一种并行式多种材料的三维成形方法

一种并行式多种材料的三维成形方法

发明领域

本发明属于快速成形技术领域，涉及到利用全面积打印喷头的一种并行式的多材料的三维成形方法。

发明背景

三维打印层叠快速成形技术的概念最早是由美国麻省理工学院(MIT)的scansE.M.和cimaM.J.等人于1992年提出的。三维层叠打印是一种基于液滴喷射成形的快速成形技术，单层打印成形类似于喷墨打印过程，即在数字信号的激励下，使打印头工作腔内的液态材料在瞬间形成液滴或者由射流形成液滴，以一定的频率和速度从喷嘴喷出，并喷射到指定位置，逐层堆积，形成三维实体模型。现有的三维成型技术为粉末粘结成形三维打印和直接成形三维打印两种为主。

目前的三维成形方法对单体模型进行数字模型分层处理，形成平面模型的打印成型数据，并逐层打印积累，形成实际的物理模型。由于受到三维成方形法和成形设备的限制，存在成形材料品种单一，成形的制件模型强度低，打印速度慢，打印的时间过长等问题，模型有翘曲变形，层间剥离等一系列缺陷。

发明内容

针对目前现有三维成形方法中所制成的模型的构成材料单一,成形的模型强度低，成形时间过长等相关缺陷，本发明提出一种并行式多种材料的三维成形方法。这种方法通过对三维模型的有限元分析，明确模型的多材料组成。实现并行式的同步多种材料连续堆叠成形的制造方法。

本发明提出一种并行式多材料的三维成型方法，这种方法首先根据模型功能要求进行几何结构的STL建模，再依据有限元分析结果进行成型材料的空间结构分配；包含STL模型和有限元分析结构空间性能的二重三维STL模型进行模块化划分，获得一系列的成型模块信息，包括STL模型、成型材料的构成、精度等成型工艺参数等；对三维成型模型进行结构和空间组成材料的一体化的对应绑定，即将模型的有限元分析后得到的云图上分布彩信息，渲染到同一模型的STL模型的空间结构上，使STL模型成为带有空间彩分布的二重三维STL模型，并定义为一种颜对应一种性能不同的成型材料，实现模型功能要求进行模型的几何拓扑形状(单STL面模型数据表示)和材料组成机构（彩信息表示）的同步一体化设计，模型中包含多种颜对应模型由多种材料构成。对二重STL模型进行切片分层或功能模块单元化分配，获得一些列彩切片或彩模块单元。

利用全面积成形系统，依据逐层堆叠成形制造方式，制造出多材料组成的模型。

利用本发明的并行式多材料的三维成型方法和空间结构一体化的设计思想，在二重三维模型成型过程中其模型中的任意一点可以表示为：，其中表示在z方向上的切片或模块序列矩阵、表示在某一个切片或模块的第i行第j列个像素点、M表示该点的材料分布矩阵、表示切片或模型的厚度、n表示该模型的总的切片或模块数量。

在本发明中为了得到精确的切层图像，须将零件截面在Pro/ENGINEER或CAD等工程图模块下，按照1:1的比例显示并打印成图片格式文件，并对图像进行彩赋值。切层图像处理过程包括图像的灰度化和二值化。灰度化是将通过Pro/ENGINEER或CAD得到的24位真彩图像每个像素点的RGB值通过一系列计算后，使三者值相等。二值化是选取适当的阈值Tn与每一个像素点的灰度值进行比较，将所有大于或等于阈值的像素点的灰度值设置为255，所有小于阈值的像素点的灰度值设置为0，从而将整幅图像中每个像素点的灰度值设为0或255，使整副图像呈现出明显的黑白效果。

在本发明采用的24位RGB表示（R为红、G位绿、B为蓝）每个像素位置点的彩信息，RGB各有256级亮度，用数字表示为从0、1、2...直到255，理论上计算2553得到16,582,375种彩。根据一种彩对应一种材料，所以三维成型模型的各切片或模块上的彩种类与所需要材料要相一致，从1～16,582,375种成型材料，即本发明的全面积成型系统的材料数量为N种，N可为1～16,582,375种。

并行式多材料三维成型方法的工艺过程如图1所示为：

（1）构建三维CAD实体模型

建模的过程，就是利用AutoCAD计算机辅助设计软件设计并制作完成所需模型的电子数据结构。并将形成三维的实体模型转换成STL格式文件，形成三维模型的数据，构造成所设计的CAD立体模型。

