СПОСОБ АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИНИМАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2024 года по МПК G06T17/20 G06F30/17 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры трехмерного изделия и к минимальной поверхностной структуре, аддитивно изготовленной посредством упомянутого способа.

Уровень техники

Аддитивное изготовление представляет собой технологию изготовления, в которой изделия выполняются из цифровых трехмерных моделей посредством компоновки изделия типично через послойное добавление материала. Процессы аддитивного изготовления предоставляют значительно большую свободу проектирования и обеспечивают возможность формировать чрезвычайно сложные формы и геометрии, по сравнению с традиционными процессами, например, субтрактивного изготовления. Необходимая предпосылка для формирования любого трехмерного изделия посредством аддитивного изготовления представляет собой цифровую трехмерную модель или файл данных автоматизированного проектирования, согласно которому изделие может аддитивно изготавливаться посредством трехмерного принтера.

Современные процессы аддитивного изготовления базируются на заполнении внутренней части выскобленных объектов на трубчатых строительных лесах либо, в тщательно продуманных случаях, на трижды периодических минимальных поверхностных (TPMS) заполняющих структурах. Формирование трижды периодических минимальных поверхностей без самопересечений с использованием пары периодических скелетных графов описано в техническом NASA-отчете NASA TN D-5541 автора Alan H. Schoen. Трижды периодическая минимальная поверхность без самопересечений, сформированная из пары скелетных графов, разделяет пространство на две непересекающихся лабиринтообразных области. Согласно работе Schoen, трижды периодическая минимальная поверхность может концептуально описываться как сформированная посредством одновременного надувания трубчатых окрестностей вокруг скелетных графов, при этом трижды периодическая минимальная поверхность появляется, когда две надуваемых области сталкиваются.

Минимальные поверхности, такие как TPMS, предоставляют возможность преимущественного потока сил и распределения нагрузок. Тем не менее, в случае традиционных периодических минимальных поверхностей, высокая симметрия вследствие периодичности приводит к предпочтительным направлениям в структуре, что уменьшает полный отклик на физические требования, такие как механическое напряжение или растяжение вследствие предпочтительных направлений, заданных посредством симметрий. Дополнительно, традиционные периодические минимальные поверхности, такие как TPMS, демонстрируют плохую способность адаптироваться к ограничивающей геометрии или требованиям, таким как конкретные граничные условия.

Сущность изобретения

В силу этого цель изобретения заключается в том, чтобы предоставлять способ аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры трехмерного изделия и минимальную поверхностную структуру, аддитивно изготовленную посредством упомянутого способа, которые, по меньшей мере, частично улучшают предшествующий уровень техники и исключают, по меньшей мере, часть недостатков предшествующего уровня техники.

Согласно настоящему изобретению, эта цель достигается посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Помимо этого, дополнительные преимущественные варианты осуществления вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения и описания, а также из чертежей.

Согласно аспекту изобретения, цель, в частности, достигается посредством способа аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры трехмерного изделия, при этом способ содержит выполнение, посредством компьютера, этапов: записи в компьютер огибающей трехмерного изделия; формирования поля плотностей по объему, замкнутому посредством огибающей, с плотностями из поля плотностей, соответствующими значениям согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра в соответствующих позициях трехмерного изделия; формирования адаптивной мозаичной диаграммы Вороного объема с использованием поля плотностей; формирования первого скелетного графа, ассоциированного с адаптивной мозаичной диаграммой Вороного; формирования второго скелетного графа, ассоциированного с первым скелетным графом; формирования цифровой минимальной поверхностной модели из первого и второго скелетных графов; при этом способ дополнительно содержит аддитивное изготовление, посредством трехмерного принтера, минимальной поверхностной структуры согласно цифровой минимальной поверхностной модели.

Огибающая трехмерного изделия может представлять собой огибающую изделия, представляющую внешнюю границу изделия. Чтобы уменьшать мощность обработки при формировании цифровой минимальной поверхностной модели, так называемая огибающая поля плотностей, представляющая упрощенную огибающую изделия с упрощенной геометрией, может использоваться в качестве огибающей трехмерного изделия. Предпочтительно, огибающая изделия полностью содержится в огибающей поля плотностей. Например, может использоваться огибающая поля плотностей в форме многогранной призмы, замыкающая огибающую изделия в форме цилиндра. В дополнительном примере, может использоваться огибающая поля плотностей в форме n-гранной призмы, замыкающая огибающую изделия в форме m-гранной призмы, где m>n.

Адаптивная мозаичная диаграмма Вороного, описанная в контексте настоящего изобретения, должна пониматься как трехмерная мозаичная диаграмма Вороного с использованием трехмерных ячеек Вороного. Термин "адаптивный" указывает то, что адаптивная мозаичная диаграмма Вороного является адаптируемой к характеристикам поля плотностей, как описано в данном документе.

Первый и второй скелетные графы предпочтительно переплетаются без пересечения друг друга. В частности, второй скелетный граф может быть основан на двойственном графе первого скелетного графа. Дополнительно, второй скелетный граф может быть основан на двойственной мозаичной диаграмме мозаичной диаграммы Вороного, такой как трехмерная триангуляция Делоне или тетраэдрализация Делоне, соответственно, как подробнее описано ниже. Второй скелетный граф в силу этого может быть, по существу, двойственным с первым скелетным графом. Тем не менее, второй скелетный граф может показывать один или более скорректированных сегментов, которые отклоняются от двойственного графа первого скелетного графа для того, чтобы адаптироваться к локальным топологическим условиям, как подробнее описано ниже. Необязательно, первый скелетный граф может показывать один или более скорректированных сегментов, которые отклоняются от двойственной взаимосвязи со вторым скелетным графом для того, чтобы адаптироваться к локальным топологическим условиям. Посредством использования двух скелетных графов для того, чтобы формировать цифровую минимальную поверхностную модель, могут формироваться два непересекающихся лабиринта, каждый из которых исходит из скелетного графа, которые отделяются посредством стенки минимальной поверхностной структуры. Посредством формирования двух лабиринтов, могут получаться два канала минимальной поверхностной структуры. Каналы могут закрываться посредством крышек на периферийных отверстиях каналов или оставляться открытыми.

Посредством формирования поля плотностей, может получаться пространственное преобразование значений согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра, поскольку плотности из поля плотностей в соответствующих позициях изделия соответствуют значениям согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра в упомянутых соответствующих позициях. Например, поле плотностей может представлять пространственное преобразование требований согласно случаю нагрузки, параметризованных посредством физических параметров, таких как механическое напряжение и/или растяжение по объему, замкнутому посредством огибающей. Для примера преобразования значения согласно локальным требованиям механического напряжения в трехмерном изделии, плотности из поля плотностей могут быть пропорциональными механическому напряжению.

С использованием поля плотностей, адаптивная мозаичная диаграмма Вороного может формироваться в качестве начальной точки для формирования скелетных графов цифровой минимальной поверхностной модели, позволяя связывать пространственное преобразование значений согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра с цифровой минимальной поверхностной моделью и, соответственно, с аддитивно изготовленной минимальной поверхностной структурой. Следовательно, параметризация требований посредством значений согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра может транслироваться в параметризацию цифровой минимальной поверхностной модели посредством использования поля плотностей и адаптивной мозаичной диаграммы Вороного, адаптированной к полю плотностей. При этом может получаться аддитивно изготовленная минимальная поверхностная структура, которая согласно расчетам структурно адаптируется к физическим требованиям в трехмерном изделии и конкретным граничным условиям, соответственно, вследствие формирования цифровой минимальной поверхностной модели с использованием поля плотностей.

Например, поле плотностей с плотностями, пропорциональными требованиям по механическому напряжению в трехмерном изделии, может транслироваться в скелетные графы, более плотные в соответствующих позициях трехмерного изделия с увеличенными значениями механического напряжения, что, в свою очередь, приводит к минимальной поверхностной структуре, которая является структурно более плотной в упомянутых позициях, чтобы иметь возможность противостоять более высоким значениям механического напряжения, преобладающим в упомянутых позициях.

Следовательно, так называемая адаптивная плотностная минимальная поверхностная (ADMS) структура может получаться посредством настоящего способа, которая по сути локально адаптируется к входным параметрам требований. Настоящий способ предоставляет такое преимущество, что упомянутая локальная адаптация к входным параметрам требований может включаться по принципу "снизу-вверх" при параметризации самой цифровой минимальной поверхностной модели, согласно которой должна аддитивно изготавливаться минимальная поверхностная структура.

