基于3d打印的異形建筑幾何建模優(yōu)化研究

基于3d打印的異形建筑幾何建模優(yōu)化研究

3d打印是一種快速合成的技術(shù)。根據(jù)模型文件，將粉末狀或樹脂類結(jié)合材料與層壓板形成一致，形成物體。目前，該技術(shù)在傳統(tǒng)建筑模型中應(yīng)用較廣，能夠精確地打印模型的各層截面，使其結(jié)實堅固13d打印的操作原理分析3D打印始于數(shù)字化幾何建模，它利用三維軟件呈現(xiàn)模型，并通過自適應(yīng)細分將模型切割成片，每層厚度遠小于1mm1.1打印的一般過程高質(zhì)量的3D打印效果通過1套系統(tǒng)性的流程及具體的操作步驟共同完成。主要包括幾何建模、檢測與校對、打印及后期加工4個模塊1.2打印的邊界因素1.2.1最小層厚的要求隨著機架和電子元件的不斷升級，打印頭在x、y、z三軸上的定位精度可以控制在0.05～0.1mm范圍內(nèi)，但是這并不是指能夠直接打印以上尺寸模型，盡管打印機能夠精確定位材料外圍落下的位置，但是材料本身也具備厚度。所以，精度的真正標準應(yīng)該是層厚，也就是z軸精度、噴嘴直徑以及擠出機的綜合能力。目前，大多數(shù)3D打印機能夠?qū)崿F(xiàn)的最小層厚是0.1mm。而PLA、ABS材料的收縮率為0.2%～2%，如果對打印有嚴格的精度要求，就必須在建模層面提前規(guī)劃。1.2.2打印層結(jié)構(gòu)的劃分幾何建模如果不能從3D打印的吻合特點出發(fā)，會導(dǎo)致打印結(jié)果出現(xiàn)難以預(yù)料的錯誤1)懸空:指模型的某一部分的下方是空的，沒有支撐結(jié)構(gòu)，在打印過程中出現(xiàn)打印層松軟或下沉的現(xiàn)象。2)密封:指所建模型必須為連續(xù)、立體、多方位的對象，模型如果存在漏洞、重面會導(dǎo)致管理軟件難以判別模型的內(nèi)外邊界，無法執(zhí)行打印。3)翹角:指因被擠出材料在冷卻時產(chǎn)生略微的收縮卷邊現(xiàn)象，尤其在模型邊角打印時更加明顯。1.2.3印織物的虛實雖然大多數(shù)3D打印材料具備一定韌性，但是由于打印是逐層堆疊的，打印實物并不會像鑄造或機器加工那樣結(jié)實。最明顯的是，同一種材料在模型的不同部位會呈現(xiàn)不同的特性，如相比x軸或y軸方向，模型在z軸上的層間材料在極端負載的情況下，會出現(xiàn)分層及開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致打印失敗。2模方式的影響作為3D打印的輸入文件，幾何建模的建模方式將直接影響著3D打印的質(zhì)量、效率以及材料的使用量。尤其對于異形建筑模型而言，因為曲面程度高且多為非規(guī)則形態(tài)2.1蒙皮織物組織異形建筑的蒙皮是建筑的外立面，也是視覺認知的重要組成部分。蒙皮的建模能夠完善，可以標志著建筑主體特征的確立。因此，對建筑蒙皮的處理是建模優(yōu)化的首要任務(wù)，需要使模型能夠角點閉合、法線正確、面片光滑。以某建筑模型為例，通過以下3個步驟實現(xiàn)優(yōu)化:1)建立初始Box，按照1/100的打印尺寸，設(shè)置外形尺寸為240mm(長)×120mm(寬)×28mm(高)。以單面建模的方式對蒙皮進行背面消隱并分配基本段數(shù)，段數(shù)在建模初期不宜過多，能滿足主要體塊的建立即可，之后利用Ploygon多邊形編輯下的擠出、插入、延伸配合x、y、z坐標軸進行造型塑造，將蒙皮主體結(jié)構(gòu)創(chuàng)建完善(如圖2)。2)深化蒙皮，通過多邊形編輯下的連接、切割等功能對模型加線，同時按照建筑的結(jié)構(gòu)走向布線，以四邊形面片呈現(xiàn)，使網(wǎng)格控點能夠靈活調(diào)整。在布線過程中，針對結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折的區(qū)域應(yīng)重點布線加強細節(jié)，針對面片平坦的區(qū)域應(yīng)使布線間距稀疏均勻(如圖3)。3)蒙皮確立后，對模型進行塌陷或面片合并，減少模型的非有效段數(shù)，對相交角點進行焊接，使其閉合。利用FFD曲面控制器對模型的轉(zhuǎn)折進行修整，以求用較少的面片數(shù)實現(xiàn)較生動自然的轉(zhuǎn)折效果，再通過NURMS網(wǎng)格平滑對模型進行迭代細分，強化模型面片的平順過渡(如圖4)。由于所創(chuàng)建的蒙皮為封閉模型，在3D打印時會自動默認為實心幾何體，通過蜂窩狀等規(guī)則的支撐結(jié)構(gòu)對模型內(nèi)部進行填充，導(dǎo)致材料消耗較多。因此，理想的處理方式是在蒙皮創(chuàng)建后，利用面片偏移進行殼化處理，使其內(nèi)部為空心狀且具備厚度，這樣在確保特定物理性能的前提下也能減少材料的使用量。2.2維盤形編輯建筑構(gòu)件主要包括除建筑主體外需要單獨創(chuàng)建的模型，如門、窗、欄桿、臺階等局部造型。