无需STL流程，三重周期性最小表面（TPMS）的设计和3D打印范例

| 3DScienceValley · 2021/05/31

根据3D科学谷的市场观察，点阵晶格结构由于具有较高的比强度和刚度，因此可以为通过选区激光熔化技术制造的高性能组件增加附加价值。

TPMS 为三重周期性最小表面（TPMS），对于结构应用而言，TPMS设计显示出高强度重量比，与增材制造技术结合使用，使得设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。

不过TPMS结构的3D打印过程充满挑战，本期，3D科学谷结合Science Direct上的论文《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》与谷友共同领略无需STL流程，三重周期性最小表面（TPMS）的设计和3D打印范例。

@裕克施乐（太仓）

更小的文件、更高的精度

《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中提出了一种新的数字设计和制造范例，通过使用无STL工作流程的概念来解决复杂设计文件的可扩展性和3D打印制造效率方面的挑战。它无缝集成了用于设计的隐式实体建模和用于制造的直接切片，而无需任何与STL网格相关的中间步骤。

论文中所提出的范例已通过两个案例研究得到验证，这些案例涉及填充多尺度三重周期性最小表面（TPMS）的复杂几何形状，这些几何形状是由PBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印技术，通过25 µm激光束制造的。

复杂设计的制造挑战

增材制造（AM）通过一层一层地堆积材料来构造3D对象，由于在制造精度和可用材料范围方面的重大改进，如今增材制造技术已被认为是有价值的工业生产技术。特别是，基于激光的金属粉末床熔化（PBF）技术的精度已提高到可以3D打印具有高度复杂的几何形状和极其精细的细节的金属零件的水平。这使得PBF-LB / M特别适合于生产高性能的轻质晶格结构。

尽管具有上述优点，但PBF的制造过程还是充满挑战的，通常来说，3D打印过程首先将给定的CAD模型转换为立体光刻（STL）格式的网格表示，然后将网格切成一系列平面轮廓，最后生成激光路径以填充这些轮廓。但是，当切片的三角形数量过多时，三角形的数量会变得非常庞大，处理如此大量的三角形将占用过多的计算机内存和时间，导致无法在计算机上正常运行。当要打印的零件具有高度复杂的内部结构（例如，三重周期性最小表面（TPMS））时，情况就更糟了。由于这些原因，需要一种新的计算流水线来解决因处理PBF 3D打印技术在处理高度复杂的结构而引起的效率挑战。

现有的大多数研究工作都是通过改进CAD到STL转换过程来解决上述效率问题的。工作原理是在网格划分CAD模型时最小化三角形的数量，这些方法通常可以产生明显的三角形缩小，但有两个严重的局限性。首先，针对不同的CAD模型开发了不同的简化方法，没有通用算法可用。其次，已开发的算法仍无法在具有自由曲面的模型（例如基于TPMS的网格）上给出足够减少的三角形。

也有研究专注于改进STL到轮廓的切片过程，然而，尚未证明存储器和时间使用量的显着减少，

比较新的进展还包括通过使用解析表达式表示3D距离场来缓解此问题，但主要重点是对开放曲面进行切片，而不是对这项工作中考虑的实体进行切片。另外，仅研究简单的几何形状（即1级TPMS）和低精度的PBF打印。目前还没有为设计和制造中的效率问题提供完整的解决方案。

《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中通过无STL的概念解决效率问题，涵盖设计和制造的两个方面。具体来说，论文将设计的隐式实体建模与制造的直接切片无缝集成。

通过隐式建模，可以实现复杂的几何图形高效建模，没有任何与STL相关的表示；通过直接切片，可以直接从隐式几何图形生成激光路径，而无需任何与STL网格相关的中间步骤。然后，可以显着减少存储器和时间消耗。在论文中的实验中，即使对于如图3所示的基于3级TPMS的复杂晶格，内存使用量已减少到100MB，平均计算时间约为1s / slice。

