基于3D打印和欧拉回路优化算法的柔性网架原型制作方法

基于3d打印和欧拉回路优化算法的柔性网架原型制作方法
技术领域
1.本发明属于柔性网架原型制作技术领域，涉及一种基于3d打印和欧拉回路优化算法的柔性网架原型制作方法。


背景技术：

2.三维打印作为一种快速原型技术，通常可制造出难以物理修改的物体。在数字制造领域，网架结构因其稳定性好、重量轻、节省材料而被广泛用于原型制作。类似地，更多的研究人员试图将网架结构与3d打印结合起来，以加速设计迭代，同时保持稳定性，然而，3d打印模型很难进行物理修改，因为它们被认为与输入形状真实相似，并且不是为连续、交互式制造而设计的。随着人们对开发实时设计、制造和修改方法的兴趣与日俱增，有必要提供一种基于3d打印的柔性网架原型。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于3d打印和欧拉回路优化算法的柔性网架原型制作方法。该方法利用软件获得模型的欧拉回路，利用3d打印制备相应节点，采用线材按照欧拉回路将所有节点进行串联，制得柔性网架原型。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.基于3d打印和欧拉回路优化算法的柔性网架原型制作方法，所述方法包括软件模拟生成和实际生产组装两部分，所述的软件模拟生成部分用于将用户输入的网格模型首先根据需求进行简化网格，生成模块化节点后，再利用欧拉回路生成算法得到串联所有节点的欧拉回路；所述的实际生产组装包括采用3d打印所有节点，利用线材将所有节点按照所获得的欧拉回路进行串联组装获得柔性网架原型。
6.所述的软件模拟生成部分包括：
7.输入模型：用户输入任意高保真网格模型作为基础
8.简化模型：对于输入的模型进行网格简化，使得所有点都是偶度点，即每个点均与偶数条边相连；
9.节点生成：根据简化后的模型，将边生成圆柱体，通过细分曲面圆滑过渡，从而形成节点，以便于后续进行3d打印；
10.欧拉回路：采用欧拉回路生成软件获得可以用一根首尾相接的线串联所有的节点，获得欧拉回路。
11.此外，为了使得实际生产组装时更为便利和简单，设置如下几个原则对欧拉回路生成算法进行优化：
12.欧拉回路：采用一根首尾衔接的线将所有节点进行串联；
13.砌砖装配：所有节点内的穿线通道，使得装配过程从下到上进行；
14.中点装配：串联所有节点时，需将一根线的中间穿入并固定于第一个节点即中点，然后将该线的两端逐个穿入其余节点；
15.非交叉打孔：每个节点中的穿线通道不会交叉；
16.可选择中点：默认中点设置在模型最低点，但用户可以将任意点重置为第一个节点。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明的原型制作方法不仅可以将线材的柔性物理属性附加给固化的fdm打印件，同时可以低保真化处理网格，加速原型制作时间。
附图说明
19.图1为一个应用实例斯坦福兔的柔性网架原型制作流程示意图。
20.图2为一个应用实例护腕的柔性网架原型制作示意图；
21.图3为一个应用实例体育场的柔性网架原型制作示意图；
22.图4为一个应用实例衣服的柔性网架原型制作示意图；
23.图5为一个应用实例戒指与手镯的柔性网架原型制作示意图；
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
25.本发明的基于3d打印和欧拉回路优化算法的柔性网架原型制作方法，所述方法包括软件模拟生成和实际生产组装两部分，所述的软件模拟生成部分用于将用户输入的网格模型首先根据需求进行简化网格，生成模块化节点后，再利用欧拉回路生成算法得到串联所有节点的欧拉回路；所述的实际生产组装包括采用3d打印所有节点，利用线材将所有节点按照所获得的欧拉回路进行串联组装获得柔性网架原型。
26.如图1所示的斯坦福兔为例，其柔性网架原型制作包括以下步骤：
27.a)输入模型：用户输入任意高保真网格模型，作为后续生成简化、生成和制作的基础
