一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，本發(fā)明首先將數(shù)字化模型作為模具，對(duì)真空熱塑成型的過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真，然后根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算出預(yù)形變圖案并將其打印在塑料片上；再通過(guò)對(duì)抽真空過(guò)程的仿真，在模具上設(shè)置排氣孔，在模具底部設(shè)置定位銷孔，并通過(guò)3D打印制作出帶有排氣孔和定位銷孔的模具；將塑料片和模具固定在真空成型機(jī)上，并通過(guò)定位銷使模具與塑料片圖案精確對(duì)齊；最后經(jīng)過(guò)真空熱塑成型，帶有彩色紋理的塑料片就貼在了模具的表面，形成與數(shù)字化模型相同形狀和紋理的實(shí)物模型?！緦＠f(shuō)明】一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)、三維曲面著色技術(shù)以及熱塑成型技術(shù)，尤其涉及一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]本發(fā)明相關(guān)的研究背景簡(jiǎn)述如下：[0003]1.3D打印[0004]3D打印通過(guò)堆積材料的方式制造三維模型，并且可以通過(guò)物理仿真使加工出來(lái)的模型具有特定物理屬性，比如使模型保持平衡(Prevost，R.，Whiting，E.，Lefebver，S.，Sorkine-Hornung,0.2013.Makeitstand:balancingshapesfor3dfabrication.ACMTrans.Graph.32,4,81·)，使模型具有特定的應(yīng)力分布（Stava，0.，Vanek，J.，Benes，B.，Carr,N.,Mech,R.2012.Stressrelief:Improvingstructuralstrengthof3dprintableobjects.ACMTrans.Graph.31,4,48.)，通過(guò)微結(jié)構(gòu)來(lái)組成模型等（Christian,S.,Bernd,B·,Jan,R.,Steve,M.,Chiara,D.,Markus,G,2015MicrostructurestoControlElasticityin3DPrinting,34,4,136)。這些方法只考慮模型的幾何形狀，而不考慮顏色。[0005]還有一些方法能夠使模型具有特定的外觀，比如全彩色3D打印(Alan,B.，Can，A.，Philipp,U.,2015,PushingtheLimitsof3DColorPrinting:ErrorDiffusionwithTranslucentMaterials,35，1，4)，用黑、白兩色塑料絲混合實(shí)現(xiàn)漸變灰度（TimReiner，NathanCarr,RadomirMech,OndrcjSl'ava,CarstenDachsbacher,GavinMiller,2014,Dual-ColorMixingforFusedDepositionModelingPrinters,ComputerGraphicsForum,33,2)，具有特定表面反射效果（Lan,Y.,Dong,Y.,Pellacini,F.,Tong,X.2013.Bi-scaleappearancefabrication.ACMTrans.Graph.32,4,145·)，以及具有特定次表面散身才（Dong，Y·，Wang，J.，Pellacini，F(xiàn).，Tong，X·，Guo，B·2010·Fabricatingspatially-varyingsubsurfacescattering.ACMTrans.Graph.29，3,62)。這些方法通過(guò)對(duì)現(xiàn)有彩色3D打印機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使模型具有特定的外觀。