（2）模型进行有限元分析

将形成的三维立体模型作为有限元分析（ANSYS）的模型数据，通过限定有限元适应参数，对形成的三维模型进行实用性分析和计算，这些分析包括运动仿真、结构强度分析、疲劳分析等，生成显示不同区域物理状态的云图，通过这样ANSYS分析和计算的分布云图，明确模型的不同区域的受力强度、受热强度，以及运动状态中结构的塑性变化等特征性能。利用这种经过有限元分析的结果，来评估和确定模型受热、受力等物理状态的区域分布，进而为确定模型不同区域和位置的材料分布。

将模型分析云图所具有16,582,375种颜作为不同成型材料分配的依据，在有限元分析的云图中常规的颜被默认为九种颜，用RGB分别表示为{0,0,255}纯蓝、{0,128,255}青、{0,255,255}湖蓝、{0,255,128}粉绿、{0,255,0}绿、{128,255,0}草绿、{255,255,0}黄、{255,128,0}橙、{255,0,0}红。

（3）模型格式转换

利用STL法（即三角化处理方法）将模型进行面化处理，利用小三角面片逼近不规则自由曲面，每个小三角面片由三个坐标顶点和法向矢量这四个数据来表示，整个模型是一组矢量的集合。通过控制小三角面片大小，得到近似程度不同的曲面模型。

将经过有限元分析的模型数据转换成全面积成型系统所接STL文件格式。并将有限元分析的云图的颜分布，依据模型的结构渲染的所建立的三维模型中。以模型的不同颜分布对于不同材料选择，形成模型中不同材料的模块化的的数据包，利用模型的模块化的支撑结构，形成支撑结构数据包。将这些数据包直接传给本发明的全面积成型系统中，依据数据参数自动选择打印成型所需要的不同材料。同时将数据和模型保存在文件*.STL副本中，并弹出参数分配设置对话窗口中，来根据实际的加工精度要求设置弦高度和角度等成型参数。

（4）模型成型数据的自动修复

由于模型经过有限元分析和文件的格式转换成STL文件。STL模型对于实体几何模型的面片法线方向反向、面与面的间隙、面丢失、面重合、面交叉、多余面、部件脱离导致切片轮廓数据的丢失，通过对切片轮廓的不封闭轮廓线的处理，到轮廓断开点，计算各个断点之间的距离，连接距离最近的断开点，并修正各段轮廓线的方向。

在STL模型分成后的轮廓信息文件中，对于其中的一些微小线段，在当前的成型系统的精度要求下，无法插补加工，可以作为冗余点去除这些数据。还有剔除重合点和一条直线段的多余点的数据，以减少多余的插补运算。这样利用全面积成型软件系统可以对所形成的缺陷进行自动寻的补充，并进行修复。

（5）模型定向

完成二重三维模型设计后，选择二重三维模型的摆放方向和位置。

（6）支撑结构的生成

在三维成型系统中，对模型中的悬垂部分和较大的悬臂及梁等结构制备支撑或连接结构。根据二重三维模型的摆放的位垂直水平面投影自动生成支撑结构，通过平行水平面投影自动生成支撑结构，这些支撑结构在模型打印成型完成后能过拆除，不影响模型的整体结构。

（7）模型切片或模块划分

模型分层是利用分成软件将三维数字模型进行分层化处理。分层是沿模型的堆积方向按照层厚进行分成，获得每层截面的轮廓信息，包括分成后进行的纠错处理，截面轮廓线生成以及截面轮廓区域填充等。在成形时间范围内，采用最小的切层厚度，从而获得较高的模型制作精度。

（8）全面积三维成型设备的调试

在每次成型过程中都要对打印头进行清洗，以保障打印头的清洁和喷头的畅通。在开始成形之前启动成形调试程序，将所有成形喷孔开始喷材料，喷到显对比试纸上，如果成形测试所显与显对比试纸上的颜一致，说明成形头没有堵塞，否则说明成形头上的喷孔堵塞。

（9）全面积三维成型过程

利用全面积三维成型系统来自动识别成型模型中不同物理状态区域颜和位置，根据多种显示不同物理状态的颜来自动选择不同的成型材料。首先根据三维模型的STL文件数据来选择三维成形的位置，每一层的具体位置坐标和数据。其次利用有限元分析的结果，自动选择所用的成形材料，这个材料是与颜位置信息相一致的。

设置模型成形参数，初始位置参数，连接到打印成型的全面积打印喷头系统中，自动生成支撑结构和选择支撑材料，打印形成支结构。再根据模型中不同物理状态模块颜分布一次性连续打印成型模型模块，将这些模块依据位置顺序自动成形衔接起来就形成所要的三维模型。