为了使此解决方案容易理解，论文使用了当前流行的基于TPMS的网格作为示例，以详细介绍过程细节。由于高的表面积体积比，基于TPMS的晶格需要大量三角形才能准确表示，这提供了一个很好的示例，说明了传统工艺流程无法正常工作的情况。但是，应注意，许多晶格结构都有隐式表示方案，例如，最常用的基于stut的晶格。这些结构的设计和制造都可以从论文所述的工作中受益。

设计

数字框架包括四个步骤（图1）

图1:数字框架

2.1 设计规范

此阶段从最初的产品设计思想开始，随后将其转换为数字数据，从而证明了产品的性能和功能要求的定义。然后，确定内部结构，例如TPMS类型，层次级别，密度分布，单元大小和方向。

尽管PBF 3D打印技术具有设计自由度的巨大好处，但是它在此阶段要考虑的可制造性确实存在局限性，主要包括以下两个方面：

机器的功能：限制条件包括激光直径、构建尺寸、数据大小、生产时间、粗糙度和最小特征尺寸的限制。

材料选择：最佳的处理参数和打印环境的要求（例如能量吸收率、保护气体、氧气含量）因材料而异。

2.2 隐式建模

隐含的三个具有复杂结构的P，G，D曲面通常可以通过以下函数生成：

图2. TPMS：（a）P，G，D型表面；（b）G表网状固体；（c）与球体相交；（d）分级结构。

2.3 直接切片

PBF的高精度制造特点和TPMS中的高表面积体积比要求采用直接切片方法，而没有三角形网眼构造和加工的任何中间步骤。论文的方法包括三个步骤：（1）切片平面的点隶属度分类，见图3b; （2）从分类平面提取轮廓，参见图3c；（3）基于提取的轮廓生成激光路径，请参见图3d。

图3. 直接切片：（a）待切片的TPMS；（b）点隶属度分类；（c）轮廓提取；和（d）激光路径生成。

该方法将每个切片平面上的任何点分类为IN-Solid或OUT-Solid。IN-Solid表示一个点在TPMS的实体之内，否则为OUT-Solid。具体来说，如果为，则点为IN-Solid，如果为，则点为OUT-Solid。在为给定切片平面分类的点隶属关系中，其轮廓立即显示为IN-Solid和OUT-Solid所占据的平面区域之间的边界。在算法上，可以使用行进平方法来获得此边界，该方法将IN-Solid和OUT-Solid之间的采样点增长为边缘环（即轮廓）。提取的轮廓以CLI格式存储。获取了CLI文件后，可以使用商业软件轻松生成激光路径及其相关的G代码。

在每个切片平面上获得轮廓（存储为CLI文件）后，使用商业软件HansMpath生成G代码作业来驱动PBF3D打印制造。表3给出了用于打印的工艺参数。常用的扫描策略是将每个连续层的扫描图案旋转67°，以减少残余应力。

上述直接方法将切片问题的维度从3D减小到2D，因此可以节省与建模方向有关的所有内存消耗。如案例研究所示，大约可以将内存使用量至少减少几倍。由于完全避免了耗时的三角网格重建和处理过程，因此还可以显着减少切片时间。

图4：多尺度TPMS表

图4显示了如何通过隐式建模方法生成相对密度为10.3％的3个级别的多尺度TPMS表。表1汇总了建模参数。通过将具有不同C常数的两个G面封闭起来，可以生成具有立方体外部形状的1级G板。

因此，该空间被分为3个区域：域A，域B和工作表，如图4d所示，并且这种分离现象也存在于其他G级工作表中。然后，通过从1级表中减去2级域A和B，获得2级G表，如图4e所示。将相同的关系应用于生成3级G图纸。2D切片证实了在低层G片区域中生成了高层G片，这保证了TPMS结构的连通性。更重要的是，可以通过迭代应用此方法来获得更高级别的多尺度TPMS。

如表1所示，应用分层结构可以实现更好的设计性能，即3级多尺度TPMS的表面积与体积之比为15.2。相比之下，一级TPMS的表面积与体积之比仅为0.8。

表格1：隐式模型参数