3D打印技术在面向制造设计中的结构优化研究

3D打印

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第 1 章绪论

简单形状的物体，并不对其制造成本产生太大影响。同时，在打印过程中，也不

需要模具，大大降低了制造的约束条件。

（2）零技能制造：传统制造方式要求制造人员掌握一定的制造技能，如生产

流水线上的工人需要培训学习一定时间才能上岗工作，传统工匠要经过几年学

徒期才能学到所需的技艺。而 3D 打印中，产品的复杂制造过程被模块分解为切

片、路径规划、分层打印和层层叠加等自动化过程，最终通过 3D 打印机来实现，

而无需太多人工干预与操作。因此，3D 打印大大降低了产品制造对制造人员的

技能要求。

（3）便于个性化定制：传统制造方式的优势在于批量生产制造，制作一个产

品模具后可以重复利用来生产同样产品。随着社会的发展和技术的进步，人们的

个性化需求也随之提高。传统制造方式在这方面力有不逮，而 3D 打印因为它无

需模具，同时制造过程与产品形状相关性并不大，因此，很适合个性化定制产品。

上述优势使得 3D 打印非常适合以下几类产品的快速制造：

（1）具有复杂结构与形状的产品，如传统方法难以加工的自由曲面叶片、复

杂内流道等，结构拓扑优化后的产品，传统方式无法加工的如复杂内部镂空结构

等；

（2）具有高附加值的个性化定制产品，如航空航天、生物医疗、珠宝、文化

创意礼品等个性化定制产品；

（3）原型产品，即一些产品在大规模量产前，要不断地的研发与验证性制造，

这时可以用 3D 打印来打印这些产品原型，以提高研发效率，降低测试成本。

这里需指出的是，从目前 3D 打印的技术来看，与传统制造技术相比，它在

以下三方面还有待提高：（1）大多数 3D 打印产品的表面质量还较低，产品的结

构性能与高端工业产品之间还有一定距离；（2）大部分 3D 打印技术的速度与效

率尚需提高，构建的产品有时还需后处理，较为繁琐，这些更增加了打印产品的

制造时间；（3）目前 3D 打印的产品成本还较高。同样大小的产品，3D 打印所

需的成本要明显高于传统技术，尤其是金属材料的打印产品。

从上述 3D 打印技术的优劣势分析来看，3D 打印技术与传统制造技术之间

并不是一种你死我活的恶性竞争关系，应该是一种友好共存、优势互补的良好合

作关系。

1.1.3 原理与流程

3D 打印工作原理和传统打印机工作原理有些相似之处。传统打印机在打印

时，只要轻点应用程序上的“打印”按钮，打印文件就被输送到打印机的内存

中，再通过软硬件控制系统将内存中的文件输出打印为二维图像。而 3D 打印首

先将对物体的 3D 数据进行逐层切片，再针对每一层切片构建，逐层打印。打印

第 1 章绪论

时，对象会被分层地打印出来，层与层之间通过不同方式进行粘合，最后再一层

一层叠加形成完整对象。简单地说，3D 打印的工作原理就是通过分层打印、逐

层粘合堆积的方式来构建物体。

从广义上说，3D 打印完整流程主要包括五个步骤，如图1.6所示：

图 1.6 3D 打印流程

（1）3D 模型生成：利用三维计算机辅助设计（CAD）或建模软件建模，或

通过三维扫描设备，如激光扫描仪、结构光扫描仪等来获取生成 3D 模型数据。

这时所得到的 3D 模型数据格式可能会因不同方法而有所不同，有些可能是扫描

所获得的点云数据，有些可能是建模生成的 NURBS 曲面信息等；

（2）数据格式转换：将上述所得到的 3D 模型转化为 3D 打印的 STL 格式文

件。STL 是 3D 打印业内所应用的标准文件类型，它是以小三角面片为基本单位