本發(fā)明的方法通過(guò)3D打印單色模型作為模具，然后將帶有彩色紋理的塑料片通過(guò)熱塑成型貼在模型表面，從而降低了成本。[0006]2.曲面著色技術(shù)[0007]目前已經(jīng)有多種商用彩色3D打印機(jī)問(wèn)世。塑料熔融堆積3D打印機(jī)可以裝多個(gè)噴頭，實(shí)現(xiàn)非漸變彩色打?。换蛘叽蛴∵^(guò)程中人工更換塑料絲的顏色，實(shí)現(xiàn)顏色層狀變化。多材料光敏樹脂3D打印機(jī)將整個(gè)模型體素化，通過(guò)給每個(gè)體素指定一種材料，實(shí)現(xiàn)不同顏色材料的混合打印，從而產(chǎn)生漸變效果。粉末堆積3D打印機(jī)可以在堆積過(guò)程中為白色粉末直接噴墨著色，實(shí)現(xiàn)全彩色3D打印。不過(guò)這些商用彩色3D打印機(jī)價(jià)格昂貴，而且只支持有限的顏色和特定的材料。近幾年出現(xiàn)了一種新型的曲面著色技術(shù)：計(jì)算水轉(zhuǎn)印刷（Zhang，Y.，Yin,C.,Zheng,C.,Zhou,K.,2015ComputationalHydrographicPrinting,34,4,131)，通過(guò)計(jì)算水轉(zhuǎn)印過(guò)程中PVA膜的形變，在PVA膜上打印預(yù)形變圖案，然后用定位水轉(zhuǎn)印完成曲面的著色。但是水轉(zhuǎn)印膜在大拉伸條件下容易破裂，因此不適合為存在大量凹陷的模型著色。[0008]3.熱塑成型技術(shù)[0009]熱塑成型技術(shù)在薄殼塑料產(chǎn)品的制造中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。模具可以通過(guò)3D打印來(lái)制造（Junk,S.，Siim.ann-S皿,J.，Niederhofer，M·，2010，Applicationof3DPrintingfortheRapidToolingofThermoformingMoulds，Proceedingsofthe36thInternationalMATADORConference,369-372)。為制作彩色真空成型產(chǎn)品，可以用帶有標(biāo)定網(wǎng)格的塑料板進(jìn)行真空成型，并用視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量塑料板形變，從而對(duì)圖案進(jìn)行預(yù)形變，使得塑料板形變之后圖案剛好呈現(xiàn)為設(shè)計(jì)的紋理（Mellor，JP，.0der，M.，Starr，J.，Meador,J,2003,AnImage-BasedThree-DimensionalDigitizerforPre-DecoratingThermoformedParts,BMVC,1-10)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能避免測(cè)試復(fù)雜的物理參數(shù)，因此適用范圍很廣。缺點(diǎn)是需要專門的掃描裝置，對(duì)每一個(gè)模型都需要進(jìn)行一次標(biāo)定，因此適合規(guī)?；a(chǎn)，而對(duì)單件定制產(chǎn)品操作就顯得過(guò)于復(fù)雜。[0010]4.熱塑成型的虛擬仿真[0011]工業(yè)中對(duì)熱塑成型多數(shù)是通過(guò)有限元方法進(jìn)行仿真（Dees，Jerry.2009，F(xiàn)EASimulationsofThermoforming-UsingHyperelasticMaterialProperties；Nied,HF,Taylor,CA,Delorenzi,HG,1990,Three-dimensionalfiniteelementsimulationofthermoforming,PolymerEngineeringandScience)，但是這些工作不涉及曲面著色，只對(duì)真空成型的塑料片運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，計(jì)算塑料片形變后的厚度分布，從而優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及成型過(guò)程。