Трехмерное изделие может содержать оболочку, с минимальной поверхностной структурой, формирующей заполняющую структуру в оболочке трехмерного изделия. Оболочка может совпадать с огибающей изделия.

Альтернативно, минимальная поверхностная структура может формировать трехмерное изделие или часть трехмерного изделия без оболочки.

В некоторых вариантах осуществления, формирование адаптивной мозаичной диаграммы Вороного содержит: формирование набора рассеянных точек, соответствующих распределению плотностей из поля плотностей; случайное распределение рассеянных точек по объему, замкнутому посредством огибающей; формирование множества ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного с использованием случайно распределенных рассеянных точек в качестве формирующих точек ячеек Вороного.

Посредством формирования набора рассеянных точек, число ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного может адаптироваться к распределению плотностей, чтобы получать минимальную поверхностную структуру со структурными деталями, которые соответствуют контрастности в плотностях из поля плотностей. Для физического параметра механических напряжений в трехмерном изделии, например, распределение механических напряжений может записываться на гистограмме, сохраненной в компьютере, при этом число рассеянных точек является пропорциональным отношению суммы всех механических напряжений в элементах разрешения гистограммы к произведению наибольшего механического напряжения и число элементов разрешения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что другие значения физических параметров, соответственно, могут записываться на гистограмме, которая может использоваться для того, чтобы вычислять число рассеянных точек.

В некоторых вариантах осуществления, случайно распределенные рассеянные точки перераспределяются согласно полю плотностей таким образом, что перераспределенное распределение рассеянных точек соответствует полю плотностей. Перераспределенные рассеянные точки затем могут использоваться в качестве начальных формирующих точек для формирования ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного.

В некоторых вариантах осуществления, формирование адаптивной мозаичной диаграммы Вороного с использованием поля плотностей содержит итеративное формирование множества ячеек Вороного мозаичной диаграммы Вороного посредством взвешенной пунктировки с использованием поля плотностей.

Посредством взвешенной пунктировки с использованием поля плотностей, может формироваться набор формирующих точек для множества ячеек Вороного, причем позиция формирующих точек определяется посредством значений плотности из поля плотностей. В частности, взвешенная пунктировка с использованием поля плотностей типично приводит к тому, что области со более высокими значениями плотности содержат больше формирующих точек, чем области со более низкими значениями плотности, так что поле плотностей может взвешивать упаковку ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного. Взвешивание упаковки ячеек Вороного посредством поля плотностей в силу этого предоставляет такое преимущество, что характеристики поля плотностей могут переноситься в структурные характеристики минимальной поверхностной структуры, исходящей из адаптивной мозаичной диаграммы Вороного. Кроме того, итеративное формирование ячеек Вороного посредством взвешенной пунктировки обеспечивает возможность начинать с начального, например, случайного, распределения формирующих точек множества ячеек Вороного и итеративно адаптировать позиционирование формирующих точек или упаковку ячеек Вороного, соответственно, к полю плотностей посредством повторения взвешенной пунктировки.

В некоторых вариантах осуществления, итеративное формирование ячеек Вороного посредством взвешенной пунктировки начинается со случайно распределенных рассеянных точек или перераспределенных рассеянных точек, как описано выше. Случайно распределенные или перераспределенные рассеянные точки могут в силу этого служить в качестве начальных формирующих точек ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного.

В некоторых вариантах осуществления, итеративное формирование множества ячеек Вороного содержит итеративное выполнение этапов: a) вычисления взвешенного центроида каждой ячейки Вороного с использованием поля плотностей и сдвига формирующих точек ячеек Вороного в соответствующие центроиды; b) формирования новых ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного с использованием сдвинутых формирующих точек и замены ячеек Вороного из этапа a) на новые ячейки Вороного; до тех пор, пока вычисленные центроиды не соответствуют формирующим точкам ячеек Вороного на этапе a).

Посредством итеративного выполнения этапов a) и b) для итеративного формирования множества ячеек Вороного, трехмерная центроидальная мозаичная диаграмма Вороного, взвешиваемая согласно полю плотностей, может достигаться в качестве адаптивной мозаичной диаграммы Вороного. Итерация этапов a) и b) предпочтительно завершается, когда вычисленные центроиды совпадают с формирующими точками ячеек Вороного на этапе a). Тем не менее, в некоторых вариантах осуществления, допуск разрешается таким образом, что итерация этапов a) и b) завершается, когда расстояние между вычисленными центроидами и формирующими точками ячеек Вороного на этапе a) меньше предварительно определенного значения допуска. Например, значение допуска может составлять 10^-3 раз относительно минимальной ширины стенки минимальной поверхностной структуры.

В некоторых вариантах осуществления, итеративное формирование множества ячеек Вороного содержит выполнение этапов: c) вычисления, для каждой ячейки Вороного, весового коэффициента ячейки посредством интегрирования поля плотностей по соответствующей ячейке Вороного; d) записи в компьютер первого порогового значения весового коэффициента и второго порогового значения весового коэффициента, при этом первое пороговое значение весового коэффициента больше второго порогового значения весового коэффициента; e) разбиения ячеек Вороного с весовым коэффициентом ячейки выше первого порогового значения весового коэффициента и удаления ячеек Вороного с весовым коэффициентом ячейки ниже второго порогового значения весового коэффициента; после этапа b), описанного выше.

Посредством выполнения этапов c)-e), адаптивная мозаичная диаграмма Вороного дополнительно может адаптироваться к полю плотностей. Кроме того, сходимость адаптивной мозаичной диаграммы Вороного к центроидальной мозаичной диаграмме Вороного может улучшаться. Этапы c)-e) преимущественно обеспечивают возможность адаптировать размеры ячеек Вороного согласно полю плотностей посредством создания меньших ячеек Вороного посредством разбиения и больших ячеек Вороного посредством удаления или объединения соседних ячеек Вороного, соответственно.

Разбиение ячейки Вороного может достигаться посредством случайного формирования двух формирующих точек в ячейке Вороного и формирования двух новых ячеек Вороного из двух формирующих точек.

Обычно, ячейки Вороного с весовым коэффициентом ячейки между первым и вторым пороговым значением весового коэффициента могут оставляться немодифицированными.

В некоторых вариантах осуществления, первое пороговое значение весового коэффициента задается как отношение интеграла поля плотностей по объему, замкнутому посредством огибающей, к числу центроидов, умноженному на коэффициент (1+a), и второе пороговое значение весового коэффициента задается как отношение интеграла поля плотностей по объему, замкнутому посредством огибающей, к числу центроидов, умноженному на коэффициент (1-a), при этом предпочтительно a составляет между 0,3 и 0,7, дополнительно предпочтительно a=0,5.

Этапы c)-e) могут выполняться до тех пор, пока весовые коэффициенты ячеек для ячеек Вороного не составляют между первым и вторым пороговым значением весового коэффициента, и разбиение и/или объединение ячеек Вороного более не требуется.

В некоторых вариантах осуществления, этапы c)-e) выполняются для первых 5-30%, предпочтительно 10%, итераций этапов a)-b).

Выполнение этапов c)-e) после этапа b), предоставляет такое преимущество, что сходимость к центроидальной мозаичной диаграмме Вороного может улучшаться.

В некоторых вариантах осуществления, формирование поля плотностей содержит: разделение объема, замкнутого посредством огибающей, на множество предпочтительно четырехгранных первичных вокселов и формирование, по меньшей мере, одного значения согласно локальным требованиям для каждого первичного воксела.

Предпочтительно, первичным вокселам назначается значение согласно локальным требованиям для определенного физического параметра. Например, каждому первичному вокселу может назначаться определенное значение механического напряжения. В дополнительном примере, каждому первичному вокселу может назначаться определенное значение механического напряжения и определенное значение растяжения.

Значения согласно локальным требованиям для первичных вокселов предпочтительно формируются посредством FEM-моделирования. Значения согласно локальным требованиям первичных вокселов, сформированных посредством FEM-моделирования, могут выводиться на гистограмму, сохраненную в компьютере.