即三角网格离散地近似描述三维实体模型的表面；

（3）切片计算：通过计算机辅助设计技术（CAD）对三角网格格式的 3D 模

型进行数字“切片”（Slice），将其切为一片片的薄层，每一层对应着将来 3D 打

印的物理薄层；

（4）打印路径规划：切片所得到的每个虚拟薄层都反映着最终打印物体的一

个横截面，在将来 3D 打印中打印机需要进行类似光栅扫描式填满内部轮廓，因

此，需要规划出具体的打印路径，并对其进行合理的优化，以得到更快更好的切

片打印效果。

（5）3D 打印：3D 打印机根据上述切片及切片路径信息来控制打印过程，打

印出每一个薄层并层层叠加，直到最终打印物体成型。

从上述 3D 打印流程可知，3D 模型是 3D 打印的基础，3D 打印使 3D 模型

由“虚”变“实”。但是，大多情况下，现有方法直接得到的 3D 模型并不能直接

输出给 3D 打印机。因为大部分设计模型都是由建筑师、工程师或设计人员所提

供，他们都倾向于使用专业设计软件，如 Maya、3ds Max 和 SketchUp 等。还有

一些三维模型数据来自于三维扫描设备，如激光扫描仪、结构光扫描仪等。这些

模型数据信息并未考虑到 3D 打印的具体需求与约束，如果直接输出到 3D 打印

机，通常会导致各种各样的问题，如可能模型尺寸过大，超过打印机能打印的尺

图片来自网络，版权归原作者

第 1 章绪论

寸限制或没有考虑稳定性导致打印出物体无法正常放置等。

正如胡迪和梅尔芭

[42]

所说：3D 打印中，不是输入糟糕的设计文件就能打印

出糟糕的物体，而是你输入糟糕的设计文件，什么都打印不出来，或是比什么也

得不到更糟糕的情况就是浪费了昂贵的原材料。

因此，大多数设计模型，尤其是那些复杂物体的三维模型，都需要经过一些

几何方法进行修正、调整和优化，使其能更好地满足 3D 打印的需求，避免打印

出的物体无法正常发挥功能。这一过程，就是图1.6所示（1）–（4）步的几何计

算问题：将 3D 模型经过一些几何方法处理为 3D 打印机可接受、可打印，甚至

要求打印出的模型可正常使用或具有指定效果的处理过程。下面将对图1.6所示

的几何计算问题根据问题特点进行分类详细介绍。

1.2 3D 打印中的几何计算简介

3D 打印的本质在于分层制造，其中切片计算非常重要。起初，切片计算采

用分层厚度相等，由此会产生模型精度与打印时间之间的矛盾：分层厚度小，模

型精度有保证，但打印时间长；反之，打印时间缩短，但易导致模型阶梯误差

大。这使得自适应厚度方法逐渐流行。在机械快速成型领域中，许多学者对切片

计算已做过深入研究

[44]

。从这些研究成果来看，切片计算方法若按研究对象来

分，可分为：（1）网格切片计算：由于 STL 格式的网格模型是 3D 打印业内所

用的标准文件类型，因此很多切片计算对象主要以 STL 格式的网格类型模型为

主

[45–51]

；（2）直接切片计算：由于原始 3D 模型在转化为 STL 格式模型数据时，

会产生转换误差，因此还有不少研究考虑直接在原始的 3D 模型数据上执行切片

计算

[52–59]

。

切片计算的下一步是打印路径规划，也称为扫描路径生成。它的主要任务是

规划打印机喷头或激光发射器位置的路径，使其能让打印材料由点连线，由线组

合成截面，由面累积成体。它是 3D 打印中最基本的工作，同时最巨大的工作。

因此，合理的打印路径非常重要。打印路径的规划应着眼于减少空行程，减少扫

描路径在不同区域的跳转次数，缩小每一层截面之间的扫描间隔等要求。

目前，按照打印路径类型的不同，打印路径生成方法主要可分为 5 种：（1）

平行扫描

[60;61]