一些工業(yè)級(jí)的仿真軟件（如T-Sim)盡管有針對(duì)帶圖案的定位真空成型進(jìn)行圖案預(yù)形變功能，但沒(méi)有考慮拉伸導(dǎo)致的色彩變化并對(duì)其進(jìn)行預(yù)校正，也不涉及模具排氣孔的設(shè)置與優(yōu)化。這些軟件都是面向?qū)I(yè)用戶，軟件價(jià)格很高，而且還需要專門的設(shè)備對(duì)使用材料的物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并不適用于個(gè)人用戶給3D打印模型著色?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0012]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有彩色三維曲面著色以及熱塑成型技術(shù)的不足，提供一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法。[0013]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，包括以下步驟：[0014](1)虛擬仿真:對(duì)真空熱塑成型整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真，包括塑料片軟化之后加載至工作位置，以及抽真空時(shí)塑料片貼緊模具表面的整個(gè)過(guò)程，并將該過(guò)程記錄下來(lái)；[0015](2)計(jì)算預(yù)形變圖案:通過(guò)虛擬仿真，獲得了3D模型表面與塑料片之間的映射關(guān)系，再通過(guò)3D模型的紋理映射，可以得到經(jīng)過(guò)預(yù)形變的圖案，并將其印在塑料片上；[0016](3)制作模具:通過(guò)對(duì)抽真空過(guò)程的仿真，找出塑料片與模具之間可能出現(xiàn)的氣體空腔，并據(jù)此在模型上設(shè)置排氣孔。真空成型機(jī)上固定模具的定位銷位置，在模型底部設(shè)置定位銷孔，通過(guò)3D打印制作出帶有排氣孔和定位銷孔的模具；[0017](4)真空熱塑成型:將印刷了預(yù)形變圖案的塑料片，以及帶排氣孔的模具裝到真空成型機(jī)上，模具通過(guò)定位銷與圖案對(duì)齊，并進(jìn)行真空成型操作，從而把印刷有圖案的塑料片貼在模具上。將塑料模型多余部分剪掉，從而制作出與數(shù)字化模型相同形狀和紋理的實(shí)物模型。[0018]進(jìn)一步地，所述步驟(1)包括以下子步驟：[0019](1.1)用三角網(wǎng)格對(duì)整張塑料片進(jìn)行離散化，塑料片的邊界是與真空成型機(jī)的塑料片夾內(nèi)邊緣尺寸一致的矩形；[0020](1.2)通過(guò)有限元方法對(duì)塑料片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，模擬塑料片運(yùn)動(dòng)至工作位置，然后在大氣壓力下拉伸形變并貼在模型表面的過(guò)程。[0021]進(jìn)一步地，所述步驟(2)包括以下子步驟：[0022](2.1)當(dāng)塑料片網(wǎng)格完全貼在3D模型表面之后，計(jì)算塑料片上打印圖案的每個(gè)像素與模型表面之間的映射關(guān)系；[0023](2.2)根據(jù)映射關(guān)系從模型的紋理中讀取圖案每個(gè)像素的顏色，并根據(jù)塑料片的拉伸對(duì)顏色進(jìn)行校正，最終計(jì)算出塑料片上打印的圖案；[0024](2.3)在圖案上繪制出塑料片網(wǎng)格的矩形邊框，該矩形的大小與機(jī)器上塑料片夾的內(nèi)邊緣剛好能夠重合；[0025](2.4)用彩色激光打印機(jī)將圖案打印在貼花膜上，將貼花膜裁剪成塑料片的尺寸，并貼在塑料片的表面。