1、增材制造技術(shù) 第6章 增材制造的主要研究方向增材制造技術(shù) 第6章 增材制造的主要研究方向增材制造的幾何設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)計(jì)算工具制造工藝本章重點(diǎn)本章重難點(diǎn)本章難點(diǎn)增材制造的幾何設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)增材制造的幾何設(shè)計(jì)本章重點(diǎn)本章重難點(diǎn)本章難點(diǎn)增材制造的幾何設(shè)12材料設(shè)計(jì)計(jì)算工具增材制造的幾何設(shè)計(jì)34制造工藝12材料設(shè)計(jì)計(jì)算工具增材制造的幾何設(shè)計(jì)34制造工藝 對(duì)于3D模型的表示方法一直是增材制造的重要研究方向之一，由于現(xiàn)階段的表示方法存在失真的缺陷，研究更為準(zhǔn)確及結(jié)構(gòu)簡單的表示模型一直是近年來的熱門研究方向。 基于邊界表示（B-rep）的實(shí)體建模 對(duì)于基于B-rep實(shí)體建模的AM技術(shù)，一個(gè)突出挑戰(zhàn)是數(shù)值穩(wěn)定性的

2、問題，具體來說，就是如何以可靠的方式使用近似算法來計(jì)算模型（或模型和切片平面）之間的交集。目前，主流AM產(chǎn)品采用STL文件格式來表示模型，但是這種方式可能在計(jì)算過程中產(chǎn)生數(shù)值誤差。 基于體素表示的實(shí)體建模 實(shí)體模型的最基本的體積表示法是基于體素表示。體素表示可以直接從CT或MRI的體積圖像中獲得，因此在醫(yī)療領(lǐng)域這種方法有十分廣泛的應(yīng)用。但是，基于體素表示仍有缺陷，一個(gè)主要問題是其巨大的存儲(chǔ)消耗，因此一些研究方法只能夠在本地計(jì)算中進(jìn)行。6.1.1 3D模型的多重表示6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì) 對(duì)于3D模型的表示方法一直是增材6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì) 現(xiàn)階段較好的替代方法是使用具有更好記憶效率的

3、ray-rep參與體素表示。ray-rep中的實(shí)體模型由指定方向上的一組平行固體表示，它僅允許存儲(chǔ)進(jìn)出點(diǎn)，因此可以有效節(jié)省記憶空間。 最新的研究如圖6-1所示，用ray-rep的變體來表示AM模型，稱為分層深度-正常圖像（LDNI），具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型可以通過基于LDNI的實(shí)體建模內(nèi)核有效處理，在高并行GPU上進(jìn)行計(jì)算。圖6-1 基于LDNI的實(shí)體建模 這種表示方法能運(yùn)用于高并行計(jì)算機(jī)，并且能以離散的方式支持多種材料。此外，LDNI可以緊湊存儲(chǔ)，因此可以在消費(fèi)級(jí)GPU上處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型。還有其他方法也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)異構(gòu)對(duì)象的表示。但是，自適應(yīng)采樣策略需要克服由大曲率區(qū)域的大形狀近似誤差引起

4、的混疊問題。6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì) 現(xiàn)階段較好增材制造的輸入3D模型通常是由多邊形網(wǎng)格表示，如STL和OBJ文件格式。這些多邊形模型致密且多樣。但是，三角形表面會(huì)有三角形退化，自相交，間隙和裂紋等問題。由于AM中的層間打印過程，自相交和裂紋通常會(huì)使切片算法不穩(wěn)定甚至不能制造。使用CAD軟件的用戶在早期設(shè)計(jì)階段難以預(yù)防和解決上述問題，因此，在打印之前將幾何正則化過程應(yīng)用于3D多邊形模型就變得至關(guān)重要。有研究工作組提出了一種采用分層深度正常圖像（LDNI）表示的幾何正則化方法。基于LDNI表示，3D模型可以穩(wěn)定有效地進(jìn)行修復(fù)。6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)增材制造的輸入3D模型通常是由多邊形網(wǎng)格表

5、示，如STL和OB6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.2 AM制造的幾何加工AM的幾何加工包括中空、增厚、切片和支撐生成。中空和增厚為了節(jié)省制作時(shí)間和減少重量，3D模型在切片前通常是空心的。最新研究表明使用dexels作為中空表示法可以提高偏移計(jì)算的效率和穩(wěn)定性。為進(jìn)一步提高計(jì)算的穩(wěn)定性，可以采用基于LDNI的表示法，用帶符號(hào)距離和CSRBFs來計(jì)算無交叉偏移。由于打印件內(nèi)部空心，在某些部分可能導(dǎo)致強(qiáng)度不足，因此還需要增厚操作，將開放式表面模型轉(zhuǎn)換為具有用戶指定的厚度的殼模型。切片給定一個(gè)準(zhǔn)備AM的模型，一個(gè)重要的預(yù)處理是將模型轉(zhuǎn)換成用于指導(dǎo)AM機(jī)器運(yùn)行的數(shù)據(jù)。常用的方法是將模型分成一組平行的平