（10）成型实体模型的后处理

将打印好的实体模型从工作台上取出来，去除支撑，清洗实体模型，打磨，大型模型拼接，部分模型还要除夹具。

本发明的并行式多材料三维成型方法所成型的模型所采用的成型材料可以为热熔性材料、光固聚合物、混合凝固的粉状材料以及生物材料中的一种或多种，在属性上可以分为金属材料、无机材料、有机材料等三大类。

其中金属材料（如不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金、碱金属及其合金、氧化铁、硫化铁等）、无机材料（生物活性陶瓷，羟基磷灰石、碳酸钙、磷酸钙硅石天然生物矿物、贝壳、珍珠、骨骼、牙粉等）和有机材料。有机材料中主要是高分子集合物材料，高分子材料通常按材料属性分为合成高分子材料（如聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管、聚氨酯、聚酯、聚碳酸脂、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物、医用合成塑料和橡胶、丙烯酸高分子、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶、陶瓷、玻璃和医用碳素材料、石蜡、塑料、ABS塑料、PLA等）、天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）；

另外根据材料的用途，这些三维成型材料又包括普通材料和生物材料，为此这些材料又可以分为生物惰性（bioinert）、生物活性(bioactive)或生物降解（biodegradable）材料，如：结构蛋白质、胶原蛋白质、丝心蛋白质、角质蛋白质、弹性蛋白质、肌肉收缩蛋白质、整联蛋白、生物纤维、固蛋白、透明质酸、肝素、蛋白聚糖、糖蛋白、黏液、柔性基质、皮肤等。

高分子聚合物中，根据降解产物能否被机体代谢和吸收，降解型高分子又可分为生物可吸收性和生物不可吸收性。根据材料与血液接触后对血液成分、性能的影响状态则分为血液相容性聚合物和血液不相容性。根据材料对机体细胞的亲和性和反映情况，可分为生物相容性和生物不相容性聚合物等。其中生物陶瓷又分为近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。

三维成型材料在刚性、柔性、韧性、强度以及耐磨性等性能上应满足成型模型的结构要求，还包括智能材料、功能材料、复合材料、以及多金属材料等多种材料。

本发明所用的成型装置为全面积打印成型系统，如图2所示，在本系统采用全面积打印成形喷头，这种打印成形喷头上分布有N圈喷孔支架，每一圈的支架可以自由旋转360度，在每一圈的打印喷孔又可以分为N个喷孔单元区域，N从1～16,582,375，每个区域对于一种成型材料，设置其中一个喷孔单元作为支撑材料的出料孔，每个区域对于一个像素位置点，每个像素点对应三维模型的一个位置坐标。每个成形喷头区域通过一个供料导管与上面的供料盒相连，供料盒根据打印喷孔区域数量的设定来确定。打印成型材料的选择是根据模型有限元分析后的云图的颜来分配。一种的颜对于一个喷孔单元的位置，一个的喷孔单元连接一种成型材料，当喷头上有N个喷孔区域时就对应有N种打印成型材料相连接。材料的选择是根据上位机的控制命令来实现，通过控制电机驱动圆圈的喷孔支架，自动转动定位，相邻功能区材料的衔接。在打印过程中喷头的喷孔能连续喷出成型材料。根据所打印模型的形状要求，在成形过程中先打印成形支撑结构，再连续打印出成形切片或模块，打印成形过程依据模块材料和结构特性按顺序，从低到高逐渐成型，直达全部打印成形结束。本发明是区别于现有3D打印逐层成型的方法，而是以物理功能来区分切片或模块，利用支撑材料形成的支撑模具来支撑模型。模型通过本发明的全面积成型装置从下之上连续逐渐堆积成实际的三维物理模型。

本发明的成形装置为全面积成形系统，其结构示意图如2所示。这套成形系统是由1～N层圆圈喷头架组成，每一圆圈架上分为1～N个不同单元的喷墨喷孔单元区域，N从1～16,582,375。每个单元对应一种打印成型材料，每圆圈喷头架可以围绕中心360度自由旋转，每个区域对于一种成型材料，并且每个区域对于一个像素位置点。设置其中一个喷孔单元作为支撑材料的出料孔。每个像素点对应三维模型的一个位置坐标。

