基于FDM的薄壁壳体可变厚度曲面分层技术的研究

供稿人:周贝,连芩

香港科技大学机械与航天航空工程系的科研团队针对曲面分层3D打印技术开展了包括薄壁壳体建模、曲面分层、路径规划等问题的研究，提出了一种可变厚度曲面分层技术。该技术能够将模型打印为实体的过程中，最小化甚至完全消除其阶梯效应，为3D打印分层技术带来了创新性的新方向。如图1，研究者提出将随形薄壁壳体的原始曲面上的点通过特定方式（标识的距离域）进行偏移，构建新的曲面。由于每个点标识的距离域都不是恒定不变的，因此构建出的偏移随形曲面（双轮廓法）是可变厚度的。然后据此重构出网格曲面，在构建的过程中同时采用拉普拉斯对曲面进行平滑处理。整个可变厚度表面的重构过程可以看作是从原始表面向外生成偏移面的过程。最后，生成打印路径，并通过多轴3D打印机规划出整个打印过程。研究者通过大量的实验验证了该方案的可行性与高效性。

图1. 均匀厚度与可变厚度偏移曲面之间的人脸比较案例（a）人脸的随形曲面表面模型，（b）偏移后的表面模型（b1）可变厚度，（b2）均匀厚度，（c）用于观测的横截截面（d）沿着截面A-A,B-B观测到的结果（d1）可变厚度，（d2）均匀厚度

图2以薄壁壳体的模型为例展示了方案的效果：从前后角度分别来观测最终的打印实体，可看出可变厚度曲面打印部件相较于传统方法明显具有更高的表面光洁度与更平滑的曲率，展示出可变厚度曲面打印方案的高效性及实用性。

图2. 薄壁壳体实验举例（a）曲面曲率图, (b)表面法向用RGB编码的设计图面,（c）可变厚度曲面的建模,（d）最终打印出的薄壁壳体实体

研究者任务该方案适用于任何薄壁壳体模型的打印，今后将进一步开展复杂的薄壁壳体的应用研究，如航空发动机中的空心叶片。

参考文献：
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:周贝,连芩
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室