В некоторых вариантах осуществления, следующие этапы предварительной обработки выполняются посредством компьютера до формирования адаптивной мозаичной диаграммы Вороного: разделение объема, замкнутого посредством огибающей, на множество предпочтительно четырехгранных первичных вокселов; формирование кубоидной огибающей BBB, охватывающей огибающую; вычисление объема env_vol, замкнутого посредством огибающей, в качестве суммы объемов всех первичных вокселов в огибающей, и объема bbb_vol, замкнутого посредством кубоидной огибающей, в качестве суммы объемов всех вокселов в кубоидной огибающей; вычисление максимального размера max_grid сетки в качестве 0,5 от суммы максимального диаметра max_channel канала, который представляет диаметр наибольшего канала минимальной поверхностной структуры, и минимальной ширины min_wall стенки, которая представляет наименьшую ширину стенки минимальной поверхностной структуры; вычисление числа pts_bbb точек в кубоидном объеме при максимальном размере сетки следующим образом: pts_bbb=(BBB_width/max_grid) x (BBB_depth/max_grid) x (BBB_height/max_grid), где BBB_width, BBB_depth, BBB_height обозначают ширину, глубину и высоту кубоидной огибающей BBB; вычисление числа pts_env точек в огибающей при максимальном размере сетки следующим образом: pts_env=pts_bbb x (env_vol/bbb_vol).

В некоторых вариантах осуществления, число pts_use рассеянных точек вычисляется следующим образом: pts_use=pts_env x prop_hist, где prop_hist является отношением суммы всех значений определенного физического параметра в элементах разрешения гистограммы, на которой записываются значения физического параметра, к произведению наибольшего значения физического параметра и числа элементов разрешения.

В некоторых вариантах осуществления, первичные вокселы, сформированные посредством этапов предварительной обработки, как описано выше, заменяются посредством множества вторичных, предпочтительно кубических, вокселов. Типично, число вторичных вокселов предпочтительно на один или более порядков абсолютных величин больше числа первичных вокселов. Вторичные вокселы предпочтительно формируются посредством интерполяции значений поля плотностей первичных вокселов.

В некоторых вариантах осуществления, число вторичных вокселов увеличивается, если после итераций a)-b), необязательно включающих в себя этапы c)-e), ячейка Вороного содержит менее 10 вторичных вокселов, и формирование адаптивной мозаичной диаграммы Вороного и итерации a)-b), необязательно включающие в себя этапы c)-e), перезапускаются.

В некоторых вариантах осуществления, первый скелетный граф формируется посредством ребер ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного.

В некоторых вариантах осуществления, второй скелетный граф формируется посредством тетраэдрализации Делоне формирующих точек адаптивной мозаичной диаграммы Вороного.

Предпочтительно, первый и второй скелетные графы формируются после того, как адаптивная мозаичная диаграмма Вороного сходится к центроидальной мозаичной диаграмме Вороного в соответствии с полем плотностей, как описано выше.

В частности, могут достигаться два переплетающихся скелетных графа, чтобы формировать минимальную поверхностную структуру без самопересечений.

Хотя сформирован с использованием тетраэдрализации Делоне, второй скелетный граф может содержать один или более скорректированных сегментов, которые не совпадают с ребрами тетраэдрализации Делоне для того, чтобы адаптироваться к топологическим условиям. Например, такое топологическое условие может требовать от сегментов второго скелетного графа, соединяющих формирующие точки соседних ячеек Вороного, проходить только внутри упомянутых соседних ячеек Вороного. В случае если такой сегмент должен проходить через третью ячейку Вороного, дополнительная точка может вставляться на плоскости, на которой соседние ячейки Вороного примыкают таким образом, что сегмент может предпринимать обход через упомянутую точку с исключением пересечения третьей ячейки Вороного. Такие скорректированные сегменты альтернативно или дополнительно могут применяться к первому скелетному графу.

В некоторых вариантах осуществления, из сегмента первого и/или второго скелетного графа, который проходит по огибающей трехмерного изделия, первая часть сегмента, находящаяся за пределами объема, замкнутого посредством огибающей, удаляется и заменяется посредством части сегмента, которая получается посредством формирования зеркального изображения относительно огибающей в позиции, в которой сегмент первого и/или второго скелетного графа проходит по огибающей, причем вторая часть сегмента находится внутри объема и примыкает к первой части сегмента.

При этом, по существу перпендикулярное примыкание минимальной поверхностной структуры на огибающей трехмерного изделия может достигаться. Это является, в частности, преимущественным для трехмерного изделия с оболочкой, в котором минимальная поверхностная структура формирует заполняющую структуру таким образом, что минимальная поверхностная структура может пересекаться с оболочкой по существу перпендикулярно в местах, в которых нагрузки воздействуют на оболочку.

В некоторых вариантах осуществления, окончания первого и/или второго скелетного графа модифицируются таким образом, чтобы не допускать формирования, посредством минимальной поверхностной структуры, нависающих краев, которые не могут подвергаться трехмерной печати без использования компоновочных опор. Это может достигаться посредством модификации окончаний первого и/или второго скелетного графа таким образом, что сегменты в упомянутых окончаниях являются наклонными к центру трехмерного изделия. Это является, в частности, преимущественным для трехмерных изделий без оболочки, в которых минимальная поверхностная структура проектируется с возможностью подвергаться трехмерной печати без использования компоновочных опор.

Нулевая средняя кривизна в качестве признака минимальных поверхностей может более не удовлетворяться для минимальной поверхностной структуры, модифицированной на границе трехмерного изделия, как описано в данном документе. Тем не менее, нулевая средняя кривизна по-прежнему может удовлетворяться для основной части минимальной поверхностной структуры, и в контексте настоящего изобретения, такая минимальная поверхностная структура по-прежнему должна рассматриваться как основанная на минимальной поверхности.

В некоторых вариантах осуществления, ячейки Вороного, которые протягиваются за пределы огибающей трехмерного изделия, обрезаются в огибающей, и центроиды обрезанных ячеек Вороного повторно вычисляются с использованием поля плотностей.

Альтернативно, ячейки Вороного, которые протягиваются за пределы огибающей, могут не обрезаться независимо от своих протягиваний за пределы огибающей.

Лабиринты или каналы, соответственно, могут закрываться посредством крышек на периферийных отверстиях каналов. В некоторых вариантах осуществления, каналы закрываются посредством размещения крышек на периферийных отверстиях и применения сглаживания посредством алгоритма поиска потока конформализованной средней кривизны. За счет этого, гладкость внутреннего пространства каналов может преимущественно максимизироваться. В некоторых вариантах осуществления, каналы закрываются посредством размещения крышек на периферийных отверстиях и применения сглаживания посредством алгоритма поиска потока конформализованной средней кривизны при сохранении центра крышки. За счет этого, внутренний объем каналов может преимущественно максимизироваться. В некоторых вариантах осуществления, V-образная или закругленная V-образная крышка используется для того, чтобы закрывать периферийные отверстия каналов. Это может достигаться посредством увеличения ширины стенки более чем до половины локального диаметра канала в периферийном отверстии канала. Закругление может достигаться посредством алгоритма поиска потока конформализованной средней кривизны. В некоторых вариантах осуществления, минимальная поверхностная структура присоединяется к огибающей или оболочке, соответственно, в позициях, в которых минимальная поверхностная структура сталкивается с огибающей или оболочкой, соответственно, без применения отдельной крышки или модификации формы минимальной поверхностной структуры таким образом, что огибающая или оболочка, соответственно, закрывает соответствующие каналы. Различные схемы с использованием крышек могут использоваться для различных периферийных отверстий каналов. Необязательно, исходная минимальная поверхностная структура (без крышек) дополнительно может подпираться вверх вплоть до в огибающую для всех схем с использованием крышек, чтобы предоставлять идеальную передачу силы и обеспечивать интегрируемость минимальной поверхностной структуры в высокоуровневом сборочном узле.

Типично, два лабиринта могут быть непересекающимися и не демонстрируют взаимные соединения. Тем не менее, в некоторых вариантах осуществления, стенка минимальной поверхностной структуры может демонстрировать одну или более перфораций, которые обеспечивают возможность взаимного соединения двух лабиринтов. Одна или более перфораций могут достигаться посредством формирования дополнительных связывающих лабиринтов между двумя лабиринтами.

В некоторых вариантах осуществления, два лабиринта могут взаимно соединяться через контактное пространство в огибающей.

В некоторых вариантах осуществления, трехмерное изделие может содержать один или более внешних трубопроводных элементов, размещаемых за пределами огибающей, которые взаимно соединяют одно или более периферийных отверстий различных каналов или идентичного канала.

