上方切片为水平结构。
[0059]
采用相关函数描述拱形曲线。如图4所示的坐标系中，拱形结构在x方向上的长度称为跨度，在z方向上的高度称为拱高。通过实际测试，arctan函数因其相对平滑和稳定的曲率，可以获得较好的打印效果，因此可通过如下函数描述拱形曲线：
[0060][0061]
其中r为拱高，s为跨度，l
p
为拱形结构两侧桥柱的宽度。除了拱形函数之外，拱形层数、跨度、拱高也是影响打印质量的重要因素。经过实际实验测试，4-6层拱形、4厘米跨度、0.8-1.0毫米拱高可以获得最符合预期的打印效果。在完成第一层拱形打印之后，每层拱形的曲率逐层递减，4-6层后重新变为正常水平桥联打印。
[0062]
采用常规3d打印方式打印所述虚拟实体模型，生成原g代码文件，将所添加的桥联支撑结构或采用拱形打印结构部分的g代码替换或插入原g代码文件中，将两种打印方式的g代码编织在一起，获得可直接打印的g代码文件。实际生产直接根据所得到的g代码文件进行3d打印，得到初步模型，初步模型中含有桥联支撑结构或采用拱形打印实现的结构，将桥联支撑结构拆除即得到含运动学机构的打印件，完成打印。
[0063]
如图5所示，拱形打印的主要目的是：避免长距离桥联打印下沉，防止其阻碍机构运动。传统的fdm式3d打印在两端已有打印物支撑的情况下，允许打印丝料在短距离内抵抗重力作用，完成悬空的桥联打印。然而，桥联打印在距离上受到严格限制。如图5中a所示，使用标准打印方法打印50mm长的桥，将导致1.7mm的下沉，使得该滑动机构无法正常工作。因此，在组装状态下打印有滑动运动的部件，很有可能出现功能受阻的情况。而本发明提出的拱形打印方法，垂直起伏的打印路径允许打印长丝在下沉过程中冷却和凝固，减小了重力造成的影响。图5中b展示了拱形打印方法打印滑动机构的效果，可见最终50mm长的桥并无下沉，该机构可正常工作。图5中d展示了一个80mm长桥的拱形打印结果与传统桥联方法(图5中c)的对比效果。
[0064]
上述仅为本发明的部分实施例，实际上，本发明中所涉及的桥联支撑结构及拱形打印结构可以根据实际打印需求设置在任何想要辅助打印的位置，且桥联支撑结构及拱形打印结构可以灵活结合或选择，因此，采用本发明方法可以生产具有不同变形方式和稳态控制的复杂运动结构，根据本发明的部分实施例，有：
[0065]
采用本发明的方法可以打印单自由度形变结构，如图6所示，以旋转、滑动、螺旋三种经典的运动单元为例，拱形打印可以避免两个部件连接处的悬挂结构下垂，从而打印出水平和整齐的间隙，实现平滑的运动。除此之外，使用桥联支撑和拱形打印还可实现多稳态结构的一体化打印，如图7所示，利用旋转和滑动运动的多稳态性，将其整合到参数化设计系统中。图7中a所示结构中的轴孔为一多边形柱状结构，稳态的数量由多边形的边数决定；
图7中b所示的凸起被用来控制滑动运动，当滑动件滑动至凸起上方时，凸起被压低占据下方空隙从而减少磨损，提高了稳定性，增加了关节的使用寿命。对于大尺寸结构而言，一体化打印通过将多个单元集成来突破打印机平台的尺寸限制。如图8所示，采用本发明打印的长方体中集成了一个双轨结构，扩大了基本滑动单元的形变范围。
[0066]
下面以图9所示的玩具刺猬为例，其带刺的压缩结构原型制作包括以下步骤：
[0067]
1.输入模型：用户输入带刺的刺猬模型；
[0068]
2.模型设置：将模型简化为四边形网格，将刺猬整体划分为身体、刺等多个含
[0069]
运动学机构的部分，调整各运动学机构各零件间隙和运动结构的运动范围；3.模型分析：分析模型的连接部分，使用桥联支撑结构来支撑每根刺，使用拱
[0070]
形结构优化链接杆件，防止它们在打印过程中与刺粘连；
[0071]
4.g-code生成：计算所需的桥联支撑数量和拱形层数，生成桥联支撑和拱形结构打印的g代码；
[0072]
5.g-code整合：切片获得原输入模型的g代码，将软件生成的桥联支撑和拱形结构打印的g代码替换或插入原g代码中对应的位置；
[0073]
6.制造：用常见的3d打印机进行堆叠打印，如图9b；
[0074]
7.手动变形：手动模仿刺猬受到惊吓时的行为，身体的滑动运动使其头部缩回，所有的刺都竖起来，呈防御姿态(图9c、9d)。

