基于3d打印的异形建筑几何建模优化研究

基于3d打印的异形建筑几何建模优化研究

3d打印是一种快速合成的技术。根据模型文件，将粉末状或树脂类结合材料与层压板形成一致，形成物体。目前，该技术在传统建筑模型中应用较广，能够精确地打印模型的各层截面，使其结实坚固13d打印的操作原理分析3D打印始于数字化几何建模，它利用三维软件呈现模型，并通过自适应细分将模型切割成片，每层厚度远小于1mm1.1打印的一般过程高质量的3D打印效果通过1套系统性的流程及具体的操作步骤共同完成。主要包括几何建模、检测与校对、打印及后期加工4个模块1.2打印的边界因素1.2.1最小层厚的要求随着机架和电子元件的不断升级，打印头在x、y、z三轴上的定位精度可以控制在0.05～0.1mm范围内，但是这并不是指能够直接打印以上尺寸模型，尽管打印机能够精确定位材料外围落下的位置，但是材料本身也具备厚度。所以，精度的真正标准应该是层厚，也就是z轴精度、喷嘴直径以及挤出机的综合能力。目前，大多数3D打印机能够实现的最小层厚是0.1mm。而PLA、ABS材料的收缩率为0.2%～2%，如果对打印有严格的精度要求，就必须在建模层面提前规划。1.2.2打印层结构的划分几何建模如果不能从3D打印的吻合特点出发，会导致打印结果出现难以预料的错误1)悬空:指模型的某一部分的下方是空的，没有支撑结构，在打印过程中出现打印层松软或下沉的现象。2)密封:指所建模型必须为连续、立体、多方位的对象，模型如果存在漏洞、重面会导致管理软件难以判别模型的内外边界，无法执行打印。3)翘角:指因被挤出材料在冷却时产生略微的收缩卷边现象，尤其在模型边角打印时更加明显。1.2.3印织物的虚实虽然大多数3D打印材料具备一定韧性，但是由于打印是逐层堆叠的，打印实物并不会像铸造或机器加工那样结实。最明显的是，同一种材料在模型的不同部位会呈现不同的特性，如相比x轴或y轴方向，模型在z轴上的层间材料在极端负载的情况下，会出现分层及开裂现象，导致打印失败。2模方式的影响作为3D打印的输入文件，几何建模的建模方式将直接影响着3D打印的质量、效率以及材料的使用量。尤其对于异形建筑模型而言，因为曲面程度高且多为非规则形态2.1蒙皮织物组织异形建筑的蒙皮是建筑的外立面，也是视觉认知的重要组成部分。蒙皮的建模能够完善，可以标志着建筑主体特征的确立。因此，对建筑蒙皮的处理是建模优化的首要任务，需要使模型能够角点闭合、法线正确、面片光滑。以某建筑模型为例，通过以下3个步骤实现优化:1)建立初始Box，按照1/100的打印尺寸，设置外形尺寸为240mm(长)×120mm(宽)×28mm(高)。以单面建模的方式对蒙皮进行背面消隐并分配基本段数，段数在建模初期不宜过多，能满足主要体块的建立即可，之后利用Ploygon多边形编辑下的挤出、插入、延伸配合x、y、z坐标轴进行造型塑造，将蒙皮主体结构创建完善(如图2)。2)深化蒙皮，通过多边形编辑下的连接、切割等功能对模型加线，同时按照建筑的结构走向布线，以四边形面片呈现，使网格控点能够灵活调整。在布线过程中，针对结构转折的区域应重点布线加强细节，针对面片平坦的区域应使布线间距稀疏均匀(如图3)。3)蒙皮确立后，对模型进行塌陷或面片合并，减少模型的非有效段数，对相交角点进行焊接，使其闭合。利用FFD曲面控制器对模型的转折进行修整，以求用较少的面片数实现较生动自然的转折效果，再通过NURMS网格平滑对模型进行迭代细分，强化模型面片的平顺过渡(如图4)。由于所创建的蒙皮为封闭模型，在3D打印时会自动默认为实心几何体，通过蜂窝状等规则的支撑结构对模型内部进行填充，导致材料消耗较多。因此，理想的处理方式是在蒙皮创建后，利用面片偏移进行壳化处理，使其内部为空心状且具备厚度，这样在确保特定物理性能的前提下也能减少材料的使用量。2.2维盘形编辑建筑构件主要包括除建筑主体外需要单独创建的模型，如门、窗、栏杆、台阶等局部造型。