В некоторых вариантах осуществления, все периферийные отверстия, за исключением двух периферийных отверстий каждого канала, закрываются таким образом, что незакрытые отверстия могут формировать впускное отверстие и выпускное отверстие для текучей среды соответствующего канала. При этом, двум отдельным средам может разрешаться протекать, в частности, протекать в обратном направлении через минимальную поверхностную структуру. Это может быть, в частности, преимущественным для структуры теплообменника или тепловыравнивателя.

В некоторых вариантах осуществления, два канала или лабиринта, соответственно, соединяются посредством взаимного соединения одного или более периферийных отверстий различных каналов, при этом два периферийных отверстия оставляются открытыми, и оставшиеся периферийные отверстия закрываются. Два периферийных отверстия, которые оставляются открытыми, предпочтительно размещаются на противоположных сторонах трехмерного изделия. Два периферийных отверстия, которые оставляются открытыми, могут служить в качестве впускного отверстия и выпускного отверстия. Этот вариант осуществления может использоваться для ударостойкого топливного бака, например, в вертолете либо для топливного бака с поддержкой работы в невесомости, например, в космическом корабле. Впускное отверстие может использоваться для того, чтобы заполнять бак топливом, при этом при работе с баком, газ может заполняться через впускное отверстие, чтобы принудительно подавать топливо в выпускное отверстие, так что оно выходит из бака.

В некоторых вариантах осуществления, два лабиринта используются в качестве отсеков для хранения бака, чтобы хранить два компонента топлива, такие как, например, водород и кислород, которые могут смешиваться после выхода из бака. Этот вариант осуществления может использоваться, например, в ракете. В некоторых вариантах осуществления, минимальная поверхностная структура может содержать дополнительные лабиринты, встраиваемые внутри стенки минимальной поверхностной структуры. Например, один дополнительный лабиринт может встраиваться внутри стенки минимальной поверхностной структуры таким образом, что может формироваться трехкамерная система. Это может быть, в частности, преимущественным для структур теплообменника с внутренним контуром подачи охлаждающей жидкости, чтобы ускорять начальный нагрев и/или охлаждение. В дополнительном примере, два дополнительных лабиринта могут встраиваться внутри стенки минимальной поверхностной структуры таким образом, что может формироваться четырехкамерная система. Это может быть, в частности, преимущественным для структур теплообменника с двумя внутренними контурами подачи охлаждающей жидкости с обратной циркуляцией, чтобы ускорять начальный нагрев и/или охлаждение.

В некоторых вариантах осуществления с трех- или четырехкамерной системой, как описано выше, две камеры, созданные посредством исходных лабиринтов, крупнее одной или двух камер, которые встраиваются внутри стенки минимальной поверхностной структуры. Для криогенных топлив, более крупные камеры могут содержать один компонент топлива или два компонента топлива, и мене крупные камеры могут содержать контур подачи охлаждающей жидкости. Этот вариант осуществления трех- или четырехкамерной системы может служить в качестве топливного бака ракеты, который может использоваться в качестве несущей нагрузку структуры ракеты. Несущая нагрузку структура может замыкаться с помощью ультралегкой огибающей или обшивкой, которая может служить для того, чтобы уменьшать аэродинамическое сопротивление во время взлета ракеты через атмосферу.

В некоторых вариантах осуществления, формирование цифровой минимальной поверхностной модели из первого и второго скелетных графов содержит: формирование минимального поверхностного прекурсора из первого и второго скелетных графов; формирование минимальной поверхностной формы посредством сглаживания минимального поверхностного прекурсора; назначение ширины стенки для минимальной поверхностной формы; формирование цифровой минимальной поверхностной модели согласно минимальной поверхностной форме и назначенной ширине стенки.

Предпочтительно, минимальный поверхностный прекурсор формируется в качестве поверхности, равноотстоящей от первого и второго скелетных графов. В некоторых вариантах осуществления, минимальный поверхностный прекурсор формируется в качестве поверхности с первым расстоянием d до первого скелетного графа и вторым расстоянием s до второго скелетного графа. В некоторых вариантах осуществления, первое расстояние d и/или второе расстояние s варьируются вдоль первого и/или второго скелетного графа.

Ширина стенки может представлять собой глобальную ширину стенки со значением глобальной ширины стенки, назначенным минимальной поверхностной форме. Альтернативно, ширина стенки может представлять собой варьирующуюся ширину стенки, которая варьируется при назначении вдоль минимальной поверхностной формы и, соответственно, варьируется вдоль минимальной поверхностной структуры, сформированной согласно цифровой минимальной поверхностной модели. Следовательно, различные значения локальной ширины стенки могут назначаться минимальной поверхностной форме в различных позициях минимальной поверхностной формы. Посредством формирования цифровой минимальной поверхностной модели согласно минимальной поверхностной форме и назначенной ширине стенки, цифровая минимальная поверхностная модель может получать геометрию, заданную посредством минимальной поверхностной формы и стенки с назначенной шириной стенки таким образом, что минимальная поверхностная структура может подвергаться трехмерной печати согласно цифровой минимальной поверхностной модели.

Значение локальной ширины стенки может логически выводиться из поля плотностей для ширины стенки. Альтернативно, значение локальной ширины стенки может логически выводиться из поля плотностей в комбинации с набором правил, указывающих ширину стенки в различных позициях минимальной поверхностной структуры или трехмерного изделия, соответственно, при этом набор правил задается посредством требований минимальной поверхностной структуры или трехмерного изделия, соответственно.

Например, локальная максимальная ширина стенки может быть связана с минимальным диаметром канала минимальной поверхностной структуры и задаваться как верхняя граница локальных ширин стенки в наборе правил, чтобы предотвращать закрытие, посредством стенок, канала в минимальной поверхностной структуре. В дополнительном примере, правило для локальной ширины стенки может задаваться посредством связи локальной ширины стенки с диаметром канала, чтобы закрывать один или более каналов минимальной поверхностной структуры. В дополнительном примере, правило для локальной ширины стенки может задаваться посредством требования постоянства количества отпечатанного материала в каждом поперечном сечении минимальной поверхностной структуры.

Чтобы формировать стенку цифровой минимальной поверхностной модели, может формироваться пара изоповерхностей, которая, в некоторых вариантах осуществления, равномерно разнесена от минимальной поверхностной формы в обоих направлениях, обращенных в направлении от минимальной поверхностной формы. В некоторых вариантах осуществления, пара изоповерхностей не разнесена равномерно от минимальной поверхностной формы. В некоторых вариантах осуществления, расстояние или расстояния от изоповерхностей до минимальной поверхностной формы варьируются согласно локальным ширинам стенки, назначенным минимальной поверхностной форме, так что сформированная стенка цифровой минимальной поверхностной модели может демонстрировать конечную ширину стенки согласно назначенным локальным ширинам стенки. Пара изоповерхностей могут присоединяться друг к другу на периферийных концах изоповерхностей посредством формирования концевой грани, которая соединяет две изоповерхности.

После формирования цифровой минимальной поверхностной модели, части цифровой минимальной поверхностной модели, находящиеся за пределы огибающей, могут удаляться посредством проецирования упомянутых частей обратно на огибающую, в котором перекрывающиеся, самопересекающиеся (и/или с нулевой площадью) поверхностные части и/или совпадающие точки удаляются. Небольшие поверхностные части с площадью ниже пороговой площади могут объединяться.

В некоторых вариантах осуществления, формирование цифровой минимальной поверхностной модели из первого и второго скелетных графов содержит: назначение первого электрического заряда первому скелетному графу; назначение второго электрического заряда второму скелетному графу, при этом второй электрический заряд равен по абсолютному значению, но имеет противоположный знак по сравнению с первым электрическим зарядом; формирование минимального поверхностного прекурсора в качестве эквипотенциальной поверхности между первым и вторым скелетным графом с использованием кулонова силового поля, вычисленного на основе первого и второго скелетных графов и их электрических зарядов.

При этом может достигаться минимальный поверхностный прекурсор, который является равноотстоящим от первого и второго скелетных графов. Формирование минимального поверхностного прекурсора в качестве эквипотенциальной поверхности между первым и вторым скелетными графами с использованием кулонова силового поля предоставляет преимущество эффективной и снижающей мощность обработки схемы для того, чтобы формировать минимальный поверхностный прекурсор, равноотстоящий от первого и второго скелетных графов и разделяющий два лабиринта, заданные посредством скелетных графов.