6、面形狀，這個(gè)過程稱為分層切片。在這個(gè)過程中計(jì)算機(jī)用相應(yīng)的方法制定復(fù)雜的自適應(yīng)切片策略，根據(jù)曲率變化生成不同厚度的層。但是這一過程可能導(dǎo)致由自相交輪廓引起的內(nèi)外區(qū)域錯(cuò)誤分類。最新研究提出了一種在圖像空間中使用可靠輪廓的一種特別的方法來制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的對(duì)象。6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.2 AM制造的幾何加工AM支撐生成支撐結(jié)構(gòu)通常在打印過程中產(chǎn)生，以支撐突出部分和大的平坦壁，保持部件的穩(wěn)定性，并防止過度收縮。不同的AM工藝過程以不同的方式產(chǎn)生支撐。6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)FDM工藝中，主要通過計(jì)算相鄰層之間的面積差異來產(chǎn)生支撐。（a）支持FDM（b）支持SLASLA工藝通過識(shí)別突出區(qū)域并

7、將錨點(diǎn)與桿連接來添加支撐結(jié)構(gòu)。FDM和SLA工藝可通過在圖像空間中生成支撐的方法，如圖6-2所示?；贕PU的執(zhí)行操作也與LDNI表示法一起開發(fā)。圖6-2 圖像空間中的支撐生成支撐生成6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)FDM工藝中，主要通過計(jì)算6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.3驗(yàn)證、修復(fù)和增強(qiáng)由于現(xiàn)有的建模、切片方法極易產(chǎn)生缺陷，市面上較好商用3D打印機(jī)都配備有專門修復(fù)模塊。針對(duì)在轉(zhuǎn)換過程中的失真及缺陷，研究如何驗(yàn)證，修復(fù)和增強(qiáng)模型已經(jīng)成為了一大研究方向。6.1.4 AM的高性能計(jì)算（HPC）復(fù)雜的幾何體的打印對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力提出非常高的要求。在復(fù)雜幾何體的構(gòu)建過程中，為了減小誤差，需要的多邊形數(shù)

8、量將十分龐大，為了處理這些數(shù)量龐大的多邊形，以及能夠在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中合理切片，計(jì)算機(jī)必須具備強(qiáng)大的計(jì)算處理能力，這將直接關(guān)系到制造能否進(jìn)行。提升復(fù)雜幾何形狀的建模效率的研究工作已經(jīng)大量進(jìn)行。引入了HPC技術(shù)，包括PC集群、多核、CPU和GPU，以加速實(shí)體建模，切片和支撐件生成。在當(dāng)前的研究中，PC集群，多核CPU和高并行GPU集成加速，基于GPU的硬件加速以及在基于體素表示、三角形網(wǎng)格表示和GPU的多個(gè)核心偏移等方法都具有十分廣泛的研究前景。6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.3驗(yàn)證、修復(fù)和增強(qiáng)由于現(xiàn)有6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.5 特效優(yōu)化 有些研究是專門用于通過輸入模型的幾何優(yōu)化來產(chǎn)生制造

9、產(chǎn)品的特殊效果。 如，為了打印大型模型，在系統(tǒng)中引入了一種分割方法，將3D模型分解成可打印部分，然后組裝得到最終結(jié)構(gòu)。有些作品著重于創(chuàng)建具有特定動(dòng)態(tài)屬性的模型。如國外的研究者提出了一種用初始輸入變形來生成可以獨(dú)立存在的模型方法等。6.1 增材制造的幾何設(shè)計(jì)6.1.5 特效優(yōu)化 6.2材料設(shè)計(jì)3D打印技術(shù)的發(fā)展為材料方向的研究提供了一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)。在這一領(lǐng)域材料的種類得到極大的擴(kuò)充，從傳統(tǒng)的工業(yè)用料到建筑、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域再到生活中的各種食品用品，不同領(lǐng)域的不同材料能夠得到充分地挖掘。在材料的性能方面，3D打印能夠結(jié)合打印目標(biāo)的幾何形狀、層次和尺寸大小對(duì)不同特征進(jìn)行協(xié)同分析，這種功能需要與計(jì)算建模、