[0026]進(jìn)一步地，所述步驟(3)包括以下子步驟：[0027](3.1)根據(jù)步驟(1)中記錄的塑料片貼緊模具表面的過(guò)程，對(duì)在虛擬仿真的過(guò)程中產(chǎn)生的氣體空腔進(jìn)行檢測(cè)，并構(gòu)建氣體空腔森林；[0028](3.2)對(duì)于氣體空腔森林中的每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，記錄其最后一個(gè)貼到模具上的頂點(diǎn)，并在模型的該點(diǎn)處設(shè)置排氣孔；[0029](3.3)根據(jù)真空成型機(jī)上固定模具的定位銷位置，在模具底部設(shè)置定位銷孔；[0030](3.4)用3D打印機(jī)打印帶有排氣孔和定位銷孔的模具。[0031]進(jìn)一步地，所述步驟(4)包括以下子步驟：[0032](4.1)將步驟(2)得到貼有圖案的塑料片固定在真空成型機(jī)上，使圖案中的矩形邊框與真空成型機(jī)塑料片夾的內(nèi)邊緣重合；[0033](4.2)打開真空成型機(jī)的加熱器，并開始計(jì)時(shí)，使塑料片加熱軟化；[0034](4.3)等加熱到了預(yù)定的時(shí)間，將3D打印模具通過(guò)定位銷固定在真空成型機(jī)上與圖案對(duì)齊的位置。將塑料片移動(dòng)到工作位置，開啟真空栗，使塑料片將在大氣壓力作用下被拉伸，并貼緊模具表面；[0035](4.4)等溫度降至室溫，關(guān)閉真空栗，將塑料片多余部分剪掉。[0036]本發(fā)明的有益效果是:通過(guò)面網(wǎng)格對(duì)塑料片進(jìn)行建模，模擬真空熱塑成型工藝中軟化塑料片在大氣壓力下產(chǎn)生形變，并貼在模具表面的過(guò)程，并通過(guò)3D打印制作模具，將帶紋理的虛擬數(shù)字化模型制作成為實(shí)物模型。首先，將數(shù)字化模型作為模具，對(duì)真空熱塑成型的過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真。根據(jù)塑料片形變的仿真結(jié)果，計(jì)算出預(yù)形變圖案，并將其打印在塑料片上。通過(guò)對(duì)抽真空過(guò)程的仿真，找出塑料片與模具之間可能出現(xiàn)的氣體空腔，據(jù)此在模具上設(shè)置排氣孔;根據(jù)真空成型機(jī)上固定模具的定位銷位置，在模具底部設(shè)置定位銷孔，并通過(guò)3D打印制作出帶有排氣孔和定位銷孔的模具。將塑料片和模具固定在真空成型機(jī)上，并通過(guò)定位銷使模具與塑料片圖案精確對(duì)齊。經(jīng)過(guò)真空熱塑成型，帶有彩色紋理的塑料片就貼在了模具的表面，形成與數(shù)字化模型相同形狀和紋理的實(shí)物模型。【附圖說(shuō)明】[0037]圖1是本發(fā)明的流程圖，其中，（a)為輸入的帶紋理3D數(shù)字模型，（b)為虛擬仿真，(c)預(yù)形變圖案，（d)為帶有圖案的塑料片，（e)為帶排氣孔的3D模型，黑點(diǎn)為排氣孔，（f)為3D打印模型，（g)為真空成型，（h)為輸出的帶紋理實(shí)物模型；[0038]圖2是本發(fā)明虛擬仿真的過(guò)程，其中，（a)將塑料片固定在真空成型機(jī)的塑料片夾上，并加熱至軟化，（b)將塑料片移動(dòng)到工作位置，開始抽真空，（c)塑料片貼在模型表面；[0039]圖3是本發(fā)明的排氣孔的剖面圖；[0040]圖4是本發(fā)明制作的帶有彩色紋理的三維模型，其中，（a)為烏龜模型，該模型不需要排氣孔，（b)為汽車模型，該模型上設(shè)置了6個(gè)排氣孔；[0041]圖中，加熱器1、塑料片固定夾2、塑料片3、3D打印模具4、排氣孔5、定位銷6、大氣壓力區(qū)域7、真空區(qū)域8。【具體實(shí)施方式】[0042]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。[0043]本發(fā)明的核心是通過(guò)模擬真空熱塑成型的過(guò)程，計(jì)算在塑料片上打印的紋理圖案，以及模具上應(yīng)該設(shè)置排氣孔的位置，使得通過(guò)真空熱塑成型，使印有圖案的塑料片產(chǎn)生形變，形成與數(shù)字化模型相同的實(shí)物模型。[0044]如圖1所示，本發(fā)明一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，包括如下步驟：[0045]1.