Минимальная поверхностная форма может формироваться посредством сглаживания, например, посредством использования алгоритма поиска потока конформализованной средней кривизны, описанного, например, в работе авторов K. Crane, U. Pinkall, P. Schröder, ACM Transactions on Graphics, июль 2013 года, статья номер: 61, "Robust fairing via conformal curvature flow". Результирующая минимальная поверхностная форма может анализироваться на предмет условия нулевой средней кривизны, и алгоритм поиска потока конформализованной средней кривизны может повторно применяться, чтобы оптимизировать минимальную поверхностную форму относительно условия нулевой средней кривизны. Альтернативно, минимальная поверхностная форма может формироваться из минимального поверхностного прекурсора, например, посредством минимизации среднеквадратической кривизны минимального поверхностного прекурсора, сглаживания с использованием оператора Лапласа и/или LS3-подразделения Лупа. Дополнительные схемы сглаживания описываются в заявке PCT/IB2019/054076 от настоящего заявителя, описание которой настоящим содержится по ссылке.

Предпочтительно, по меньшей мере, один физический параметр выбирается, по меньшей мере, из одного из следующего: механическая нагрузка, значения и/или распределение механических напряжений, максимальное допустимое механическое напряжение, растяжение, допуск по локальной деформации, жесткость, гибкость, вибрация, ослабление в указанном частотном диапазоне, объем хранимой текучей среды, поток текучей среды, теплоперенос, теплоперенос вдоль минимальной поверхностной структуры (внутри стенок), теплоперенос через минимальную поверхностную структуру (из лабиринта первого скелетного графа в лабиринт второго скелетного графа), бюджет масс, распределение масс, распределение количества движения, геометрия изделия, такая как, например, увеличенная плотность материала по периметру изделия, минимальный и/или максимальный диаметр канала минимальной поверхностной структуры, минимальная и/или максимальная ширина стенки минимальной поверхностной структуры, принудительная площадь поперечного сечения каналов минимальной поверхностной структуры или стенки минимальной поверхностной структуры в данном местоположении в поперечном сечении (глобально выравниваемом по трехмерному изделию или локально указываемом), пригодность для трехмерной печати, такая как, например, увеличенная плотность рядом с нависающими краями или под горизонтальными наружными оболочками, местоположение центра масс трехмерного изделия, оптимизация геометрии к повторному росту кости для вариантов применения для создания имплантатов, ресорбция материала, проницаемость, объемная пропорция между лабиринтами (которая может варьироваться посредством асимметричных ширин стенки или асимметричного совмещения минимального поверхностного прекурсора относительно скелетных графов), минимальные и/или максимальные пустоты лабиринтов.

Согласно дополнительному аспекту, настоящее изобретение также направлено на минимальную поверхностную структуру, аддитивно изготовленную посредством способа согласно настоящему изобретению.

В варианте осуществления минимальной поверхностной структуры, минимальная поверхностная структура представляет собой квазипериодическую структуру.

В варианте осуществления минимальной поверхностной структуры, минимальная поверхностная структура представляет собой аморфную структуру.

Согласно дополнительному аспекту, настоящее изобретение также направлено на энергонезависимый компьютерночитаемый носитель, имеющий сохраненными машиноисполняемые инструкции, выполненные с возможностью инструктировать трехмерному принтеру аддитивно изготавливать минимальную поверхностную структуру согласно цифровой минимальной поверхностной модели, как описано в данном документе, причем машиноисполняемые инструкции содержат выполнение, посредством процессора, этапов: записи в компьютер огибающей трехмерного изделия; формирования поля плотностей по объему, замкнутому посредством огибающей, с плотностями из поля плотностей, соответствующими значениям согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра в соответствующих позициях трехмерного изделия; формирования адаптивной мозаичной диаграммы Вороного объема с использованием поля плотностей; формирования первого скелетного графа, ассоциированного с адаптивной мозаичной диаграммой Вороного; формирования второго скелетного графа, ассоциированного с первым скелетным графом; формирования цифровой минимальной поверхностной модели из первого и второго скелетных графов.

Согласно дополнительному аспекту, настоящее изобретение также направлено на машинореализованный способ формирования цифровой минимальной поверхностной модели, выполненной с возможностью обеспечения аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры согласно цифровой минимальной поверхностной модели посредством трехмерного принтера, как описано в данном документе, при этом машинореализованный способ содержит выполнение, посредством процессора, этапов записи в компьютер огибающей трехмерного изделия; формирования поля плотностей по объему, замкнутому посредством огибающей, с плотностями из поля плотностей, соответствующими значениям согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра в соответствующих позициях трехмерного изделия; формирования адаптивной мозаичной диаграммы Вороного объема с использованием поля плотностей; формирования первого скелетного графа, ассоциированного с адаптивной мозаичной диаграммой Вороного; формирования второго скелетного графа, ассоциированного с первым скелетным графом; формирования цифровой минимальной поверхностной модели из первого и второго скелетных графов; сохранения цифровой минимальной поверхностной модели на компьютерночитаемом носителе.

Компьютерночитаемый носитель может представлять собой энергонезависимый компьютерночитаемый носитель или сигнал данных, осуществленный в качестве несущей волны.

Согласно дополнительному аспекту, настоящее изобретение также направлено на компьютерный программный продукт, содержащий компьютерный программный код, выполненный с возможностью управлять компьютером таким образом, что компьютер выполняет этапы машинореализованного способа согласно настоящему изобретению.

Краткое описание чертежей

Ниже подробнее поясняется настоящее изобретение, посредством примерных вариантов осуществления, со ссылкой на схематичные чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает вид в перспективе огибающей изделия и огибающей поля плотностей;

Фиг. 2 показывает вид в перспективе огибающей поля плотностей по фиг. 1 и кубоидной огибающей;

Фиг. 3 показывает вид в перспективе огибающей поля плотностей с замкнутым объемом, подразделяемым посредством четырехгранного вокселного поля и огибающей изделия;

Фиг. 4 показывает вид в перспективе огибающей поля плотностей по фиг. 3 с вычисленным полем плотностей в огибающей поля плотностей;

Фиг. 5 показывает вид в перспективе набора рассеянных точек, случайно распределенных по объему, замкнутому посредством огибающей изделия;

Фиг. 6 показывает вид в перспективе адаптивной мозаичной диаграммы Вороного и первого скелетного графа, сформированного из адаптивной мозаичной диаграммы Вороного объема, замкнутого посредством огибающей поля плотностей с использованием рассеянных точек по фиг. 5;

Фиг. 7 показывает вид в перспективе второго скелетного графа, сформированного из тетраэдрализации Делоне адаптивной мозаичной диаграммы Вороного по фиг. 6;

Фиг. 8 показывает вид в перспективе первого и второго скелетных графов по фиг. 6 и фиг. 7;

Фиг. 9 показывает вид в перспективе минимального поверхностного прекурсора, сформированного из первого и второго скелетных графов и выступающий из огибающей изделия;

Фиг. 10 показывает вид в перспективе минимальной поверхностной формы, полученной из минимального поверхностного прекурсора, такого как минимальный поверхностный прекурсор по фиг. 9, и обрезанной в огибающую изделия;

Фиг. 11 показывает вид в перспективе минимальной поверхностной формы, такой как минимальная поверхностная форма по фиг. 10 вместе со скелетным графом;

Фиг. 12 показывает вид в перспективе цифровой минимальной поверхностной модели, полученной из минимальной поверхностной формы по фиг. 11;

Фиг. 13 показывает вид в перспективе цифровой минимальной поверхности по фиг. 12 со вторым скелетным графом, показанным в дополнение;

Фиг. 14 показывает вид в перспективе спутникового шасси с теплообменником или тепловыравнивателем в качестве трехмерного изделия, содержащего вариант осуществления минимальной поверхностной структуры;

Фиг. 15 показывает вид в перспективе спинного клеточного каркаса в качестве трехмерного изделия, которое формируется посредством варианта осуществления минимальной поверхностной структуры;

Фиг. 16a-c иллюстрируют последовательность этапов, на которых ребра тетраэдрализации Делоне корректируются для того, чтобы адаптироваться к топологическому условию;

Фиг. 17 показывает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры трехмерного изделия;

Фиг. 18 показывает блок-схему варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению;

Фиг. 19 показывает пример обработки сегментов скелетных графов, проходящих по огибающей трехмерного изделия.

