3D打印壳模型的应力分布优化策略：减小体积与降低成本

随着3D打印技术的日益成熟，它在模型设计与产品制造中的应用越来越广泛。然而，高昂的材料成本始终是阻碍其大规模普及的关键因素。针对这一问题，本文探讨了一种基于应力分布的3D打印壳模型构造与优化方法。研究者徐洪飞、黄章进和宋鹏针对如何在保持外观不变的前提下，通过优化模型结构来减小打印体积、降低成本提出了创新策略。 首先，他们采用体素化技术对模型进行表示，这是一种将三维空间划分为多个规则的立方体单元的方法。通过这种方式，构建了一个距离场，以便于提取出初始的均匀厚度壳模型。这种方法确保了模型在处理过程中具有良好的精度和计算效率。 接着，他们引入von Mises应力作为优化的依据。von Mises应力是一种衡量材料内部均匀应力状态的指标，它能反映出结构的强度和稳定性。根据这个原则，算法会自适应地对外表面内的区域进行扩展，调整各个部分的厚度，以满足力学性能的约束，如强度和刚度要求。这一过程是动态的，旨在找到一个平衡点，既满足结构的稳固性，又最大限度地减小模型体积。 实验结果显示，经过这种优化后的壳模型，其体积仅为原始模型的17.2%至24.4%，显著减少了打印所需的材料量，从而降低了打印成本。这种方法不仅保证了产品的外观一致性，还提升了设计的经济性，对于工业生产中对成本敏感的领域具有重要意义。 总结来说，本文提出的基于应力分布的3D打印壳模型构造与优化算法，通过体素化处理、应力分析和自适应厚度调整，提供了一种有效的减小3D打印模型体积的方法。这对于推动3D打印技术在实际应用中的广泛应用和降低成本具有重要的理论和实践价值。在未来的设计和制造流程中，这一成果有望进一步促进轻量化设计的发展，实现更加高效和经济的生产模式。