增材製造設計中的偏差建模與形狀變換
文獻來源：Deviation Modeling and Shape Transformation inDesign for Additive Manufacturing（Zuowei Zhu, Nabil Anwer, Luc Mathieu. Procedia CIRP, 2017, 60: 211 –216.）https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.01.023
1 前言
增材製造（Additive Manufacturing, AM）技術因其能夠製造具有複雜形狀，架構材料和多結構的部件而獲得廣泛的應用。然而，所得產品的尺寸和幾何精度仍然是AM在質量保證和控制方面的一個瓶頸。增材製造設計（ Design for Additive Manufacturing, DfAM）旨在使用不同的方法來幫助設計師考慮到AM的技術和幾何特性，從而在設計階段最大限度地提高產品性能。作為DfAM的主要關注點，數字產品和最終結果之間的一致性應該得到有效評估。因此，應該對設計模型和實際產品之間的幾何偏差進行建模，以便推導校正和補償計劃以提高几何精度，或更準確地預測產品性能。
2017年，在第27屆CIRP設計大會上，來自法國卡尚高等師範學校的Zuowei Zhu（第一作者及通訊作者）等人提出了一種基於STL文件的偏差建模方法以及基於輪廓點位移開發了一種新的形狀變換方法。在每個切片中，系統偏差用極坐標和徑向函數表示，隨機偏差通過將隨機場理論導出的給定距離平移輪廓點來模擬。所提出的方法可以很好地預測產品形狀的可重複和意外偏差，從而為設計人員提供有意義的信息以改進設計。
2 圖文導讀
試驗過程：
首先，將CAD產品模型分解成存儲在STL文件中的離散表示，對STL文件進行切片，並將每片中的輪廓點順時針連接形成標稱切片輪廓。在形狀收縮參數函數的基礎上，推導出平面內的系統偏差，並根據該函數對標稱輪廓點進行偏離以包含系統偏差。隨後將每個切片中的偏差點以一種幾何的方式逐層連接，形成一個新的三角面模型。最後根據隨機場理論生成隨機偏差，並通過在其法線方向上平移每個三角形頂點，將隨機偏差合併到三角面模型中。
圖一：文中提出的新方法的原理圖
圖二：用PCS表示平面內偏差
圖三：基於跨游法（Span Tour Method）的層連接
圖四：修改STL文件以模擬隨機偏差
圖五：錐體的CAD模型及STL表示
輸入CAD設計的錐形模型，高度為15mm，底面和頂面半徑分別為10mm和5mm。CAD模型被離散化以獲得其STL表示。
圖六：用PCS表示的標稱輪廓和偏離輪廓之間的比較圖
圖七：可視化的系統性，隨機性和總體偏差
3 總結
為了評估設計模型和最終產品之間的幾何一致性，幾何偏差建模是DfAM中的一個重要問題。本文提出了一種新的偏差建模方法。該方法以CAD產品模型作為輸入，基於其STL表示法模擬AM過程中可能出現的偏差，考慮了面內系統偏差和空間隨機偏差，結果得到三角面模型，其包括產品表面上的可重複偏差和意外偏差。通過對該模型和CAD模型的評估，可以獲得重要信息以優化DfAM過程中的產品幾何形狀。
本文由高溫合金精密成型研究中心2017級碩士-李鳴佩編輯整理