Подробное описание вариантов осуществления

Фиг. 1 показывает вид в перспективе огибающей 11 изделия трехмерного изделия, которая должна аддитивно изготавливаться, и огибающей 12 поля плотностей, замыкающей огибающую 11 изделия. Огибающая 11 изделия имеет цилиндрическую форму и представляет границу цилиндрического трехмерного изделия. Огибающая 12 поля плотностей представляет собой 7-гранную призму, предоставляющую упрощение огибающей 11 изделия, чтобы уменьшать мощность обработки компьютера, формирующего цифровую минимальную поверхностную модель.

Фиг. 2 показывает вид в перспективе огибающей 12 поля плотностей по фиг. 1 и кубоидной огибающей 13 (BBB), замыкающей огибающую 12 поля плотностей. С использованием кубоидной огибающей 13 и подразделения на вокселы объемов, замкнутых посредством огибающей 12 поля плотностей и кубоидной огибающей 13, число pts_bbb точек в кубоидном объеме в bbb_vol при максимальном размере max_grid сетки может вычисляться как pts_bbb=(BBB_width/max_grid) x (BBB_depth/max_grid) x (BBB_height/max_grid), где BBB_width, BBB_depth, BBB_height обозначают ширину, глубину и высоту кубоидной огибающей BBB. Максимальный размер max_grid сетки вычисляется как 0,5 от суммы максимального диаметра max_channel канала, который представляет диаметр наибольшего канала минимальной поверхностной структуры, и минимальной ширины min_wall стенки, которая представляет наименьшую ширину стенки минимальной поверхностной структуры, которая должна подвергаться трехмерной печати. Из этого может число pts_env точек в огибающей поля плотностей при максимальном размере сетки вычисляться следующим образом: pts_env=pts_bbb x (env_vol/bbb_vol).

Фиг. 3 показывает вид в перспективе огибающей 12 поля плотностей с замкнутым объемом 121, подразделяемым посредством четырехгранного вокселного поля с четырехгранными первичными вокселами 122. Огибающая 11 изделия по фиг. 1 показывается в дополнение. Моделирование по FEM (конечно-элементному способу) выполняется посредством компьютера, чтобы формировать значения согласно локальным требованиям физического параметра, таким как растяжение, трехмерного изделия для каждого из первичных вокселов 122.

Фиг. 4 показывает поле 2 плотностей, сформированное из значений согласно локальным требованиям в объеме 121, замкнутом посредством огибающей 12 поля плотностей. В настоящем примере растяжения, плотности из поля 2 плотностей являются пропорциональными значениям локального растяжения в первичных вокселах 122. Поле 2 плотностей в силу этого представляет пространственное преобразование локального растяжения в огибающей 12 поля плотностей. Соответственно, плотности варьируются в объеме 121. Например, плотности в нижней центральной области объема 121 на фиг. 4 (белые области/вокселы) выше, чем к верхней части объема 121 на фиг. 4 (черные области/вокселы), что указывает то, что механическое напряжение снижается от нижней части к верхней части объема 121. Из фиг. 4 также можно признавать то, что плотность является более высокой к передней стороне объема 121, как указано посредством более ярких вокселов на передней грани семиугольной призмы объема 121 по сравнению с вокселами в двух соседних гранях слева и справа (в ориентации, как показано на фиг. 4).

Фиг. 5 показывает вид в перспективе набора рассеянных точек 21, перераспределяемых согласно полю 2 плотностей по фиг. 4, после случайного распределения в объеме 121, замкнутом посредством огибающей изделия. Характеристики поля плотностей дополнительно включаются в вычисление числа (pts_use) рассеянных точек 21 в качестве pts_use=pts_env x are_prop, где are_prop=area_histo/area_full; area_histo и area_full получаются посредством гистограммы, на которую записываются все значения механического напряжения или значения плотности, полученные посредством FEM-моделирования; area_histo представляет собой сумму всех механических напряжений или плотностей в элементах разрешения гистограммы, и area_full представляет собой произведение наибольшего механического напряжения на гистограмме и числа элементов разрешения на гистограмме; pts_env представляет собой число точек в огибающей поля плотностей при максимальном размере сетки, как описано выше. Рассеянные точки 21 служат в качестве начальных формирующих точек ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного.

Фиг. 6 показывает вид в перспективе адаптивной мозаичной диаграммы VO Вороного и первого скелетного графа A, извлекаемого из адаптивной мозаичной диаграммы VO Вороного объема 121, замкнутого посредством огибающей поля плотностей, при этом адаптивная мозаичная диаграмма VO Вороного сформирована начиная с рассеянных точек 21 по фиг. 5 в качестве начальных формирующих точек и посредством выполнения далее этапов итеративного формирования ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы VO Вороного посредством взвешенной пунктировки, как описано выше, с использованием поля плотностей по фиг. 3, приводя к взвешенной центроидальной мозаичной диаграмме VO Вороного согласно полю плотностей. Скелетный граф A проходит вдоль ребер ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы VO Вороного. Для скелетного графа A, выполнены итерации этапов a) и b) для сдвига формирующих точек 21 из ячеек Вороного в центроиды ячеек Вороного с использованием поля плотностей, как описано выше. Дополнительно, также выполнена итерация этапов c)-e), как описано выше, для разбиения и/или объединения ячеек Вороного с использованием весового коэффициента ячейки ячеек Вороного. Следовательно, скелетный граф A сформирован из взвешенной центроидальной мозаичной диаграммы VO Вороного согласно полю плотностей с адаптированными размерами ячеек Вороного согласно полю плотностей.

Фиг. 7 показывает вид в перспективе второго скелетного графа B, сформированного из тетраэдрализации Делоне центроидальной мозаичной диаграммы VO Вороного по фиг. 6. Центроиды C ячеек Вороного по фиг. 6 также показаны. Второй скелетный граф B является, по существу, двойственным с первым скелетным графом A. Два скелетных графа A и B переплетаются без пересечения друг друга.

Фиг. 8 показывает вид в перспективе переплетающихся первого и второго скелетных графов по фиг. 6 и фиг. 7.

Фиг. 9 показывает вид в перспективе минимального поверхностного прекурсора 3, сформированного из первого и второго скелетных графов, показанных на фиг. 6-8, и выступающего из огибающей 11 изделия. Минимальный поверхностный прекурсор 3 представляет собой поверхность, равноотстоящую от первого и второго скелетных графов. Минимальный поверхностный прекурсор 3 формируется в качестве эквипотенциальной поверхности с использованием кулонова силового поля, вычисленного с использованием назначенных положительных и отрицательных электрических зарядов в первый и второй скелетные графы, как описано выше.

Фиг. 10 показывает вид в перспективе минимальной поверхностной формы 4, полученной посредством сглаживания из минимального поверхностного прекурсора, такого как минимальный поверхностный прекурсор по фиг. 9. Минимальная поверхностная форма 4 сформирована посредством использования алгоритма поиска потока конформализованной средней кривизны, в котором граница минимального поверхностного прекурсора сохраняется, чтобы предотвращать усадку минимального поверхностного прекурсора при выполнении алгоритма поиска потока конформализованной средней кривизны. Первый и второй скелетные графы по фиг. 8 и, соответственно, минимальный поверхностный прекурсор 3 по фиг. 9, выступающий из огибающей изделия, обеспечивают оптимальную производительность алгоритма поиска потока конформализованной средней кривизны также в местоположении огибающей изделия при сглаживании минимального поверхностного прекурсора 3, чтобы получать минимальную поверхностную форму 4.

Фиг. 11 показывает вид в перспективе минимальной поверхностной формы 3, такой как минимальная поверхностная форма по фиг. 10. Второй скелетный граф B по фиг. 7 показывается в дополнение в качестве иллюстрации. Первый скелетный граф опущен для улучшенного представления.

