緒論-3D打印的幾何設(shè)計與優(yōu)化的研究

產(chǎn)品逆向設(shè)計——3D打印的幾何設(shè)計與優(yōu)化的研究目錄01.3D打印幾何設(shè)計與優(yōu)化02.3D打印研究問題知識點:3D打印的幾何設(shè)計與優(yōu)化的研究

在3D打印中，3D數(shù)字化模型是前提和基礎(chǔ)，3D打印是結(jié)果，它使3D模型“落地開花”。

但是，在很多情況下，3D模型并不能直接輸出給3D打印機或者打印出來的物體不滿足用戶的需求。這時，就需要經(jīng)過一些幾何建模與處理的方法，將輸入的3D模型進行修正、調(diào)整、處理和優(yōu)化，使其能更好地滿足3D打印的需求，避免打印出的物體無法正常發(fā)揮功能。知識點:3D打印的幾何設(shè)計與優(yōu)化的研究

在計算機圖形學或計算機輔助幾何設(shè)計中，3D建模的主要目的是為造型、渲染或動畫，考慮的是模型的數(shù)學屬性，比如曲面的形狀、連續(xù)性、光滑性、材質(zhì)、變形等性質(zhì)；

而在3D打印中，3D模型輸出的是一個實物模型，更多需要考慮的是實物模型的物理屬性（力學屬性與功能屬性）。因此，傳統(tǒng)的3D建模與處理的手段需要進一步修正和加強，需要在建模的過程中就考慮到輸出實物模型的力學及功能屬性。一方面，模型的數(shù)學屬性影響著其物理屬性；另一方面，對物理屬性的要求影響著數(shù)學屬性的修改，這兩個屬性相互影響，往往在處理和優(yōu)化的過程中需要迭代進行。我們稱之為面向制造的幾何設(shè)計與優(yōu)化。知識點:3D打印的幾何設(shè)計與優(yōu)化的研究1.幾何計算問題：給定一個3D數(shù)字模型，需要離散成三角網(wǎng)格(STL文件)，然后加填充結(jié)構(gòu)、加支撐結(jié)構(gòu)，然后切片計算和路徑規(guī)劃，最后才送到3D打印機，通過G代碼輸出一個實物模型。這個過程是3D打印機的切片引擎軟件的主要工作，中間涉及到大量的幾何計算；

2.打印約束問題：在很多情況下，輸入的3D模型存在著一些問題，并不能直接輸出給3D打印機，比如：3D模型本身的拓撲結(jié)構(gòu)不規(guī)范，無法切片；由于出現(xiàn)懸空部分而打印失??；模型的尺寸太大，超過打印機所能打印的尺寸限制；沒有考慮穩(wěn)定性導致打印出物體無法正常放樣等；知識點:3D打印的幾何設(shè)計與優(yōu)化的研究3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題：由于設(shè)計師缺乏一些設(shè)計經(jīng)驗與力學知識，會導致其設(shè)計結(jié)果因為結(jié)構(gòu)問題不能正常打印或在3D打印后會存在一些結(jié)構(gòu)強度問題。強度不足可能會使3D模型在打印、運輸或日常使用過程中受到破壞。這種問題我們稱其為結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化問題；這時就需要通過力學與物理的仿真計算（有限元方法--FEM）來優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)來滿足需求；知識點:3D打印的幾何設(shè)計與優(yōu)化的研究

4.功能定制問題：定制化是3D打印最大的優(yōu)勢之一，這里催生了大量的研究問題和研究方法。比如，(1)將繪制理論中發(fā)展起來的各種模型和方法應用于3D打印，涉及到打印材料的外觀模擬、測量以及合成優(yōu)化等技術(shù)；(2)面向醫(yī)療、教育、娛樂和時尚等需求的模型定制問題以及面向光影與聲音效果的逆向設(shè)計問題；(3)通過子塊設(shè)計與打印以及通過鉸鏈，滑輪，齒輪，電機等機械裝臵組裝而成的具有特定功能的物