当打印过程中，任意相邻两圈的两个打印喷孔可以自由组合相邻近接触，这就构成了任意两种材料都可以相邻近相连，支撑材料喷射单元可以自由与成形材料喷射单元相挨着联接，在打印形型的过程中，可以根据模型的结构同时进行多组成材料的模型的切片或单元同时打印成形，也可以根据模型片层的组成区域进行两组或多组相邻不同单元结构的同时打印成形。根据所打印模型的形状要求，在模型成形过程在需要打印支撑结构时，根据支撑结构的成形位置与相邻模型成形结构，先打印成形支撑结构，再连续打印出成形切片或模块，打印过程依据模块材料和结构特性按顺序，从低到高逐渐成形，直达全部打印结束。这种全面积打印成形系统，不仅可以实现多材料的打印成形，而且还做到了不同种类成形材料自由组合相邻近接触组合，在打印成形过程中能做到多区域的成型切片或单元同时打印，其中的打印喷头结构如图3所示。

有益效果

利用本发明公布的成型方法所打印成形的模型不仅机械性强度高，抗阻抗性能力强，而且减少了模型成材的材料的消耗，降低成本，减少模型成型时间，提高了成型效率。

经过有限元分析后所打印成形的模型，其模型的材料分布构成更加合理，模型更具备适应运动机构的性能要求，增加了模型的牢固性和可靠性。扩大了三维成型方法的适应性，扩展了三维成型模型的应用范围，实用性能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1所示为并行式多材料三维成形的流程；

图2所示为N个喷孔单元全面积三维成形系统的示意图；

图3所示为N个喷孔单元全面积三维成形喷头示意图；

图4所示为八个喷孔单元全面积三维成形系统的实施例示意图；

图5所示为八个喷孔单元全面积三维成形喷头实施例示意图；

图6所示为八个喷孔单元全面积三维成形喷头实施立体例示意图；

图7所示为人体骨骼的有限元分析后的显示图；

图8所示为风机叶片经过有限元分析后的应力分布图；

图9所示为分级叶片的经过有限元分析后的应力分布图。

以上示意图包括：第N圈第N个打印供料盒供料导管1、第N圈第N个打印供料盒2、第N-1圈第N-1个打印供料盒3、第5圈第5个打印供料盒4、第4圈第4个打印供料盒5、第3圈第3个打印供料盒6、第2圈第2个打印供料盒7、第1圈第1个打印供料盒8、第1圈旋转电机9、第N圈旋转电机10、全面积打印喷头11、X轴平面支架12、Y轴平面支架13、模型托盘14、升降支架15、圆心轴16、第1圈第1个打印喷孔单元17、第1圈第2个打印喷孔单元18、第2圈第2个打印喷孔单元19、第N-1圈第二个打印喷孔单元20、第N圈第1个打印喷孔单元21、第N圈第N个打印喷孔单元22、第1圈第1个打印单元打印供料盒23、第1圈第2个打印单元打印供料盒24、第1圈第3个打印单元打印供料盒25、第1圈第4个打印单元打印供料盒26、第1圈第5个打印单元打印供料盒27、第1圈第6个打印单元打印供料盒28、第1圈第7个打印单元打印供料盒29、第1圈第8个打印单元打印供料盒30、第2圈第1个打印单元打印供料盒31、第2圈第2个打印单元打印供料盒32、第2圈第3个打印单元打印供料盒33、第2圈第4个打印单元打印供料盒34、第2圈第5个打印单元打印供料盒35、第2圈第6个打印单元打印供料盒36、第2圈第7个打印单元打印供料盒37、第2圈第8个打印单元打印供料盒38、第3圈第1个打印单元打印供料盒39、第3圈第2个打印单元打印供料盒40、第3圈第3个打印单元打印供料盒41、第3圈第4个打印单元打印供料盒42、第3圈第5个打印单元打印供料盒43、第3圈第6个打印单元打印供料盒44、第3圈第7个打印单元打印供料盒45、第3圈第8个打印单元打印供料盒46、第3圈第4个打印供料盒供料导管47、第3圈第8个打印供料盒供料导管48、打印头支架圈的旋转驱动电机49、打印头支架圈的支架轴50、X轴平面支架51、Y轴平面支架52、全面积打印喷头53、模型托盘54、升降支架55、第1圈第1个打印喷孔单元56、第2圈第1个打印喷孔单元57、第3圈第1个打印喷孔单元58、第1圈第2个打印喷孔单元59、第2圈第2个打印喷孔单元60、第3圈第2个打印喷孔单元61、第1圈第3个打印喷孔单元62、第2圈第3个打印喷孔单元63、第3圈第3个打印喷孔单元64、第1圈第4个打印喷孔单元65、第2圈第4个打印喷孔单元66、第3圈第4个打印喷孔单元67、第1圈第5个打印喷孔单元68、第2圈第5个打印喷孔单元69、第3圈第5个打印喷孔单元70、第1圈第6个打印喷孔单元71、第2圈第6个打印喷孔单元72、第3圈第6个打印喷孔单元73、第1圈第7个打印喷孔单元74、第2圈第7个打印喷孔单元75、第3圈第7个打印喷孔单元76、第1圈第8个打印喷孔单元77、第2圈第8个打印喷孔单元78、第3圈第8个打印喷孔单元79、股骨颈和股骨干的上端1/3处80、股骨颈和股骨干的下端1/3处81、距离轴线的半径2/3的区域82、叶片上离旋转轴线1/3处83的区域、叶片的边缘周围区域84、叶片的中部区域85。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实现方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明，但发明的具体三维成型方法和实际制作结构并不限于以下的实施例。