10、納米和微觀力學(xué)以及最先進(jìn)的原位顯微鏡機(jī)械實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。這種組合計(jì)算、原型以及實(shí)驗(yàn)方法可以為許多機(jī)制概念證明打下基礎(chǔ)。材料的性能最終影響著產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，而且這種影響是具有決定性的。因此，對(duì)于增材技術(shù)領(lǐng)域來說，研究材料、設(shè)計(jì)材料是一個(gè)重要的研究方向。6.2材料設(shè)計(jì)3D打印技術(shù)的發(fā)展為材料方向的研究提供了一個(gè)更6.2材料設(shè)計(jì)6.2.1 具有受控結(jié)構(gòu)的合成異質(zhì)材料通過層與層建立物理模型，不同的AM工藝可以用低成本構(gòu)建復(fù)雜的幾何體，這對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說將是個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。它可以涉及的領(lǐng)域十分廣泛，包括生物工程、航空航天和汽車等。性能設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)單個(gè)元件的幾何構(gòu)造，例如支柱和梁的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，若是材料可以受

11、人為控制得到不同的結(jié)構(gòu)，那么就可以直接實(shí)現(xiàn)理想的構(gòu)建所需的功能。這將省去一些繁瑣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，對(duì)于拓展材料性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件新功能具有突破性的意義。但是，依據(jù)給定的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)具有優(yōu)化性能的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工作仍有很大的挑戰(zhàn)性。當(dāng)前，AM過程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法通常可分為自下而上或自上而下。6.2材料設(shè)計(jì)6.2.1 具有受控結(jié)構(gòu)的合成異質(zhì)材料通過層與6.2材料設(shè)計(jì)自下而上的方法：使用設(shè)計(jì)的單位結(jié)構(gòu) 單一桁架是一種簡單類型的結(jié)構(gòu)，它在每個(gè)方向上都有均勻重復(fù)的單位元件（微結(jié)構(gòu)）。使用周期性三角函數(shù)來模擬晶格結(jié)構(gòu)。從均勻的桁架延伸，可以通過改變?cè)诮o定模型的單個(gè)單元中的微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和連接方式來比較容易地產(chǎn)

12、生異質(zhì)結(jié)構(gòu)（例如，使用體素集作為細(xì)胞支架）。然后，可以在每個(gè)單位單元格中填充來自單位單元結(jié)構(gòu)庫的設(shè)計(jì)幾何要素來完成最終設(shè)計(jì)。分子測試公司在20世紀(jì)90年代開始使用AM方法開創(chuàng)周期性纖維素結(jié)構(gòu)的制造。自上而下的方法：基于拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化是一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化，它首先確定結(jié)構(gòu)體的整體形狀、形狀元素的布置以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域的連接方式。AM工藝擁有的復(fù)雜形狀制造能力為拓?fù)鋬?yōu)化提供了大量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)運(yùn)算包含兩大類：離散化和連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。其中，為桁架拓?fù)湓O(shè)計(jì)開發(fā)的分立結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法屬于地面結(jié)構(gòu)方法，而數(shù)值計(jì)算理論以及基于地面結(jié)構(gòu)方法的線性或非線性規(guī)劃技術(shù)主要是建立在最小化柔度或最大化剛度的基礎(chǔ)

13、上。6.2材料設(shè)計(jì)自下而上的方法：使用設(shè)計(jì)的單位結(jié)構(gòu)6.2材料設(shè)計(jì)6.2.2 組合材料的設(shè)計(jì) 幾何建模處理在3D空間中表示對(duì)象，材料建模給出對(duì)象內(nèi)部每個(gè)部分的材料信息。當(dāng)前的研究致力于用多種材料建模和編輯定制功能設(shè)計(jì)方法直接計(jì)算結(jié)構(gòu)件中的材料分布。（1）多種材料建模與編輯材料異質(zhì)性（如多材料、合成功能梯度材料（FGM）或甚至不規(guī)則材料）分布可以表示材料集或材料空間。模型的數(shù)據(jù)表示以及材料的分布方法將異構(gòu)對(duì)象的表示分為三個(gè)類別：（1）評(píng)估模型（2）未評(píng)估模型（3）復(fù)合模型。其中，評(píng)估模型通過密集的空間細(xì)分呈現(xiàn)異構(gòu)物體，典型模型是體素模型和體積網(wǎng)格模型。體素模型適用于通過CT或MRI掃描收集的醫(yī)學(xué)

14、數(shù)據(jù)。體積網(wǎng)格模型使用多面體的集合來表示3D模型。未評(píng)估模型需要使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如分析功能表征，它是基于單一特征的模型和多種特征模型綜合表示異質(zhì)材料分布，因此這種方法是在數(shù)學(xué)上十分常見。6.2材料設(shè)計(jì)6.2.2 組合材料的設(shè)計(jì) 幾何建6.2材料設(shè)計(jì)（2）定制功能設(shè)計(jì)當(dāng)前的工業(yè)設(shè)計(jì)通常將單一制成的并滿足預(yù)定功能的部件作為設(shè)計(jì)依據(jù)，AM的出現(xiàn)提供了異構(gòu)和多功能設(shè)計(jì)的新穎方式。許多AM的設(shè)計(jì)實(shí)例在物質(zhì)生態(tài)學(xué)的特殊問題上得到運(yùn)用。有研究人員通過引入了一種計(jì)算方法來協(xié)調(diào)功能與靈活性；還有人開發(fā)了一種體素方法，用于數(shù)字制造定制的擬合插座。各種具有機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)的異質(zhì)物體也可以使用多材料3D打印