28.b)简化模型：对于输入的模型进行网格简化，使得所有点都是偶度点(与偶数条边相连)，以便后续可以用一根线收尾相接的串联所有节点。如图1中b、c最终构成模型的点的个数就是简化后模型的节点数量。
29.c)节点生成：根据简化后的边生成圆柱体，将多个圆柱相连，通过细分曲面圆滑过渡，从而形成节点；
30.d)欧拉回路：当一个图形可以用一根首尾相接的线构成时(这根线经过图形中所有的边)，这根线为这个图形的欧拉回路。我们可以通过欧拉回路生成软件计算优化一个图形的欧拉回路，使其更便于手工组装；
31.e)当所有节点都计算完毕后，每个节点都会预留出穿线的管道，并可以用3d打印的方式制作；
32.f)每个节点都有标注，可以方便用户根据它们串联所有节点，避免混淆；
33.g)用户可以选择不同的线材，例如：铁丝、弹力绳、棉线等，手工组装原型以供不同的实际需求；
34.h)图1中h为成品样例，该兔子原型使用pla打印，胶皮铁丝串联；
35.i)如图1中i1
‑
i4，胶皮铁丝的物理属性使得兔子在被手动变形后，可以保持变形
后的形状。
36.本发明中提供了一种类似网架的结构来近似三维设计，可以按需修改原型与模块化3d打印组件组装，flextruss结构上的每个节点都被挖空形成可穿线的节点，以最优欧拉回路算法为基础，结合多节点生成和排序的设计工具来辅助这一过程。此外，对欧拉回路生成算法可进一步优化，原则如下：
37.p1.欧拉回路：一根首尾衔接的线将连接所有节点。原型只需一次打结即可紧密、均匀地组装，
38.p2.砌砖装配：所有节点从下到上装配。
39.p3.中点装配：用户先确定一根线的中点位置并将其固定于一节点(如图1中从d的右下角穿入使线的中点位于并固定在第一个节点，然后再将线的两端逐个节点穿入其余节点)，这样可以有效使所用穿线的总距离最小化。
40.p4.非交叉打孔：一根线多次穿过一个节点时不会交叉，可以避免一个节点中的管道重叠，导致实际装配时线从错误的洞口穿出的情况。
41.p5.可选择中点：默认中点设置在模型最低点，但用户可以将任意点重置为第一个节点(中点)。
42.将这些原则编译为一个dfs剪枝算法，并将它集成到一个python脚本中(参见算法1示例)。
43.[0044][0045]
此外，本发明的方法可以应用于各种领域中，下面通过几个实例进行说明：可穿戴设备
[0046]
由于穿线材料物理属性直接关系到整体的柔性程度，因此我们用的tpu弹性线材穿来演示一种可穿戴设备的设计。我们采用本发明简化并生成40个节点的护腕从而完成原型制作(图2中a
‑
c)。该护腕可供不同手腕尺寸的使用者佩戴，并可根据佩戴者的动作进行变形。在图2中d和e中，我们将所有节点替换为由橡胶管和sla打印件构成的节点，这样即使肘部完全弯曲也能保持灵活性。连接线材改为连接到光源和距离传感器的光纤，这个原型可以对佩戴者在运动中的动作提供实时响应(图2中f)。手臂肌肉收缩到位时整个装置呈蓝色，放松时则呈洋紫色。
[0047]
建筑模型
[0048]
本发明也可以作为建筑领域中一种可行的原型制作方法。在建筑行业中，多次的草模制作和形体设计迭代是必不可少的。它允许用户演示和修改建筑物的形状，以具象化并记录他们的设计修改。一个有42个节点和胶皮镀锌铁丝的体育场原型作为案例进行组装，如图3所示。
[0049]
服装制作
[0050]
打印材料和穿线材料的无限组合，使本发明的多用途设计实践成为可能。这个例子展示了一件由三部分组成的衣服(图4中a)。一件短上衣(图4中b)可以延伸到一件臀部长度的短裙，两件都由弹性绳穿成，以获得最大的灵活性，以适应穿着者的胸腰尺寸。此外，背
心可以进一步延长与金属线串联的下摆相连。金属丝的作用就像裙撑以固定长裙优雅的波浪状外观。
[0051]
首饰制作
[0052]
传统fdm打印机的精度限制了节点的大小。因此在本实例中，我们采用立体光固化技术(sla)来展示工件的最小尺寸。在图5中，a我们用10个10x6x2mm节点重建了一个柔性环。图5中b展示的戒指可以拉伸并佩戴在不同尺寸的手指上，手镯是可拉伸的tpu线材，采用整体式结构设计，具有卓越的舒适性。此外，根据材料不同，在设计过程中，形状、颜色和灵活性可以很容易地得到改变。