实施例一，本实施例以人体的股骨为例，利用本发明的并行式多材料三维成型方法制作股骨模型。

参见附图1，本发明所叙述的并行式多材料的三维成型方法的流程。参见附图2，本发明所叙述的并行式多材料的三维成型系统。参见附图3，为本发明发明所叙述的并行式多材料的三维成型系统的一项实施例，为8个喷孔单元全面积三维成型系统的实施范例。

在利用并行式多材料三维成型方法制作人体的骨骼时，要明确人体骨骼步态的过程的动力学特征和骨骼的固有频率，通过人体骨骼的图形进行分析处理，提取骨骼的边缘曲线，生成实体模型对人体骨骼进行有限元计算，得到其步态中不同时刻的力学特性。

首先构建人体骨骼的三维实体模型，对实体人体骨骼进行建模，利用美国GE公司生产的HispeedNx/i型双层螺旋CT(ComputerTomography)对一位身高173cm，体重80kg志愿者的双髋进行扫描而得到股骨图像数据。双层螺旋CT的扫描的层间距设为1mm，投照条件为X轴线电压120kV，X线曝光量90mAs，得到520张512×512的DICOM格式图像，将所有图像数据按照人体位置顺序输入到专用三维分层软件中处理,通过对图像的阈值进行设定，使得骨骼部分与其他组织区别，系统自动识别骨骼边界。

建模过程，利用AutoCAD计算机辅助设计软件设计并制作完成形成三维实体模型的数据。取距离股骨头顶部377mm位置进行股骨横断面的扫面，扫描后确定骨骼的骨密度一致后，在整个股骨的密质骨部分选取后一段，按照曲率准则进行光滑处理，生成边界曲线，有曲线生成三维实体模型。

对模型进行有限元分析，建立三维模型后，通过CAD对于实际模型包括股骨外边界曲线及内部骨髓腔，设定一定的阈值进行光滑处理后，导入有限元分析软件进行网格划分。

对人体股骨结构进行静力学分析时，本发明建立的三维实体模型为中实的结构，部考虑骨髓腔和松质骨部分，密质骨则适当增后。

将三维模型导入有限元分析软件后，单元选择solid45，密质骨的弹性模量选择16.7Gpa，泊松比0.3，对股骨的自由网购划分37300节点和1881400单元。

选取股骨的远端膝关节部位节点，不考虑软骨及关节组织的压缩作用，对其进行横截面、冠状面自由度约束，模拟膝关节与胫骨的接触情况，按照脚跟着地、单脚中立、脚尖离地受力情况进行计算，具体为脚跟着地的受力峰值为4.64体重、合力为3637.76N，单脚中立受力峰值为3.51体重、合力为2751.84N，脚尖离地受力峰值为4.33体重、合力为3394.72N，按照这些数据进行加载，模拟步态运动过程，计算结果如图5所示。图5为脚尖离地受力步态的应力云图，应力分布的大小和区域分别用不同颜表示。

从有限元分析云图中可以看到，人股骨在步态运动过程中处于股骨颈和股骨干的上端1/3处80到下端1/3处所81显示为开始从草绿，逐渐从橙向黄演变，中心为黄。为此从应力云图分析得到结论为人股骨在步态运动过程中的应力集中通常处于股骨颈和股骨干的上端1/3处80，下端1/3处81，而对于大转子等处则并无高应力场出现。因此，得到在运动载荷增大或者有冲击载荷产生的时候，骨折在这些部位发生的概率最大，所以系统根据有限元分析的结果在股骨颈和股骨干的上端1/3处80，下端1/3处81之间选取高韧性坚固材料，其他区域限制抗耐磨材料打印，在将材料选择构成数据STL文件格式。并将模型保存在文件*.STL副本中，并弹出参数分配设置对话窗口中，来根据实际的加工精度要求设置弦高度和角度等三维打印成型参数。