15、機(jī)制造。設(shè)計(jì)人員希望直接指定設(shè)計(jì)組件的功能，而不是僅僅從表面上指定材料組成的對(duì)象來間接實(shí)現(xiàn)所需要的功能。6.2材料設(shè)計(jì)（2）定制功能設(shè)計(jì) 除了結(jié)構(gòu)性能外，還可以用多種材料的增材制造工藝來設(shè)計(jì)外觀性能。在進(jìn)一步的深入研究中，研究者們需要針對(duì)特定的增材制造過程創(chuàng)新開發(fā)，有利于在大型設(shè)計(jì)空間的探索。如圖6-3所示，受控鞋接觸壓力圖，頂排為材料分布的體積渲染；底部為接觸壓力；左列是下面獲得的輸入均質(zhì)材料分布；第二、第三和第四列給出了目標(biāo)恒壓分布下的結(jié)果。6.2材料設(shè)計(jì)圖6-3 受控鞋接觸壓力圖 除了結(jié)構(gòu)性能外，還可以用多種材料的增材制造工藝6.2.3高性能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)6.2材料設(shè)計(jì)合成功能梯度材料（F

16、GM）在AM的諸多研究當(dāng)中有著廣泛的研究前景。FGM通過逐漸改變微觀結(jié)構(gòu)的組成，得到性能最優(yōu)的制件。FGM可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行局部特性的設(shè)計(jì)，從而定制同一部件內(nèi)的機(jī)械、熱學(xué)以及電學(xué)特性。FGM材料的設(shè)計(jì)方式有離散或連續(xù)變化兩種方式。對(duì)于前者，當(dāng)構(gòu)建零件時(shí)，每個(gè)層鋪設(shè)不同的材料，使得生成件的性質(zhì)逐級(jí)改變。對(duì)于后者，由于不同材料之間的變化被劃分得更加精細(xì)，生成件的性質(zhì)將呈現(xiàn)一種連續(xù)變化的趨勢(shì)。圖6-4顯示了由AM構(gòu)建的功能梯度金屬矩陣復(fù)合體的示例，原始功能梯度TiC/IN690顯微照片，底部二進(jìn)制圖像從0轉(zhuǎn)換到37體積比。AM的這種材料設(shè)計(jì)能力將大大改變工程產(chǎn)品的未來設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)件的形狀將不再受所使

17、用材料的性質(zhì)的限制，因此設(shè)計(jì)師將具有更多的設(shè)計(jì)空間。6.2.3高性能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)6.2材料設(shè)計(jì)合成功能梯度材料（ AM在材料設(shè)計(jì)方面的另一個(gè)研究方向就是合成高性能材料。市場對(duì)具有高強(qiáng)度和耐久性的先進(jìn)高性能結(jié)構(gòu)材料有強(qiáng)烈需求，希望得到輕質(zhì)、低成本、性能新穎的組合材料。通常，工程產(chǎn)品中的高性能材料的使用受到其復(fù)雜3D形狀的限制。通過機(jī)械加工或其他工藝對(duì)這些高性能材料進(jìn)行后處理，由于難度很大且價(jià)格昂貴，并且有時(shí)無法實(shí)現(xiàn)。AM是在工程產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)這種材料設(shè)計(jì)的有效途徑。波士頓創(chuàng)業(yè)公司Mark Forged15發(fā)布了第一款能夠用碳纖維打印的3D打印機(jī)，其具有比6061-T6鋁更高的強(qiáng)度重量比。中國的Avi

18、c重型機(jī)械制造出AM型鈦合金飛機(jī)主要承重部件，這種部件大多用于隱形戰(zhàn)機(jī)。6.2材料設(shè)計(jì) AM在材料設(shè)計(jì)方面的另一個(gè)研究方向就是合成高在工業(yè)領(lǐng)域，某航空公司宣稱到2020年，將有超過10萬個(gè)結(jié)構(gòu)部件使用AM進(jìn)行制造，包括為Leap發(fā)動(dòng)機(jī)建造改進(jìn)的燃料噴嘴。更普遍的是，AM已經(jīng)制造了一個(gè)可立即用來制造和應(yīng)用的模具，例如具有適形冷卻的注射模具，靠近工件表面的冷卻通道的模具可以設(shè)計(jì)出復(fù)雜的形狀，從而節(jié)省循環(huán)時(shí)間以及減少每個(gè)循環(huán)的熱能。公司報(bào)告稱，由AM制造的適形冷卻模具節(jié)省了大量能源和循環(huán)時(shí)間。6.2材料設(shè)計(jì)圖6-4 原始功能梯度TiC/IN690顯微照片在工業(yè)領(lǐng)域，某航空公司宣稱到2020年，將有超