虛擬仿真:對(duì)真空熱塑成型整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真，包括塑料片軟化之后加載至工作位置，以及抽真空時(shí)塑料片貼緊模具表面的整個(gè)過(guò)程，并將該過(guò)程記錄下來(lái)。[0046]用三角網(wǎng)格對(duì)整張塑料片進(jìn)行離散化，其邊界是與真空成型機(jī)的塑料片夾尺寸一致的矩形，邊界內(nèi)生成三角網(wǎng)格。每個(gè)三角形內(nèi)角下限設(shè)定為30°，面積上限為2mm2。[0047]塑料片的運(yùn)動(dòng)通過(guò)有限元方法進(jìn)行仿真，每個(gè)單元的形變梯度F(3x2矩陣)都是彈性形變梯度(3x2矩陣)和塑性形變梯度?[)(2x2矩陣）的疊加:F=FeFP。仿真過(guò)程中，塑料片的內(nèi)部應(yīng)力通過(guò)彈性形變梯度來(lái)計(jì)算，計(jì)算方法為先計(jì)算格林應(yīng)變：[0048]G=1(f!?ζ-?)[0049]其中Fe為彈性形變梯度(3x2矩陣），F(xiàn)j為彈性形變梯度矩陣的轉(zhuǎn)置(2x3矩陣），I為2x2單位矩陣，G為計(jì)算出的格林應(yīng)變(2x2矩陣）。然后根據(jù)格林應(yīng)變G計(jì)算應(yīng)力：[0050]〇=ks[(l-v)G+vtr(G)I][0051]其中v是材料的泊松比，tr(G)為格林應(yīng)變矩陣G的跡(對(duì)角線元素之和），I為2x2單位矩陣。1^是描述材料的可拉伸性的系數(shù)，其計(jì)算方法Sks=Yh/(l_v2)，其中Y是材料的楊氏模量，h是塑料片的厚度，v是材料的泊松比。為簡(jiǎn)化計(jì)算，泊松比值取0.5。計(jì)算出的應(yīng)力σ為2x2矩陣。[0052]塑料片所受外力包括大氣壓力，模具的支持力以及模具表面摩擦力。[0053]計(jì)算大氣壓力時(shí)，首先計(jì)算每個(gè)三角形上的大氣壓力，然后將其均勻分?jǐn)偟饺齻€(gè)頂點(diǎn)上。每個(gè)三角形所受大氣壓力fP的計(jì)算方法為fpa其中ρ是當(dāng)前塑料片兩側(cè)的大氣壓強(qiáng)差，A是該三角形的面積，S是該三角形的單位法向量。[0054]塑料片網(wǎng)格每個(gè)頂點(diǎn)受到模具的支持力通過(guò)頂點(diǎn)到模型表面的距離來(lái)計(jì)算。為提高計(jì)算速度，可以首先為模型預(yù)計(jì)算一個(gè)距離場(chǎng)，頂點(diǎn)到模型表面的距離、以及模型表面的法向都可以直接從距離場(chǎng)中讀取。支持力fr的計(jì)算公式為：[0055][0056]其中d為頂點(diǎn)到模型表面的距離，ho為塑料片的初始厚度，Μ是該頂點(diǎn)一環(huán)鄰域面積的三分之一（即網(wǎng)格分?jǐn)偟皆擁旤c(diǎn)上的面積），fi是距離場(chǎng)在該點(diǎn)的單位梯度向量，kr是控制支持力大小的常數(shù)，其值設(shè)為5X108N/m3。如果頂點(diǎn)到模型表面的距離大于￥，則該頂點(diǎn)所受支持力為零。[0057]每個(gè)頂點(diǎn)摩擦力的最大值為μ||fr||，其中μ是塑料片與模型之間的摩擦系數(shù)，||frI是該頂點(diǎn)所受支持力的大小。將最大摩擦力的值與該點(diǎn)所受合力f在切平面上的投影ft的大小作比較，如果I|ft||〈μ||fr|I，在隱式求解頂點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)將摩擦力設(shè)為-ft;否則就將ft的大小減去μ||fr|I。[0058]外力都是頂點(diǎn)位置的函數(shù)，可以直接計(jì)算其導(dǎo)數(shù)，通過(guò)反向歐拉迭代，對(duì)塑料片的彈性形變進(jìn)行仿真。通過(guò)牛頓迭代法求解非線性方程，每個(gè)仿真步長(zhǎng)迭代50次，每次迭代都用共輒梯度法來(lái)求解。