模型定向，利用股骨模型三维结构，设置为竖直放置股骨，成型过程从底部逐层打印开始，在底部同时打印支撑结构，硬化材料第一层切片与工作平台连接。

支撑结构的生成，将股骨模型的摆放的位垂直水平面投影自动生成支撑结构柔性模具，来支撑打印成型股骨模型的位置和稳定，这些柔性支撑结构在模型打印成型完成后能过拆除，不影响模型的整体结构。

模型切片或模块划分，利用切片软件将股骨模型进行分层处理，沿着沿股骨的竖直方向按照层厚进行切片，获得每层截面的轮廓信息，设置分成厚底为200。

模型成型数据的自动修复，利用全面积成型软件系统可以对所形成的缺陷进行自动寻的补充，并进行修复。

对于骨骼模型的面片法线方向反向、面与面的间隙、面丢失、面重合、面交叉、多余面、部件脱离等导致切片轮廓数据的丢失，通过对切片轮廓的不封闭轮廓线的处理，到轮廓断开点，计算各个断点之间的距离，连接距离最近的断开点，并修正各段轮廓线的方向。

在STL模型分成后的轮廓信息文件中，对于其中的一些微小线段，在当前的成型系统的精度要求下，根本无法插补加工，可以作为冗余点去除这些数据。还有剔除重合点和一条直线段的多余点的数据，以减少多余的插补运算。

本发明实施例所应用打印的成型系统为八个喷孔单元全面积三维成型系统，采用三圈打印头支架，每一圈支架都可以360度自由的转动，在每一圈安置八个打印喷孔单元。根据模型的有限元分析得到八种颜灰度的模型云图，将八种颜渲染的原模型上，并定义一种颜对应一种材料，这样八个打印喷孔单元对已对应八种打印成型材料，其中对应七种打印成型材料，一种打印成型的支撑材料。将八种材料盒按照八种颜，分别为白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红。其中打印成型材料的强度和韧性从纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙直到红逐渐增加。所以在本发明的全面积三维成型系统的实施例中，选取三圈打印喷头支架，在每一圈中安装八中成型材料，分别对应白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红八中颜，其中将白设为打印支撑结构的喷头相对应，白对应为石蜡材料、红对应氧化铝生物陶瓷材料，橙对应氧化锆生物陶瓷材料、黄对应硼硅酸玻璃材料，草绿对应磷酸钙基生物陶瓷材料，绿生物活性玻璃陶瓷材料，绿碳/碳复合材料，青为碳酸钙材料、纯蓝为偏磷酸三钙生物陶瓷材料。

根据有限元分析云图显示，三圈喷头自动组合相邻三种成型材料，选择白、草绿和橙为一组作为打印成型喷头，同时打印成型材料也与颜相对应自动组合。这样为人体股骨的三维打印成型准备好了打印成型喷头。

全面积成型系统图2的调试是成型的准备工作，将打印喷头设置为测试程序，打印喷头打出各种的材料，与测试试纸相对比匹配。

在每次打印成型过程中都要对打印头进行清洗，以保障打印头的清洁和喷头的畅通。将全面积打印喷头移动到X-Y平面的0点位置进行打印头的清洗。

三维成型的打印过程：

利用全面积成型系统图2，将骨骼成型模式和位置区域成形材料选定后，输入待加工模型，设置股骨模型加工参数，启动全面积打印成型系统。

首先设置打印成型精度：200；定位精度：X-Y平面为11，Z轴为2.5；工作环境温度：15-32℃（60-90℉），保存温度:0-32℃（32-90℉）；电源要求：AC输入:100-240V，~2amps，50-60Hz，电源需求:24VDC6.25amps；

根据上位机的命令和股骨模型结构，先打印成型支撑结构的柔性模型，打印出股骨模型底部股骨头的支撑柔性模具结构来。这部分打印成型材料根据打印程序在全面积打印成型设备中自动选择高耐磨材料如偏磷酸三钙生物陶瓷等。打完下端1/3处80，打印头自动选择高强度和高韧性材料如氧化锆生物陶瓷材料等，连续打印成型内部结构，让后在外表面打印10m厚偏磷酸三钙生物陶瓷作为外包层。当打印完成2/3后81在连续逐层打印高耐磨材料如偏磷酸三钙生物陶瓷材料直至打印模型成型完成。