19、過10萬個(gè)結(jié)構(gòu)6.2.4自組裝和可編程材料6.2材料設(shè)計(jì)當(dāng)前AM技術(shù)廣泛用于打印復(fù)雜形狀的獨(dú)立部件，用戶仍然花費(fèi)數(shù)小時(shí)的體力勞動(dòng)來實(shí)際組裝這些零件。因此，具有自適應(yīng)、自組裝、可重新配置性能的活性材料受到研究者的廣泛關(guān)注。這種材料可隨環(huán)境需要自動(dòng)對(duì)自身的相關(guān)性質(zhì)甚至是材料形態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如熱電材料。隨著這些能力在制造過程中的實(shí)現(xiàn)，材料的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)特征在面對(duì)外界刺激（如溫度和壓力改變）時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化以調(diào)節(jié)適應(yīng)。研究人員指出：組裝錯(cuò)誤、冗余度的增加和適應(yīng)大型系統(tǒng)的困難是生產(chǎn)與AM工藝相結(jié)合的高性能自組裝結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。6.2.4自組裝和可編程材料6.2材料設(shè)計(jì)當(dāng)前AM技術(shù)廣泛用6.2材料設(shè)計(jì)

20、6.2.5 生物與仿生復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自然材料由于數(shù)百萬年的積累所表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，是人造材料目前所無法達(dá)到的。圖6-5顯示了工程材料和生物材料的韌性與剛度特性曲線。與典型工程材料相比，在不降低剛度和強(qiáng)度的條件下，生物復(fù)合材料具有更高的韌性。研究大自然中材料的成型機(jī)制，調(diào)查其基本力學(xué)特性，可以為AM提供必要的支撐。許多環(huán)保的、超高性能和多功能生物材料已投入廣泛研究。早期的工作集中在多種腹足動(dòng)物和雙葉的生物礦化組織，3D打印最先用來測試珍珠層微結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征的假設(shè)。圖6-5 工程材料和生物學(xué)材料的韌性與剛度特性曲線6.2材料設(shè)計(jì)6.2.5 生物與仿生復(fù)合材料的設(shè)計(jì)自然材料由6.3計(jì)算工具隨著低

21、成本3D打印機(jī)的快速增長，現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)可以利用新型3D打印機(jī)來構(gòu)造普通工具難以創(chuàng)建的復(fù)雜的3D模型。這需要對(duì)設(shè)計(jì)工具進(jìn)行大量的開發(fā)。本節(jié)介紹目前在開發(fā)AM的3D建模和掃描工具方面的研究工作。6.3.1 自然用戶界面（NUI）驅(qū)動(dòng)形狀建模沒有三維形狀建模的進(jìn)展，AM技術(shù)將不會(huì)成功。傳統(tǒng)建模工具中存在的局限性阻礙了AM技術(shù)的發(fā)展。這種計(jì)算工具是高度程序性的，需要經(jīng)過一定的培訓(xùn)和實(shí)踐才能有效利用。因此，對(duì)于缺乏技術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)的新手設(shè)計(jì)師、普通公眾以及孩子來說，他們?cè)谡J(rèn)識(shí)上比較困難。此外，這些工具并不通俗，不利于早期設(shè)計(jì)。隨著認(rèn)知學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺和人機(jī)交互的結(jié)合，研究計(jì)算建模和仿真的設(shè)計(jì)人員

22、一直希望通過多代表和多模式的方式研究NUI驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和建模工具的開發(fā)。6.3計(jì)算工具隨著低成本3D打印機(jī)的快速增長，現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)人6.3計(jì)算工具（1）基于草圖的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的WIMP（窗口、圖標(biāo)、菜單、指針）界面系統(tǒng)將描繪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為3D模型之前，2D繪圖通常在概念設(shè)計(jì)階段起到圖像表示的作用。過去十年，基于草圖的建模界面（SBIM）通常使用自然和快速的草圖交互的方法創(chuàng)建編輯數(shù)字模型。有研究者通過搜索、模板檢索、“建設(shè)性”系統(tǒng)以及直接從草圖重建和變形對(duì)象等方法將基于筆畫的SBIM分類為“喚醒”系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，筆、雙手和多點(diǎn)觸摸的交互性大大提高，它為設(shè)計(jì)師在草圖和建模工作流程中提供更便捷的方法。（