：该方法所生成的路径大多相互平行，两条平行线间首尾相接，形

成一个 Z 字形状的来回路径，因此也常被称为 Z 字路径 (Zigzagging)；（2）轮廓

平行扫描

[62;63]

：所生成的路径由截面轮廓的一系列等距线 (Offsetting curve) 所组

成；（3）分形扫描

[64;65]

：扫描路径由一些短小的分形折线组成；（4）星形发散扫

描

[66]

：将切片从中心分为两部分，先后从中心向外填充两个部分，填充线为平

行 X 或 Y 轴扫描线，或 45 度斜线。（5）基于 Voronoi 图的扫描路径

[67;68]

：根据

第 1 章绪论

网格分片近似表示，再将所得到的网格分解为平面片的组合，并生成平面片之间

的连接头用来拼装各个平面片。在此基础上，通过激光切割机或 3D 打印制作出

每一个多边形平面片，最后将这些面片拼装成一个与原 3D 模型外形相近似的实

物对象。这种方法目前尚未考虑内部支撑结构处理，同时该方法对细长特征的模

型处理结果不好。

针对分割问题，中国矿业大学的 Hao 等

[70]

给出了一个基于曲率的模型分割

方法。该方法首先对模型表面进行曲率分析，提取出模型的特征边，并据其构建

特征环。以此为基础，在其中选择合适的特征环来将原模型分解为小而简单的子

模型组合。这种分割方法的前提是模型表面具有明确的特征信息，因此该方法适

用范围有限。

在日常生活中，人们很喜欢盒子形状的物体，因为这类形状既规则，又可方

便地被装箱运输，同时还可以作为构成其它形状的基本元素。但是，如何将一个

物体分解并使其可折叠成一个盒子状的对象，是一个很有挑战性的任务。最近，

Zhou 等

[71]

就给出一种通过一系列折叠变换过程将一个三维物体变成一个盒子

形状对象的方法。该方法会生成一个单一的、互相连接的对象，这种对象可以实

际地通过不断地折叠从一种形状变为另一种形状，直到最终变为一个类似盒子

形状的物体。该方法首先将三维物体分割成一些体素，再在这些体素中通过三步

来生成一颗可以从所给输入的形状折叠成为目标形状的体素树，文中通过 3D 打

印成功地展示与验证了若干实验结果。

注意到锥形物体在打印时既具有良好的稳定性又无需支撑的良好特性，Hu

等

[72]

提出一种可以将 3D 打印模型自动分解成一个个近似锥形结构的塔式分割

算法。在此基础上，Chen 等

[73]

给出了一个 Dapper 算法来解决 3D 打印中的 DAP

（Decompose-and-Pack）问题，其算法的核心仍是将 3D 模型分解为锥形结构的构

件。Yao 等

[74]

则基于水平集方法研究了 3D 打印模型的分割与装箱问题。

Wang 等

[75]

从优化打印方向来提高各个分块部分的表面打印质量角度，考虑

了分割问题。该方法首先从大量候选打印方向中通过支持向量机（Support Vector

Machine, SVM）方法找出能反映模型主要方向的若干打印方向，并以这些主要

打印方向来初始化分割模型。之后再根据一些约束条件对其调整优化，得到最终

分割结果。最后，文中还给出分割后物体的装配次序。

Li 等

[76]

则以家具模型为对象，研究通过分割将其变为可折叠模型，从而达

到节省空间的目的。而 Vanek 等

[77]

则观察到打印物体的外壳比打印整个物体要

省时省材料，结合装箱体积考虑，他们提出了一个面向装箱体积优化的外壳分割

方法。该方法先将模型的外壳抽取出来，再对外壳进行分割。在分割时，该方法

会考虑连接区域的大小、分片体积等因素。在此基础上，将所有分片紧密地排列

装箱，并对装箱布置结果进行优化，使得装箱体积最小同时所需支撑材料最小。

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