实际成型的股骨模型的后处理,将打印完成的股骨模型从工作台上取出零件，去除支撑，清洗，打磨表面到光滑为止，完成股骨模型的通过有限元分析后的不同材料的连续立体的三维打印成型过程。

实施例二，本实施例以离心风机的叶轮的并行式多材料三维成型制造为例进行说明。

参见附图1，本发明所叙述的并行式多材料的三维成型方法的流程（图1），参见附图2，本发明所叙述的并行式多材料全面积三维打印成型的打印喷射机构（图2）。

叶轮作为离心风机最为重要的部件，其结构和强度在很大程度上决定了离心风机的性能。通过对叶轮结构参数的优化，改进叶轮结构，可以降低离心风机损失，提高离心风机效率，降低离心风机的能耗。

叶轮通常是由叶片、前盘、后(中)盘以及轴盘等组成，叶片和之间的联接一般采用铆接或者焊接。

目前风机产品相对粗大笨重，浪费材料增加生产成本。

采用本发明并行式多材料三维成型方法，可以获得体积小、重量轻，增加叶片的强度，从而降低材料消耗和加工成本，带来较大的经济效益。

首先是叶片模型的建立，利用Pro/Engineer操作软件的各种特征创建命令，如旋转、拉伸、孔、壳加厚等命令，建立了风机的叶片的几何三维模型，为后续的有限元分析、数值模拟以及三维打印成型提供模型，如图8所示。

将风机的叶片进行有限元分析，实施例所设计的叶片为前向窄圆弧叶片，没有前、后，而是由中间与两端叶片焊接而成，双向吸风。风扇的结构参数为叶轮内径242mm、叶轮外径600mm、叶轮厚度8mm、叶片数为6片、叶片进口安装角68.1°、叶片出口安装角120.3°、叶片厚度6mm、叶片宽度105mm。

先取一种材料如灰铸铁进行有限元分析，其弹性模量150GPa、抗拉强度220MPa、密度7.2kg/m3、泊松比0.25，对叶轮自由网格划分时选择带中间节点solid92四面体单元，对叶片部分映射网格的单元选择带中间节点六面体单元solid95，每个节点都有x、y、z三个方向的自由度，solid95单元共有20个节点。

对离心风叶轮采用混合网格划分，即将叶轮分割成叶片和中间两部分，分别采用映射网格以及自由网格进行划分，最后形成整个叶轮的混合网格。先对叶片部分进行映射网格划分，选择单元solid95，将单元尺寸设置为6。再对叶轮部分进行自由网格划分，选择solid92单元，采用相同的单元尺寸设置。最后，整个叶轮网格划分后形成的有限元模型，共有77495个单元，200118个节点。叶轮有限元模型加载、求解后，通过ANSYS软件的后处理模块得到的叶轮和叶片的应力分布云图分别见图8、图9。从应力分布云图可以看到在叶片离旋转轴线越远处颜变为蓝，离中间区域青；距离轴线的半径2/3的区域以内颜为青，2/3的区域以外为纯蓝。这表明距离叶片旋转轴线越远处应力越大，离中间越近应力越大，除叶片应力最大处外，叶片中间应力比周围高一些。根据这个分析结果设定在部分设定距离轴线的半径2/3的区域82以内部分采用高结合力的材料如不锈钢材料，而距离轴线的半径2/3的区域82以外采用低结合力的材料如灰铸铁等。在叶片上离旋转轴线1/3处83的区域为低结合力的材料如灰铸铁等，在1/3处83以外的区域设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的边缘周围区域84也设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的中部区域85采用采用低结合力的材料如灰铸铁等材料。

将材料选择构成数据STL文件格式。并将模型保存在文件*.STL副本中，并弹出参数分配设置对话窗口中，来根据实际的加工精度要求设置弦高度和角度等三维打印成型参数。

模型定向，利用离心风机的叶轮模型三维结构，设置为水平放置，成型过程从底部逐层打印开始，在底部同时打印支撑结构，硬化材料第一层切片与工作平台连接。

支撑结构的生成，将离心风机的叶轮模型的摆放的位垂直水平面投影自动生成支撑结构柔性模具，来支撑打印成型离心风机的叶轮模型的位置和稳定，这些柔性支撑结构在模型打印成型完成后能过拆除，不影响模型的整体结构。