23、2）基于手勢(shì)的建模隨著最近低成本3D輸入設(shè)備在市場上成功占有一席之位（如深度感應(yīng)攝像機(jī)），NUI驅(qū)動(dòng)的基于手勢(shì)平臺(tái)的建模工具迅速引起研究者的廣泛關(guān)注。人工手勢(shì)與3D模型計(jì)劃的自然結(jié)合下，設(shè)計(jì)師本人也成為創(chuàng)意和形狀設(shè)計(jì)過程的重要組成部分，而這一過程并不需要進(jìn)行專業(yè)的訓(xùn)練。最近，有研究學(xué)者提出了一些新的建模表示方法，例如，基于手勢(shì)進(jìn)行表征形態(tài)建模的數(shù)據(jù)模擬的體素表示方法；以上下文相互作用（SGCI）范式的基于手勢(shì)的3D形狀創(chuàng)建系統(tǒng)等。盡管取得了一些研究進(jìn)展，但是關(guān)鍵的挑戰(zhàn)仍在手勢(shì)的識(shí)別和解釋方面。6.3計(jì)算工具（1）基于草圖的設(shè)計(jì)（2）基于手勢(shì)的建模6.3計(jì)算工具（3）有形的形狀創(chuàng)作用手和手持工具

24、握住、操縱和修改現(xiàn)實(shí)世界的物體，是人類從小就會(huì)執(zhí)行的自然任務(wù)。最新的文獻(xiàn)顯示，通過合并傳統(tǒng)的制作工藝方法，工程師和科學(xué)家們也使用有形的、有觸覺的設(shè)備來創(chuàng)建和修改3D模型，如使用可佩戴的手套裝置演示了有機(jī)形狀的建模；受雕刻工藝的啟發(fā)，一種有形的交互方法被使用，用手持工具來雕刻復(fù)雜的空間對(duì)象，并且還能用來解釋和編輯虛擬模型；使用掃描物理對(duì)象的橫截面來重建3D模型等。比起使用虛擬軟件來進(jìn)行模擬的建模，這種方式的建模會(huì)更加直觀，其建模過程也更加貼近實(shí)際設(shè)計(jì)品的生成規(guī)律。當(dāng)前的技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)這種方法實(shí)際上的應(yīng)用，但其未來可開發(fā)的前景是相當(dāng)可觀的。6.3計(jì)算工具（3）有形的形狀創(chuàng)作6.3計(jì)算工具6.3.2

25、 3D光學(xué)掃描擁有掃描能力的設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的時(shí)候可以重復(fù)使用以前的幾何形狀，這項(xiàng)能力可作為成品維修以及奠定個(gè)人定制化模型的底基。優(yōu)化掃描技術(shù)對(duì)于推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。掃描與3D打印機(jī)的組合形式在過去幾年中經(jīng)歷了一場革命。在手持設(shè)備及桌面設(shè)備的輔助下，激光掃描技術(shù)已經(jīng)成熟，成本不斷降低。低成本的深度相機(jī)，如微軟的kinect也正在適應(yīng)市場，開發(fā)特殊的應(yīng)用程序，將研究和商業(yè)領(lǐng)域的多個(gè)圖像轉(zhuǎn)換為3D模型。三維光學(xué)掃描技術(shù)在過去幾十年中一直在提升，它們往往用于在增材制造數(shù)字化過程中修改和再現(xiàn)物理對(duì)象領(lǐng)域的定量測量方面。6.3計(jì)算工具6.3.2 3D光學(xué)掃描擁有掃描能力的設(shè)備在進(jìn)目前已有的

26、技術(shù)包括光度法、立體視覺、光場、陰影形狀、飛行時(shí)間、結(jié)構(gòu)光和數(shù)字邊緣投影等。這些技術(shù)可以大致分為兩類：被動(dòng)方法（例如攝影測量、立體視覺、光場成像等）和主動(dòng)方法（飛行時(shí)間、結(jié)構(gòu)光等）。被動(dòng)攝影測量方法 被動(dòng)方法已廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)，用來確定場景的平面坐標(biāo)如：立體視覺技術(shù)用兩個(gè)攝像機(jī)從不同的視角捕獲兩個(gè)2D圖像，從而模擬與人類視覺相同的過程。缺點(diǎn)是如果物體表面不具有明顯的自然紋理變化，則該技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)高精度成像。光場成像方法使用微透鏡陣列恢復(fù)3D信息，這種方式不用擔(dān)心立體視覺方法的對(duì)應(yīng)問題。一般來說，被動(dòng)方法對(duì)于在要求不高的場合很有效。6.3計(jì)算工具目前已有的技術(shù)包括光度法、立體視覺、光場、陰影形