Фиг. 12 показывает вид в перспективе цифровой минимальной поверхностной модели 5, полученной из минимальной поверхностной формы 3 по фиг. 11. Цифровая минимальная поверхностная модель 5 содержит стенку 51, которая сформирована посредством пары изоповерхностей 52.1 и 52.2, которые формируются таким образом, что они равномерно разнесены от минимальной поверхностной формы 3 по фиг. 10. Расстояние между изоповерхностями 52.1 и 52.2 равно ширине стенки, назначенной минимальной поверхностной форме 3 по фиг. 10 таким образом, что стенка 51 демонстрирует упомянутую ширину стенки. В этом примере, постоянная глобальная ширина стенки применяется. Изоповерхности 52.1 и 52.2 соединяются посредством концевых граней 53. Специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что иллюстрация аддитивно изготовленной минимальной поверхностной структуры согласно цифровой минимальной поверхностной модели 5 по существу должна выглядеть одинаково с представлением цифровой минимальной поверхностной модели 5, как показано на фиг. 12. Минимальная поверхностная структура, трехмерно отпечатанная согласно цифровой минимальной поверхностной модели 5, может составлять трехмерное изделие. Альтернативно, трехмерное изделие может содержать оболочку, которая размещается на границе минимальной поверхностной структуры, трехмерно отпечатанной согласно цифровой минимальной поверхностной модели 5. Оболочка может закрывать каналы 54. В некоторых вариантах осуществления, каналы 54 могут закрываться посредством одного из способов, описанных выше.

Фиг. 13 показывает вид в перспективе цифровой минимальной поверхности 5 по фиг. 12 со вторым скелетным графом B, показанным в дополнения в качестве иллюстрации. Первый скелетный граф опущен для улучшенного представления.

Фиг. 14 показывает вид в перспективе спутникового шасси 100 с теплообменником или тепловыравнивателем в качестве трехмерного изделия, содержащего вариант осуществления минимальной поверхностной структуры 61, которая аддитивно изготовлена согласно настоящему изобретению. Минимальная поверхностная структура 61 спутникового шасси 100 служит в качестве теплообменника с первой теплопередающей средой FA, протекающей через черные трубы и первый лабиринт минимальной поверхностной структуры 61, ассоциированной с первым скелетным графом, и второй теплопередающей средой FB, протекающей через белые трубы и второй лабиринт минимальной поверхностной структуры 61, ассоциированной со вторым скелетным графом. Среды FA и FB протекают в противоположных направлениях, в силу этого предоставляя температурное равновесие в спутниковом шасси 100 (между подсвеченными и заштрихованными областями), которое обеспечивает возможность уменьшения механического напряжения и деформации шасси 100 вследствие разностей температур.

Фиг. 15 показывает вид в перспективе спинного клеточного каркаса 200 в качестве трехмерного изделия, которое формируется посредством варианта осуществления минимальной поверхностной структуры 62, аддитивно изготовленной согласно настоящему изобретению. Шкала составляет 1 см. Небольшие периферийные каналы 621 минимальной поверхностной структуры 62 оптимизируются касательно идеального врастания кости. Более крупные каналы 622 служат для повышения стабильности. Ширина стенки минимальной поверхностной структуры составляет 0,4 мм или меньше, в зависимости от характеристик трехмерного принтера. Для показанного примера спинного клеточного каркаса 200, характеристики врастания кости предоставляют набор значений согласно локальным требованиям для поля плотностей. Врастание кости обычно поддерживается посредством вставки собственного, донорного или искусственного костного мозга в спинной клеточный каркас 200 до имплантационной хирургии. Для случая ресорбируемого имплантата, изготовленного из магния или биокерамики, такой как bTCP или HA, кривая ресорбции в связи со способностью несения механической нагрузки предоставляет набор значений согласно локальным требованиям для поля плотностей. Например, периферийные области минимальной поверхностной структуры 62, в которых возникает контакт с костью, должны демонстрировать диаметры канала между 0,8 и 1,2 мм, чтобы оптимизировать врастание кости. Кроме того, для показанного спинного клеточного каркаса 200, который может быть изготовлен из магния или биокерамики, стенки в центральной области минимальной поверхностной структуры 62 должны демонстрировать достаточную ширину стенки, чтобы обеспечивать достаточную способность несения нагрузки (для случая биокерамики), и при этом на временной шкале, в течение которой осуществляется врастание кости, биоресорбция удаляет только количество материала, для которого способность несения нагрузки минимальной поверхностной структуры 62 гарантируется.

Фиг. 16(a)-(c) иллюстрируют последовательность этапов, на которых ребра тетраэдрализации Делоне корректируются для того, чтобы адаптироваться к топологическому условию, которое требует от сегментов второго скелетного графа, ассоциированного с формирующими точками соединения тетраэдрализации Делоне соседних ячеек Вороного, проходить только внутри упомянутых соседних ячеек Вороного. В качестве иллюстрации, фиг. 16(a)-(c) показаны для двумерной конфигурации. Специалисты в данной области техники должны признавать то, что показанная схема коррекции может транслироваться в трехмерный случай, соответственно. Фиг. 16(a) показывает адаптивную мозаичную диаграмму Вороного с ячейками Вороного, ограниченными посредством пунктирных линий, с показанными формирующими точками и точками, который помечают углы, а также средние точки ребер ячеек Вороного. Фиг. 16(b) показывает триангуляцию Делоне посредством соединения формирующих точек ячеек Вороного посредством сплошных линий. Ребра E обозначают ребра триангуляции Делоне, которые не удовлетворяют топологическому условию и должны корректироваться согласно пунктирным кривым. Фиг. 16(c) показывает скорректированную триангуляцию Делоне, при которой ребра E по фиг. 16(b) заменены на ребра, совершающие обход и проходящие через средние точки ребер соседних ячеек Вороного согласно пунктирным кривым по фиг. 16(b) таким образом, что топологическое условие удовлетворяется. Второй скелетный граф, полученный из скорректированной триангуляции Делоне, является, по существу, двойственным с первым скелетным графом, полученным из адаптивной мозаичной диаграммы Вороного.

Фиг. 17 показывает блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры трехмерного изделия согласно настоящему изобретению. На этапе S1, компьютер записывает огибающую трехмерного изделия в компьютер. На этапе S2, компьютер формирует поле плотностей по объему, замкнутому посредством огибающей, с плотностями из поля плотностей, соответствующими значениям согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра в соответствующих позициях трехмерного изделия. На этапе S3, компьютер формирует адаптивную мозаичную диаграмму Вороного объема с использованием поля плотностей. На этапе S4, компьютер формирует первый скелетный граф, ассоциированный с адаптивной мозаичной диаграммой Вороного. На этапе S5, компьютер формирует второй скелетный граф, ассоциированный с первым скелетным графом. На этапе S6, компьютер формирует цифровую минимальную поверхностную модель из первого и второго скелетных графов. На этапе S7, трехмерный принтер аддитивно изготавливает минимальную поверхностную структуру согласно цифровой минимальной поверхностной модели.

Фиг. 18 показывает блок-схему варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению. Во-первых, компьютер 10 с энергонезависимым компьютерночитаемым носителем 101, таким как устройство хранения данных, имеющее сохраненными машиноисполняемые инструкции для того, чтобы осуществлять способ, как показано на фиг. 17, формирует цифровую минимальную поверхностную модель 5. Цифровая минимальная поверхностная модель 5 сохраняется в качестве CAD-файла на энергонезависимом компьютерночитаемом носителе 20, таком как устройство хранения данных. С использованием CAD-файла, трехмерный принтер 30 печатает минимальную поверхностную структуру 63 согласно цифровой минимальной поверхностной модели 5.

Фиг. 19 показывает пример обработки сегментов скелетных графов, проходящих по огибающей трехмерного изделия, при этом из сегмента первого и/или второго скелетного графа, который проходит по огибающей трехмерного изделия, первая часть сегмента, находящаяся за пределами объема, замкнутого посредством огибающей, удаляется и заменяется посредством части сегмента, которая получается посредством формирования зеркального изображения относительно огибающей в позиции, в которой сегмент первого и/или второго скелетного графа проходит по огибающей, причем вторая часть сегмента находится внутри объема и примыкает к первой части сегмента. Как можно видеть на фиг. 19, сегменты A'''(x) с открытым концом, т.е. сегменты, которые не соединяются с дальнейшими сегментами и заканчиваются пустотой, удалены. Дополнительно, из крайнего внешнего сегмента(ов), т.е. сегментов, которые должны проходить по обшивке 25 изделия, части A'''(o) за пределами обшивки удаляются и заменяются зеркальным изображением A'''(m) части сегмента A'''(i) в изделии, за счет чего зеркальное изображение представляет собой зеркальное изображение части внутри, которая зеркалируется относительно обшивки 25, в месте, в котором она проходится посредством сегмента. Это выявляет то, что результирующая минимальная поверхностная структура касается огибающей 25 в по существу перпендикулярном направлении, в силу этого предоставляя идеальный проводник нагрузок.