模型切片或模块划分，利用切片软件将离心风机的叶轮模型进行分层处理，沿着沿离心风机的叶轮的竖直方向按照层厚进行切片，获得每层截面的轮廓信息，设置分成厚底为200。

模型成型数据的自动修复，利用全面积成型软件系统可以对离心风机的叶轮数据形成的缺陷进行自动寻的补充，并进行修复。

对于离心风机的叶轮模型的面片法线方向反向、面与面的间隙、面丢失、面重合、面交叉、多余面、部件脱离等导致切片轮廓数据的丢失，通过对切片轮廓的不封闭轮廓线的处理，到轮廓断开点，计算各个断点之间的距离，连接距离最近的断开点，并修正各段轮廓线的方向。

在STL模型分成后的轮廓信息文件中，对于其中的一些微小线段，在当前的成型系统的精度要求下，根本无法插补加工，可以作为冗余点去除这些数据。还有剔除重合点和一条直线段的多余点的数据，以减少多余的插补运算。

本发明实施例所应用打印的成型系统为八个喷孔单元全面积三维成型系统，采用三圈打印头支架，每一圈支架都可以360度自由的转动，在每一圈安置八个打印喷孔单元。根据模型的有限元分析得到八种颜灰度的模型云图，将八种颜渲染的原模型上，并定义一种颜对应一种材料，这样八个打印喷孔单元对已对应八种打印成型材料，其中对应七种打印成型材料，一种打印成型的支撑材料。将八种材料盒按照八种颜，分别为白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红。其中打印成型材料的强度和韧性从纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙直到红逐渐增加。所以在本发明的全面积三维成型系统的实施例中，选取三圈打印喷头支架，在每一圈中安装八中成型材料，分别对应白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红8中颜，其中将白设为打印支撑结构的喷头相对应，白对应为石蜡材料、纯蓝为灰铸铁材料、青为不锈钢材料、绿为氧化材料、草绿为钴基合金材料、黄为钛及钛合金材料、橙金贵重金属材料、红金刚石材料。

根据有限元分析云图显示，三圈喷头自动组合相邻三种成型材料，选择白、存蓝和青为一组作为打印成型喷头，分别为石蜡、灰铸铁材料、不锈钢三种打印成型材料。

全面积成型系统图2的调试是成型的准备工作，将打印喷头设置为测试程序，打印喷头打出各种的材料，与测试试纸相对比匹配。

在每次打印成型过程中都要对打印头进行清洗，以保障打印头的清洁和喷头的畅通。将全面积打印喷头移动到X-Y平面的0点位置进行打印头的清洗。

三维成型的打印过程：

利用全面积成型系统图2，将叶片成型模式和位置区域成形材料选定后，输入待加工模型，设置叶片模型加工参数，启动全面积打印成型系统。

首先设置打印成型精度：200；定位精度：X-Y平面为11，Z轴为2.5；工作环境温度：15-32℃（60-90℉），保存温度:0-32℃（32-90℉）；电源要求：AC输入:100-240V，~2amps，50-60Hz，电源需求:24VDC6.25amps

对三维打印喷头进行清洗准备，在每次打印成型过程中都要对打印头进行清洗，以保障打印头的清洁和喷头的畅通。

三维成型的打印过程：利用本发明的全面积成型系统图2，将风机的叶片成型模式和位置区域成形材料选定后，输入待加工模型，设置模型加工参数，连接快速成形机，先打印成型风机底部的部分，利用系统根据模型结构所确认的模型的支撑结构，选取石蜡为支撑材料，先打印成型支撑结构的石蜡柔性模具，在依据风机叶片的模块结构，连续打印成型风机的底部叶片。

在打印部分，距离轴线的半径2/3的区域82以内部分打印头自动选择高结合力的材料如不锈钢材料，而距离轴线的半径2/3的区域82以外打印头自动选择采用低结合力的材料如灰铸铁，直至模型打印成型。在叶片部分的打印过程中对于叶片受力，叶片上离旋转轴线1/3处83的区域打印头自动选择低结合力的材料如灰铸铁，连续打印成型内部结构。打印完1/3区域后,在叶片的1/3处83以外连续逐层打印的区域设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的边缘周围区域84也设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的中部区域85采用采用低结合力的材料如灰铸铁等材料。

三维成型的实体风机叶片模型的后处理,将风机叶片模型从工作台上取出零件，去除支撑，清洗，打磨表面到光滑为止，完成风机叶片模型的通过有限元分析后的不同材料的连续立体的三维打印成型过程。