27、狀、飛行時(shí)間6.3計(jì)算工具主動(dòng)攝影測量方法如：飛行時(shí)間需要進(jìn)行三維重建，適用于遠(yuǎn)距離測量。近距離測量主要是基于三角測量的主動(dòng)方法。由于結(jié)構(gòu)化圖案的性質(zhì)，這些方法可以實(shí)現(xiàn)不同的空間分辨率、速度以及精度。激光掃描系統(tǒng)為了代替使用離散點(diǎn)，通常使用結(jié)構(gòu)化線條來提高速度和分辨率。由于線在一個(gè)方向上是連續(xù)的，所以其空間分辨率可以提高到沿線方向的相機(jī)像素的分辨率。另一種流行的激光方法稱為邊緣投影，它是通過激光干涉或者數(shù)字計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正弦變化的結(jié)構(gòu)圖案來進(jìn)行投影的。與所有上述方法不同的是，邊緣投影技術(shù)使用相位信息來建立表面紋理變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這可以實(shí)現(xiàn)高精度測量。另外，由于邊緣投影技術(shù)只需要少量的3D重建圖案，

28、因此它可以進(jìn)行物理對(duì)象的高速測量。6.3計(jì)算工具如：飛行時(shí)間需要進(jìn)行三維重建，適用于遠(yuǎn)距離測量6.3計(jì)算工具6.3.3 共同設(shè)計(jì)與共同創(chuàng)作平臺(tái)桌面級(jí)3D打印平臺(tái)的出現(xiàn)使得AM技術(shù)更廣泛地為人們所接觸，市場上入門級(jí)軟件的需求不斷增加。因此為了滿足更多消費(fèi)者的需求，需要打造一種共同創(chuàng)造的模式。共同創(chuàng)造是指公司和客戶共同創(chuàng)造價(jià)值，它能為客戶提供機(jī)會(huì)，依據(jù)客戶具體需求來影響工件的設(shè)計(jì)。在CAD和AM的背景下，聯(lián)合創(chuàng)作將采用一種支持Web的軟件工具的形式，允許用戶修改預(yù)先設(shè)計(jì)的部分的尺寸。本質(zhì)上，設(shè)計(jì)的技術(shù)方面在到達(dá)用戶手中之前已經(jīng)完成了，而用戶可以根據(jù)自己的需要使用“滑桿”來調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)得到最終形狀。

29、例如，來自拉夫堡大學(xué)設(shè)計(jì)研究學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了軟件（利用Rhino設(shè)計(jì)環(huán)境中的Grasshopper插件），創(chuàng)造了“PenCAD”，任何用戶都可以用這款軟件輕松地設(shè)計(jì)圓珠筆的幾何變體?；A(chǔ)設(shè)計(jì)創(chuàng)建后，任何人都可以使用滑塊來進(jìn)行自定義變體，更改尺寸，顏色和整體形狀等。再比如Uformia的“Uformit”軟件是一個(gè)在線3D模型庫，他可以幫助用戶對(duì)任何上傳的3D模型進(jìn)行修改。這些基于網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)工具的總體目標(biāo)是使非專家設(shè)計(jì)的產(chǎn)品來滿足用戶的個(gè)性化需求。這樣的工具將需要虛擬環(huán)境及用戶界面與參數(shù)化模型和智能設(shè)計(jì)工具進(jìn)行交互，建立相應(yīng)的機(jī)制，管理好各個(gè)模塊之間的交互連接才能使這樣的平臺(tái)有效運(yùn)

30、轉(zhuǎn)。6.3計(jì)算工具6.3.3 共同設(shè)計(jì)與共同創(chuàng)作平臺(tái)桌面級(jí)3D6.4制造工藝6.4.1 開源硬件和打印機(jī)3D打印機(jī)被廣泛認(rèn)為是將開源流程擴(kuò)展到物理產(chǎn)品開發(fā)的啟用技術(shù)。3D打印機(jī)可以在任何人都可以使用和修改的開放平臺(tái)上共享設(shè)計(jì)。同時(shí)，開源3D打印機(jī)代表了開源硬件開發(fā)的一些最早的實(shí)踐。例如2004年，Adrian Bowyer從巴斯大學(xué)推出了RepRap（復(fù)制快速成型機(jī)）項(xiàng)目。與傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)流程相比，開源流程基本上是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈兪怯裳莼^程驅(qū)動(dòng)的。根據(jù)開源硬件協(xié)會(huì)（OSHWA）的規(guī)定，開放硬件的定義特征是“設(shè)計(jì)公開可用，以便任何人都可以基于該設(shè)計(jì)來研究、修改、分發(fā)、制造和銷售設(shè)計(jì)或硬件”