[0059]在每一步牛頓迭代后，算出了新的頂點(diǎn)坐標(biāo)，被更新，于是F也被更新。然后在固定F的前提下，進(jìn)行塑性形變FP的更新。方法為根據(jù)vonMises判別條件，判斷材料的應(yīng)力是否已經(jīng)超過(guò)了屈服極限。膜內(nèi)vonMises應(yīng)力公式為：[0060][0061]其中〇dP〇2是應(yīng)力矩陣σ的兩個(gè)特征值，1^(0)=0002為應(yīng)力矩陣σ的跡，det(〇)=〇1〇2為應(yīng)力矩陣〇的秩。一旦超過(guò)了材料的初始屈服極限〇〇,材料就開始塑性形變。塑性形變梯度FP初始為單位陣，隨著塑性形變的增加，材料被強(qiáng)化，使得材料的屈服極限％增加：[0062][0063]其中是材料的初始屈服極限，K是材料的強(qiáng)化系數(shù)，匕是塑性形變梯度（2x2矩陣）^/是匕的轉(zhuǎn)置(2x2矩陣），1為2x2單位矩陣，||||表示矩陣的秩。塑性形變?cè)讴杤超過(guò)了材料屈服極限〇y后開始更新，更新方法為：[0064][0065]其中，V是對(duì)當(dāng)前彈性形變通過(guò)奇異值分解FeiUXVl#到的二維旋轉(zhuǎn)矩陣，Σ是3x2偽對(duì)角矩陣。移除Σ中元素都為零的最后一行，變?yōu)?x2對(duì)角陣S，其形式為SidiagGh是矩陣S的秩。其中指數(shù)γ的大小表示塑性形變FP的變化程度，每一步仿真都在[0，1]區(qū)間內(nèi)進(jìn)行二分查找，使得〇v=〇y，從而達(dá)到平衡。[0066]仿真分為兩個(gè)階段，每個(gè)階段都對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行迭代求解，計(jì)算出塑料片各頂點(diǎn)的位置。第一個(gè)階段將塑料片加載至工作位置。在此過(guò)程中，每一步迭代都將網(wǎng)格邊緣頂點(diǎn)移動(dòng)一個(gè)固定距離，并作為硬約束，直到運(yùn)動(dòng)到工作位置。此階段大氣壓強(qiáng)設(shè)為零。第二個(gè)階段為抽真空將塑料片貼緊模具表面。在此過(guò)程中，網(wǎng)格頂點(diǎn)一旦接觸模具表面，就使其位置固定并作為硬約束。每一步迭代，都增大大氣壓強(qiáng)，直到塑料片網(wǎng)格所有的頂點(diǎn)都貼到了模型的表面。[0067]2.計(jì)算預(yù)形變圖案:通過(guò)虛擬仿真，獲得了3D模型表面與塑料片之間的映射關(guān)系，再通過(guò)3D模型的紋理映射，可以得到經(jīng)過(guò)預(yù)形變的圖案，并將其印在塑料片上。[0068]對(duì)于圖案的每個(gè)像素，根據(jù)平面坐標(biāo)X找到其在塑料片網(wǎng)格中落入的三角形，并計(jì)算其重心坐標(biāo)。這一像素在網(wǎng)格變形后的位置X'，也在該三角形形變后用同樣的重心坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)。然后將X'向模型上投影，找到其最近點(diǎn)X，并從3D模型的紋理中獲得該點(diǎn)的顏色，并將顏色轉(zhuǎn)換到CMYK顏色空間，記為cx。對(duì)于X處的像素以及包含X的三角形，計(jì)算三角形仿真前后的面積Ax和Ax，，該像素顏色修正為(Ax，/Ax)CX。對(duì)圖案上所有的像素都進(jìn)行該操作，就得到了完整的預(yù)形變圖案。最后把網(wǎng)格的矩形邊界也繪制到圖案上，所得到的圖案用彩色激光打印機(jī)打印在貼花膜上。打印的時(shí)候貼花膜附著在一層硬紙上，使用時(shí)將硬紙撕下。然后將貼花膜裁剪成塑料片的尺寸，貼在塑料片的表面，做成帶有預(yù)形變圖案的塑料片。[0069]3.制作模具:通過(guò)對(duì)抽真空過(guò)程的仿真，找出塑料片與模具之間可能出現(xiàn)的氣體空腔，并據(jù)此在模型上設(shè)置排氣孔。真空成型機(jī)上固定模具的定位銷位置，在模型底部設(shè)置定位銷孔，通過(guò)3D打印制作出帶有排氣孔和定位銷孔的模具。[0070]分析抽真空階段記錄的每一步仿真結(jié)果，我們檢測(cè)氣體空腔的形成。