这些造型体量小且与建筑主体相互衔接，在优化时需要综合考虑2个问题，分别是构件单体的建模优化方法以及构件与建筑主体之间衔接方式。首先，对构件的建模优化方法以某窗户为例，窗框采用80mm立方的常规建筑型材，按照1/100比例计算型材的打印尺寸为0.8mm，小于打印层厚1.0mm的要求，因此将窗框的长、宽、高放大至1.0mm以上，利用Spline样条线编辑对二维线组成的窗框图形进行附加，结合修剪功能去除几何图形的交错部分，焊接各角点并将其整体放样成三维模型，最后在多边形编辑下以布线的方式增加玻璃面片，形成最终模型(如图5)。这种利用截面一次成型再做调整的处理手段，能够使模型连贯、整体，同时也极大地减少因角点重复计算所形成的各类冗余数据。其次，对构件与建筑主体的衔接，应尽量采用模型交集联立的方式进行建模，删除因遮挡关系存在的各类重合面片，创建面片之间彼此共用的转折线段，避免构件与建筑主体在衔接时出现面片开口现象，也使3D打印管理软件能够正确判定模型的结构转折关系。2.3打印层滑动变化的几何拆分当模型的尺寸超出打印平台的尺寸限制或模型因大量悬空结构出现打印层松软下沉的现象，应及时对模型进行几何拆分。拆分方法可以依据异形建筑的结构特点灵活处理，在应用中既要利于拆分后的模型能够准确拼装，同时也要克服3D打印的各种物理约束。2.3.1d机构打印首先，按照3D打印机成型空间对模型进行拆分，应注意拆分后的模型与3D打印机内部空间的3个维度能够留有一定余地，使打印成型后的模型方便取出。其次，异形建筑表面相对光滑，在拆分时尽量选择模型外立面有垂直或水平转折的部位，使后期拼装的接缝不会影响到模型的整体效果。2.3.2墙体连梁模型为了减少材料的使用量，通常会将异形建筑的内部设计为空心状，在拼装时极易出现变形现象。为了解决这个问题，需要在拼装部位设计一套能够提高强度的连接构件，使拼装过程更加紧密与连贯。以某建筑模型为例，在墙体之间构建方形连梁，同时在连梁上设计丁字形凹槽，利用若干工字形连接件对模型进行拼装。墙体之间的连梁不仅需要有水平方向的连接凹槽，同时也应具备垂直方向的凹槽(如图6)，确保各维度上的强度。此外，也应对拼装部位预留0.2～0.4mm的容差，使其有一定可活动间隙进行拼装。另一值得关注的问题是有斜边的模型相对于喷嘴的摆放方向。每当喷嘴添加新1层材料时，会在力的作用下形成压力波，并与朝向喷嘴方向的倾斜处相互作用(如图7)。基于此，有效的解决方法是将模型与喷嘴形成一定的角度，使压力波仅沿着倾斜角度冲击部件，以降低模型变形的可能性。2.3.3规避材料用量造成的负担当模型有水平角度大于45°的斜边时，打印机会在悬空区域自动添加外部支撑，以防止打印材料下坠。但是，过多的支撑不仅会严重影响3D打印的实际效率，还会给后期加工的精度及材料的使用量造成负担。为此，对造型独特的异形建筑而言，应更加注重对支撑材料的合理规避，可以通过3种方式进行优化:1)调整角度，在模型的转角悬空部分，通过多边形下的切角修改模型，使转折关系能够过渡，避免形成45°角(如图8)。2)利用子面层级中的切片，沿z轴在模型竖向和水平衔接处进行切割，并设计好竖向和水平部件的拼装方式。这样，随着模型的高度降低，相应的支撑数量也会随之减少(如图9)。3)探究摆放规律，即通过将拆分的模型旋转合适的角度，使其有斜边的面不与打印平台的法线朝向相互对立，从而巧妙地规避支撑并确保打印精度(如图10)。3成品打印效果分析针对第2章2.1小节中的异形建筑模型，对几何建模进行综合优化，并按照相应的工作流程实现3D打印成品模型(如图11、12)，通过观察可以发现成品模型整体打印效果良好，结构转折过渡自然，拼装接缝较隐蔽，局部细节精致，模型面片也没有出现明显的打印错误。通过3D打印实验测试，可以得出建模优化后的3D打印成品模型，无论在面片数、打印时间、精度以及材料的消耗方面都比优化前的3D打印数据更加理想，相关测试记录可见表1。4打印优化方式异