這些造型體量小且與建筑主體相互銜接，在優(yōu)化時需要綜合考慮2個問題，分別是構(gòu)件單體的建模優(yōu)化方法以及構(gòu)件與建筑主體之間銜接方式。首先，對構(gòu)件的建模優(yōu)化方法以某窗戶為例，窗框采用80mm立方的常規(guī)建筑型材，按照1/100比例計算型材的打印尺寸為0.8mm，小于打印層厚1.0mm的要求，因此將窗框的長、寬、高放大至1.0mm以上，利用Spline樣條線編輯對二維線組成的窗框圖形進行附加，結(jié)合修剪功能去除幾何圖形的交錯部分，焊接各角點并將其整體放樣成三維模型，最后在多邊形編輯下以布線的方式增加玻璃面片，形成最終模型(如圖5)。這種利用截面一次成型再做調(diào)整的處理手段，能夠使模型連貫、整體，同時也極大地減少因角點重復(fù)計算所形成的各類冗余數(shù)據(jù)。其次，對構(gòu)件與建筑主體的銜接，應(yīng)盡量采用模型交集聯(lián)立的方式進行建模，刪除因遮擋關(guān)系存在的各類重合面片，創(chuàng)建面片之間彼此共用的轉(zhuǎn)折線段，避免構(gòu)件與建筑主體在銜接時出現(xiàn)面片開口現(xiàn)象，也使3D打印管理軟件能夠正確判定模型的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折關(guān)系。2.3打印層滑動變化的幾何拆分當模型的尺寸超出打印平臺的尺寸限制或模型因大量懸空結(jié)構(gòu)出現(xiàn)打印層松軟下沉的現(xiàn)象，應(yīng)及時對模型進行幾何拆分。拆分方法可以依據(jù)異形建筑的結(jié)構(gòu)特點靈活處理，在應(yīng)用中既要利于拆分后的模型能夠準確拼裝，同時也要克服3D打印的各種物理約束。2.3.1d機構(gòu)打印首先，按照3D打印機成型空間對模型進行拆分，應(yīng)注意拆分后的模型與3D打印機內(nèi)部空間的3個維度能夠留有一定余地，使打印成型后的模型方便取出。其次，異形建筑表面相對光滑，在拆分時盡量選擇模型外立面有垂直或水平轉(zhuǎn)折的部位，使后期拼裝的接縫不會影響到模型的整體效果。2.3.2墻體連梁模型為了減少材料的使用量，通常會將異形建筑的內(nèi)部設(shè)計為空心狀，在拼裝時極易出現(xiàn)變形現(xiàn)象。為了解決這個問題，需要在拼裝部位設(shè)計一套能夠提高強度的連接構(gòu)件，使拼裝過程更加緊密與連貫。以某建筑模型為例，在墻體之間構(gòu)建方形連梁，同時在連梁上設(shè)計丁字形凹槽，利用若干工字形連接件對模型進行拼裝。墻體之間的連梁不僅需要有水平方向的連接凹槽，同時也應(yīng)具備垂直方向的凹槽(如圖6)，確保各維度上的強度。此外，也應(yīng)對拼裝部位預(yù)留0.2～0.4mm的容差，使其有一定可活動間隙進行拼裝。另一值得關(guān)注的問題是有斜邊的模型相對于噴嘴的擺放方向。每當噴嘴添加新1層材料時，會在力的作用下形成壓力波，并與朝向噴嘴方向的傾斜處相互作用(如圖7)?；诖?，有效的解決方法是將模型與噴嘴形成一定的角度，使壓力波僅沿著傾斜角度沖擊部件，以降低模型變形的可能性。2.3.3規(guī)避材料用量造成的負擔(dān)當模型有水平角度大于45°的斜邊時，打印機會在懸空區(qū)域自動添加外部支撐，以防止打印材料下墜。但是，過多的支撐不僅會嚴重影響3D打印的實際效率，還會給后期加工的精度及材料的使用量造成負擔(dān)。為此，對造型獨特的異形建筑而言，應(yīng)更加注重對支撐材料的合理規(guī)避，可以通過3種方式進行優(yōu)化:1)調(diào)整角度，在模型的轉(zhuǎn)角懸空部分，通過多邊形下的切角修改模型，使轉(zhuǎn)折關(guān)系能夠過渡，避免形成45°角(如圖8)。2)利用子面層級中的切片，沿z軸在模型豎向和水平銜接處進行切割，并設(shè)計好豎向和水平部件的拼裝方式。這樣，隨著模型的高度降低，相應(yīng)的支撐數(shù)量也會隨之減少(如圖9)。3)探究擺放規(guī)律，即通過將拆分的模型旋轉(zhuǎn)合適的角度，使其有斜邊的面不與打印平臺的法線朝向相互對立，從而巧妙地規(guī)避支撐并確保打印精度(如圖10)。3成品打印效果分析針對第2章2.1小節(jié)中的異形建筑模型，對幾何建模進行綜合優(yōu)化，并按照相應(yīng)的工作流程實現(xiàn)3D打印成品模型(如圖11、12)，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)成品模型整體打印效果良好，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折過渡自然，拼裝接縫較隱蔽，局部細節(jié)精致，模型面片也沒有出現(xiàn)明顯的打印錯誤。通過3D打印實驗測試，可以得出建模優(yōu)化后的3D打印成品模型，無論在面片數(shù)、打印時間、精度以及材料的消耗方面都比優(yōu)化前的3D打印數(shù)據(jù)更加理想，相關(guān)測試記錄可見表1。4打印優(yōu)化方式異