如果塑料片網(wǎng)格上的任何一個(gè)頂點(diǎn)貼在了模型上，那么這一點(diǎn)就永遠(yuǎn)附著在模型表面，稱為附著頂點(diǎn)。如果一條邊的兩個(gè)頂點(diǎn)都成為了附著頂點(diǎn)，那么這條邊也就附著在了模型表面，稱為附著邊，并且將會(huì)阻止空氣從這條邊下方流過(guò)。當(dāng)貼在模型上的邊形成一個(gè)環(huán)，將尚未貼在模型上的區(qū)域圍起來(lái)，那么這個(gè)區(qū)域下方的空氣已經(jīng)沒(méi)有排出的通道，也就形成了一個(gè)氣體空腔。這個(gè)空腔的邊界就是附著邊形成的環(huán)。[0071]將檢測(cè)出的氣體空腔以樹狀結(jié)構(gòu)排列，構(gòu)造出氣體空腔森林。其中每顆樹的根節(jié)點(diǎn)代表從塑料片網(wǎng)格上直接檢測(cè)出來(lái)的氣體空腔，每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)則是由一個(gè)氣體空腔分裂成兩個(gè)而形成的，每一個(gè)葉節(jié)點(diǎn)表示最后完全貼在模型表面的氣體空腔。然后根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)氣體空腔的體積，對(duì)氣體空腔森林進(jìn)行剪枝。遞歸地將體積小于1mm3的氣體空腔并入其父節(jié)點(diǎn)，直到整個(gè)森林中所有的節(jié)點(diǎn)體積都大于1mm3。如果直到根節(jié)點(diǎn)體積仍然小于1mm3，那么這棵樹就將被刪除。[0072]對(duì)于氣體空腔森林中的每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，記錄其最后一個(gè)貼到模型上的頂點(diǎn)，并在模型上該點(diǎn)處設(shè)置排氣孔。排氣孔的形狀如圖3所示，在模型表面開孔直徑為1mm，超過(guò)表面下方3mm后，孔的直徑增加到3mm。每個(gè)排氣孔細(xì)孔部分的方向與模型表面垂直，粗孔部分方向豎直向下。用戶還可以手動(dòng)調(diào)整排氣孔的位置。[0073]真空成型機(jī)上有固定模具的定位銷，在模型的對(duì)應(yīng)部位設(shè)置定位銷孔，最后用3D打印機(jī)制作帶有排氣孔和定位銷孔的模具。[0074]4.真空熱塑成型：將印刷了預(yù)形變圖案的塑料片，以及帶排氣孔的模具裝到真空成型機(jī)上，模具通過(guò)定位銷與圖案對(duì)齊，并進(jìn)行真空成型操作，從而把印刷有圖案的塑料片貼在模具上。將塑料模型多余部分剪掉，從而制作出與數(shù)字化模型相同形狀和紋理的實(shí)物模型。[0075]將塑料片安裝在真空成型機(jī)的塑料片夾上，將圖案中的矩形線框與塑料片夾的內(nèi)邊緣對(duì)齊，然后夾緊塑料片，打開加熱器對(duì)塑料片加熱。當(dāng)加熱達(dá)到設(shè)定的時(shí)間之后，將3D打印模具通過(guò)定位銷安裝在真空成型機(jī)上。如果打印材料能夠承受高溫，也可以在加熱前就安裝模具。將塑料片壓入工作位置，并開始抽真空。塑料片在大氣壓力作用下迅速被拉伸，并貼緊模具表面。等溫度降至室溫，關(guān)閉真空栗，將塑料模型多余部分剪掉。可以將塑料片與模具整體作為帶有設(shè)計(jì)彩色紋理的實(shí)物模型，也可以將塑料模型取下作為帶有設(shè)計(jì)彩色紋理的塑料殼。[0076]實(shí)施實(shí)例[0077]在一臺(tái)配備IntelI7-4930K中央處理器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例。實(shí)踐中，單次模擬仿真的計(jì)算時(shí)間不超過(guò)1分鐘。[0078]如圖4所示，用本發(fā)明制作出了小烏龜、小汽車等模型。結(jié)果表明，本發(fā)明能夠?qū)в屑y理的數(shù)字化模型制作成為實(shí)物模型?！局鳈?quán)項(xiàng)】1.