自然界中的一些物体是由多种材料构成的非均质物体,可称为异质实体(HEO),其材料组分在空间分布上相异,如骨骼、牙齿和竹子等各类动植物的结构形式就属于典型的异质实体。近年来,很多研究领域依此设计出异质结构,从而获得性能更优秀的功能件,被广泛应用于宇航工业、机械工程、生物医学等领域。异质零件的发展重点在模型建立、材料制备、生产工艺及性能调控等方面。3D打印技术应用于异质零件的设计和制造,将为异质零件的开发提供新的平台,也是异质零件制造的重要方法。为此对使用3D打印制造异质零件的技术与设备进行简要介绍。

异质零件设计和制造过程中使用多个模型,例如结构模型、材料模型和制造模型等。采用CAD软件设计的三维模型文件因用途不同,模型的格式经常不同,但因需要进行数据交换,所以需要建立数据交换标准。3D打印设备常用的“准标准”文件是STL格式,但STL格式并不完备,比如表面漏洞,表达的只是对象的几何信息,不包含色彩和材料信息,异质零件模型进行三角面片化所得到的传统STL格式文件也比较粗略。针对这些问题,首先介绍多材料3D打印的成形工艺及过程,然后重点阐述异质零件制造的模型及数据格式,最后给出基于STL格式的细化及在细化基础上的四面体模型。

与传统CAD建模不同,异质零件建模时将材料的类型和分布特征作为参数,在模型中进行优化设计。异质零件建模的核心是将几何结构与材料设计结合起来,实现单一材料无法实现的特殊功能。异质零件模型的设计还需要考虑制造需求,与传统模型兼容,使用标准文件格式,最终静态模型可直接用于数字制造。给出了静态模型的设计过程,首先使用常见三维建模数据存储方式的点云数据来存储模型数据;然后设计基于轮廓近似法的结构和材料模型,用不同颜色映射不同材料;最后将材料信息添加到以微四面体为基本单元的模型中,生成异质零件的静态模型。

异质零件建模的核心是将几何结构与材料设计结合起来,使结构特征和材料组成有机整体,直接用于数字化制造。给出基于体素法的结构模型,使用细化后的网格和节点,建立STL模型均匀点云数据集,构建空间微四面体,形成结构模型;依据零件的物理特性和材料分布特征,使用节点间线性插值算法,对细化网格进行材料分布运算,获得不同材料的梯度分布,把材料信息添加到结构模型中,完成模型的设计。

静态建模方法主要适用于结构和材料分布简单的异质零件,某些零件的材料既不是均匀的,也不是基于梯度的,称之为动态异质零件。基于结构和材料的混合模型可用于设计动态异质零件。可以根据材料进行建模,填充微四面体结构内材料,材料可以根据变化特性动态地分布和改变。详细阐述了材料的特征描述、体素表示方法、实体与材料的映射关系以及特征节点的提取,作为建立动态异质零件模型的基础。