Изобретение относится к способу аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры трехмерного изделия и соответствующему носителю. Техническим результатом является изготовление методом аддитивного производства минимальной поверхностной структуры, удовлетворяющей физическим требованиям по механическому напряжению и/или растяжению по объему оптимизированным образом. Способ аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры трехмерного изделия содержит этапы: записи в компьютер огибающей трехмерного изделия; формирования поля плотностей по объему, замкнутому посредством огибающей, с плотностями из поля плотностей, соответствующими значениям согласно локальным требованиям физического параметра в соответствующих позициях трехмерного изделия; формирования адаптивной мозаичной диаграммы Вороного объема с использованием поля плотностей; формирования первого скелетного графа, ассоциированного с диаграммой Вороного; формирования второго скелетного графа, ассоциированного с первым скелетным графом; формирования цифровой минимальной поверхностной модели из первого и второго скелетных графов; аддитивное изготовление минимальной поверхностной структуры согласно цифровой минимальной поверхностной модели. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Способ аддитивного изготовления минимальной поверхностной структуры (61, 62, 63) трехмерного изделия (100, 200), при этом способ содержит этапы, на которых:

- записывают посредством компьютера (10) в компьютер (10) огибающую (11, 12) трехмерного изделия (100, 200);

- формируют посредством компьютера (10) поле (2) плотностей по объему (121), замкнутому посредством огибающей (12), с плотностями из поля (2) плотностей, соответствующими значениям согласно локальным требованиям, по меньшей мере, одного физического параметра в соответствующих позициях трехмерного изделия (100, 200);

- формируют посредством компьютера (10) адаптивную мозаичную диаграмму (VO) Вороного объема (121) с использованием поля (2) плотностей;

- формируют посредством компьютера (10) первый скелетный граф (А), ассоциированный с адаптивной мозаичной диаграммой (VO) Вороного;

- формируют посредством компьютера (10) второй скелетный граф (В), ассоциированный с первым скелетным графом (А);

- формируют посредством компьютера (10) цифровую минимальную поверхностную модель (5) из первого и второго скелетных графов (А; В);

- при этом способ дополнительно содержит этап, на котором аддитивно изготавливают, посредством трехмерного принтера (30), минимальную поверхностную структуру (61, 62, 63) согласно цифровой минимальной поверхностной модели (5),

причем формирование адаптивной мозаичной диаграммы (VO) Вороного содержит этапы, на которых:

- формируют посредством компьютера (10) набор рассеянных точек (21), соответствующих распределению плотностей из поля (2) плотностей;

- случайно распределяют посредством компьютера (10) рассеянные точки (21) в объеме (121), замкнутом посредством огибающей (12);

- перераспределяют посредством компьютера (10) случайно распределенные рассеянные точки (21) согласно полю (2) плотностей таким образом, что перераспределенное распределение рассеянных точек (21) соответствует полю (2) плотностей;

- формируют посредством компьютера (10) множество ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы (VO) Вороного с использованием перераспределенных рассеянных точек (21) в качестве формирующих точек ячеек Вороного;

причем первый скелетный граф (А) формируется посредством ребер ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы (VO) Вороного, а второй скелетный граф (В) является по существу двойственным с первым скелетным графом (А);

причем формирование цифровой минимальной поверхностной модели (5) из первого и второго скелетных графов (А; В) содержит этапы, на которых:

- формируют посредством компьютера (10) минимальный поверхностный прекурсор (3) из первого и второго скелетных графов, где минимальный поверхностный прекурсор (3) формируют в качестве поверхности с первым расстоянием (d) до первого скелетного графа (А) и вторым расстоянием (s) до второго скелетного графа (В);

- формируют посредством компьютера (10) минимальную поверхностную форму (4) посредством сглаживания минимального поверхностного прекурсора (3);

- назначают посредством компьютера (10) ширину стенки для минимальной поверхностной формы (4);

- формируют посредством компьютера (10) цифровую минимальную поверхностную модель (5) согласно минимальной поверхностной форме (4) и назначенной ширине стенки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование адаптивной мозаичной диаграммы (VO) Вороного с использованием поля (2) плотностей содержит этап, на котором итеративно формируют множество ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы (VO) Вороного посредством взвешенной пунктировки с использованием поля (2) плотностей, где набор формирующих точек для множества ячеек Вороного формируется с позицией формирующих точек, определяемой посредством значений плотности из поля плотностей, так что области с более высокими значениями плотности содержат больше формирующих точек, чем области с более низкими значениями плотности, так что поле плотностей взвешивает упаковку ячеек Вороного адаптивной мозаичной диаграммы Вороного.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что итеративное формирование множества ячеек Вороного содержит итеративное выполнение этапов, на которых:

a) вычисляют взвешенный центроид (С) каждой ячейки Вороного с использованием поля (2) плотностей и сдвигают формирующие точки ячеек Вороного в соответствующие центроиды (С);

b) формируют новые ячейки Вороного адаптивной мозаичной диаграммы (VO) Вороного с использованием сдвинутых формирующих точек и заменяют ячейки Вороного из этапа а) на новые ячейки Вороного;

- до тех пор, пока вычисленные центроиды (С) не соответствуют формирующим точкам ячеек Вороного на этапе а).

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что итеративное формирование множества ячеек Вороного содержит выполнение этапов, на которых:

c) вычисляют, для каждой ячейки Вороного, весовой коэффициент ячейки посредством интегрирования поля (2) плотностей по соответствующей ячейке Вороного;

d) записывают в компьютер первое пороговое значение весового коэффициента и второе пороговое значение весового коэффициента, при этом первое пороговое значение весового коэффициента больше второго порогового значения весового коэффициента;

е) разбивают ячейки Вороного с весовым коэффициентом ячейки выше первого порогового значения весового коэффициента и удаляют ячейки Вороного с весовым коэффициентом ячейки ниже второго порогового значения весового коэффициента;

- после этапа b) по п. 3.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что этапы с)-е) выполняются для первых 10-30%, предпочтительно 20%, итераций этапов а)-b) по п. 3.

6. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что формирование поля (2) плотностей содержит этап, на котором:

- разделяют объем (121), замкнутый посредством огибающей (12), на множество предпочтительно четырехгранных вокселов (122) и формируют, по меньшей мере, одно значение, по меньшей мере, одного физического параметра согласно локальным требованиям для каждого воксела (122).

7. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что второй скелетный граф (В) формируется посредством тетраэдрализации Делоне формирующих точек адаптивной мозаичной диаграммы (VO) Вороного.

8. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что из сегмента первого и/или второго скелетного графа (А; В), который проходит по огибающей трехмерного изделия, первая часть сегмента, находящаяся за пределами объема (121), замкнутого посредством огибающей (12), удаляется и заменяется посредством части сегмента, которая получается посредством формирования зеркального изображения относительно огибающей (12) в позиции, в которой сегмент первого и/или второго скелетного графа проходит по огибающей (12), причем вторая часть сегмента находится внутри объема и примыкает к первой части сегмента.

9. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что ячейки Вороного, которые протягиваются за пределы огибающей (12) трехмерного изделия (100, 200), обрезаются в огибающей, и центроиды обрезанных ячеек Вороного повторно вычисляются с использованием поля плотностей.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование цифровой минимальной поверхностной модели (5) из первого и второго скелетных графов (А; В) содержит этапы, на которых:

- назначают первый электрический заряд первому скелетному графу (A);

- назначают второй электрический заряд второму скелетному графу (B), при этом второй электрический заряд равен по абсолютному значению, но имеет противоположный знак по сравнению с первым электрическим зарядом;

- формируют минимальный поверхностный прекурсор (4) в качестве эквипотенциальной поверхности между первым и вторым скелетным графом (А; В) с использованием кулонова силового поля, вычисленного на основе первого и второго скелетных графов (А; В) и их электрических зарядов.

11. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один физический параметр выбирается, по меньшей мере, из одного из следующего: механическая нагрузка, жесткость, объем хранимой текучей среды, поток текучей среды, теплоперенос.

12. Энергонезависимый компьютерночитаемый носитель (101), имеющий сохраненные на нем машиноисполняемые инструкции, выполненные с возможностью инструктировать трехмерному принтеру (30) аддитивно изготавливать минимальную поверхностную структуру (61, 62, 63) трехмерного изделия (100, 200) в соответствии со способом по любому из пп. 1-11.