31、。不同的開源項(xiàng)目提供不同級(jí)別的信息。一些項(xiàng)目甚至提供了可復(fù)制最終設(shè)計(jì)文件，任何人可以通過直接復(fù)制來使用它；其他項(xiàng)目大多是記錄整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)信息。例如對(duì)于RepRap項(xiàng)目，整個(gè)項(xiàng)目的演進(jìn)在網(wǎng)上有完整的記錄；詳細(xì)的設(shè)計(jì)文件（如CAD/CAM文件）可以在Thingiverse16和GitHub等平臺(tái)上找到。使用這些文件，可以分析產(chǎn)品的定型過程，以確定添加哪些部件，修改哪些部件，或刪除某些部件。6.4制造工藝6.4.1 開源硬件和打印機(jī)3D打印機(jī)被廣泛認(rèn)6.4制造工藝另外，3D打印的早期創(chuàng)新來源于大學(xué)研究里同時(shí)發(fā)展工藝和機(jī)器的各種項(xiàng)目。其特點(diǎn)：硬件系統(tǒng)成本較低；機(jī)器設(shè)計(jì)和控制算法趨向于簡單化，機(jī)

32、器缺失提高精度的功能；精度的缺乏使更先進(jìn)的開放式架構(gòu)打印機(jī)不利于工藝材料和設(shè)計(jì)工具的進(jìn)步。6.4.2 AM過程模擬和優(yōu)化規(guī)劃和優(yōu)化過程的模擬功能對(duì)于AM系統(tǒng)至關(guān)重要。這一過程可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供物理參數(shù)，如液滴尺寸、形狀精度、固化程度和某些保真度的溫度。研究人員已經(jīng)開發(fā)了各種AM工藝的仿真方法，例如液滴沖擊模擬用于基于噴墨的多噴射建模過程，光能調(diào)制模擬立體光刻過程運(yùn)用于數(shù)字顯微鏡器件，用于激光能量和材料溫度模擬的選擇性激光熔化過程。6.4制造工藝另外，3D打印的早期創(chuàng)新來源于大學(xué)研究里同時(shí)發(fā)與傳統(tǒng)制造工藝相比，AM系統(tǒng)需要更多可控制的工藝參數(shù)、材料性能與工藝參數(shù)之間需要更為緊密的相互作用。這就為

33、開發(fā)AM建模仿真和高保真優(yōu)化方面制造了重大挑戰(zhàn)，特別是異質(zhì)材料沉積技術(shù)。由于FDM和SLS工藝中的構(gòu)建參數(shù)不同，制造出來的AM零件具有不同的材料特性。一個(gè)有效的途徑應(yīng)該是將AM工藝選擇與設(shè)計(jì)師早期設(shè)計(jì)階段的工藝規(guī)劃相結(jié)合，這一方面的研究已經(jīng)在展開中了。同時(shí)，過程模擬模型、方法在范圍和規(guī)模的多樣性以及不同級(jí)別的保真度方面都受到限制。在AM系統(tǒng)中實(shí)時(shí)仿真和反饋回路控制的集成對(duì)于實(shí)現(xiàn)可控制造性能至關(guān)重要。在商業(yè)方面，目前還沒有AM開發(fā)商和用戶可以直接使用的模擬系統(tǒng)。然而，仍然需要大量的努力和時(shí)間來開發(fā)類似于VERICUT的CNC加工工藝和MoldFlow用于注塑成型工藝的仿真系統(tǒng)。6.4 制造工藝與

34、傳統(tǒng)制造工藝相比，AM系統(tǒng)需要更多可控制的工藝參數(shù)、材料性6.4.3 AM的環(huán)境可持續(xù)性考慮增材制造技術(shù)可能改變產(chǎn)品開發(fā)過程現(xiàn)有的模型。（1）進(jìn)行大致的分析可能使得過程更加良性，材料和制造利用效率更高。（ 2）新制造工藝的出現(xiàn)帶來不同的工藝能耗、工藝材料和生產(chǎn)技術(shù)。研究表明，在某些情況下，熔融沉積（FDM）、激光熔覆沉積（LENS）和直接金屬沉積（DMD）等工藝比傳統(tǒng)制造工藝更環(huán)保，沖擊減少約70。在能源消耗方面，AM可能不會(huì)超過傳統(tǒng)制造工藝。（3）AM中材料和溶劑的潛在毒性、環(huán)境危害和化學(xué)降解性仍然具有相當(dāng)大的研究潛力。使用各種不同的化學(xué)溶劑，輸入材料和生產(chǎn)消耗品對(duì)人體健康構(gòu)成重大威脅并且不利于預(yù)估操作者所受毒性、壽命終止方式、致癌作用等。盡管AM技術(shù)作為更高效的市場銷售，但是想要控制初級(jí)或次級(jí)材料廢物數(shù)量的確還無法實(shí)現(xiàn)。6.4制造工藝6.4.3 AM的環(huán)境可持續(xù)性考慮增材制造技術(shù)