技术特征：
1.面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述方法包括软件生成和实际生产两部分，所述的软件生成用于对含运动学机构的模型进行分析以确定需要辅助打印的位置，并在所述需辅助打印的位置添加桥联支撑结构或采用拱形打印结构，生成可直接用于打印的g代码文件；所述的实际生产包括根据g代码文件进行3d打印，得到初步模型，初步模型中含有桥联支撑结构或采用拱形打印实现的结构，将桥联支撑结构拆除即得到含运动学机构的打印件，完成打印。2.根据权利要求1所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述的软件生成包括：输入模型：用户输入任意虚拟实体模型作为基础；根据所需的形变位置及动作要求在虚拟实体模型上设定运动学机构部位；模型设置：将获得的模型简化为四边形网格，之后由用户调整运动学机构的运动方式和运动学机构的运动范围，调控运动学机构中各零件间的间隙范围，并预览完成的模型；模型分析：分析所获得的模型，对于在实际打印时附着在3d打印平台上的部件，直接采用常规3d打印方式，对于在实际打印时未附着在3d打印平台上的部件，确定其上需要辅助打印的位置以及辅助打印的方式，所述辅助打印的方式包括添加桥联支撑结构或采用拱形打印结构。3.根据权利要求2所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，对于在实际打印时未附着在3d打印平台上的部件，确定需要辅助打印的位置以及辅助打印的方式，具体包括：分析所述部件的各网格面，若网格面的法向量与竖直向下方向接近，且夹角小于第一预设值，则该网格面位置可采用添加桥联支撑结构的辅助打印方式，若所述部件的悬空结构部分底面法向量为竖直方向，则所述悬空结构部分可采用拱形打印结构的辅助打印方式。4.根据权利要求3所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述添加桥联支撑结构，具体包括：在所述网格面位置添加“桥状”的桥联支撑结构，且在实际打印时桥联支撑结构的两端均需设在已打印的部件上，将所述网格面所属部件架起。5.根据权利要求4所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述添加桥联支撑结构，还包括：对于所述网格面所属部件由下向上沿水平方向切片，高度每增加第二预设值，则在对应切片的几何体中心方向再添加一“桥状”的桥联支撑结构，且在实际打印时桥联支撑结构的两端均需设在已打印的部件上。6.根据权利要求3所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述采用拱形打印结构，具体包括：对所述悬空结构部分由下向上沿水平方向切片，将最下方切片采用拱形替代，向上每层切片的拱形曲率逐层递减直至最上方切片为水平结构。7.根据权利要求6所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述最下方切片采用拱形替代，其拱形曲线为：其中以切片长度方向为x方向，以向上方向为z方向，x为x方向坐标，z(x)为z方向高度，
r为拱高，s为跨度，l
p
为拱形结构两侧水平连接段的x方向宽度。8.根据权利要求1所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述g代码文件的生成方法包括如下：采用常规3d打印方式打印所述虚拟实体模型，生成原g代码文件，将所添加的桥联支撑结构或采用拱形打印结构部分的g代码替换或插入原g代码文件中，将两种打印方式的g代码编织在一起，获得可直接打印的g代码文件。9.根据权利要求1所述的面向运动学机构的一体化3d打印方法，其特征在于，所述桥联支撑结构的打印参数为：pla材料，单位长度挤出倍率为1.2，打印速度为20mm/s。10.一种面向运动学机构的一体化3d打印系统，其特征在于，所述系统用于实现如权利要求1-9任一项所述方法中所述的软件生成部分。

技术总结
本发明公开了一种面向运动学机构的一体化3D打印方法及系统，所述方法包括软件生成和实际生产两部分，软件生成用于对含运动学机构的模型进行分析以确定需要辅助打印的位置，并在所述需辅助打印的位置添加桥联支撑结构或采用拱形打印结构，生成可直接用于打印的G代码文件；实际生产包括根据G代码文件进行3D打印，得到初步模型，将桥联支撑结构拆除即得到含运动学机构的打印件。本方法通过桥联支撑结构代替传统支撑结构，易拆除且不会影响机构运动；通过拱形打印方式避免长距离悬挂结构下垂，避免在打印过程中结构互相粘连。本方法不仅可简化制造流程，减少手动组装、支撑拆除和总体打印的时间，同时能生产具有不同变形方式和稳态控制的复杂运动结构。和稳态控制的复杂运动结构。和稳态控制的复杂运动结构。


技术研发人员：郦家骥 赵艺钧 姬俊哲 厉铭明 王冠云 陶冶
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/25