一種可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)虛擬仿真:對(duì)真空熱塑成型整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真，包括塑料片軟化之后加載至工作位置，以及抽真空時(shí)塑料片貼緊模具表面的整個(gè)過(guò)程，并將該過(guò)程記錄下來(lái)；(2)計(jì)算預(yù)形變圖案:通過(guò)虛擬仿真，獲得了3D模型表面與塑料片之間的映射關(guān)系，再通過(guò)3D模型的紋理映射，可以得到經(jīng)過(guò)預(yù)形變的圖案，并將其印在塑料片上；(3)制作模具：通過(guò)對(duì)抽真空過(guò)程的仿真，找出塑料片與模具之間可能出現(xiàn)的氣體空腔，并據(jù)此在模型上設(shè)置排氣孔。真空成型機(jī)上固定模具的定位銷位置，在模型底部設(shè)置定位銷孔，通過(guò)3D打印制作出帶有排氣孔和定位銷孔的模具；(4)真空熱塑成型:將印刷了預(yù)形變圖案的塑料片，以及帶排氣孔的模具裝到真空成型機(jī)上，模具通過(guò)定位銷與圖案對(duì)齊，并進(jìn)行真空成型操作，從而把印刷有圖案的塑料片貼在模具上。將塑料模型多余部分剪掉，制作出與數(shù)字化模型相同形狀和紋理的實(shí)物模型。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，其特征在于，所述步驟（1)包括以下子步驟：(1.1)用三角網(wǎng)格對(duì)整張塑料片進(jìn)行離散化，塑料片的邊界是與真空成型機(jī)的塑料片夾內(nèi)邊緣尺寸一致的矩形；(1.2)通過(guò)有限元方法對(duì)塑料片的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，模擬塑料片運(yùn)動(dòng)至工作位置，然后在大氣壓力下拉伸形變并貼在模型表面的過(guò)程。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，其特征在于，所述步驟(2)包括以下子步驟：(2.1)當(dāng)塑料片網(wǎng)格完全貼在3D模型表面之后，計(jì)算塑料片上打印圖案的每個(gè)像素與模型表面之間的映射關(guān)系；(2.2)根據(jù)映射關(guān)系從模型的紋理中讀取圖案每個(gè)像素的顏色，并根據(jù)塑料片的拉伸對(duì)顏色進(jìn)行校正，最終計(jì)算出塑料片上打印的圖案；(2.3)在圖案上繪制出塑料片網(wǎng)格的矩形邊框，該矩形的大小與機(jī)器上塑料片夾的內(nèi)邊緣剛好能夠重合；(2.4)用彩色激光打印機(jī)將圖案打印在貼花膜上，將貼花膜裁剪成塑料片的尺寸，并貼在塑料片的表面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，其特征在于，所述步驟(3)包括以下子步驟：(3.1)根據(jù)步驟（1)中記錄的塑料片貼緊模具表面的過(guò)程，對(duì)在虛擬仿真的過(guò)程中產(chǎn)生的氣體空腔進(jìn)行檢測(cè)，并構(gòu)建氣體空腔森林；(3.2)對(duì)于氣體空腔森林中的每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)，記錄其最后一個(gè)貼到模具上的頂點(diǎn)，并在模型的該點(diǎn)處設(shè)置排氣孔；(3.3)根據(jù)真空成型機(jī)上固定模具的定位銷位置，在模具底部設(shè)置定位銷孔；(3.4)用3D打印機(jī)打印帶有排氣孔和定位銷孔的模具。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可計(jì)算的彩色紋理熱塑成型方法，其特征在于，所述步驟(4)包括以下子步驟：(4.1)將步驟(2)得到貼有圖案的塑料片固定在真空成型機(jī)上，使圖案中的矩形邊框與真空成型機(jī)塑料片夾的內(nèi)邊緣重合；(4.2)打開真空成型機(jī)的加熱器，并開始計(jì)時(shí)，使塑料片加熱軟化；(4.3)等加熱到了預(yù)定的時(shí)間，將3D打印模具通過(guò)定位銷固定在真空成型機(jī)上與圖案對(duì)齊的位置。將塑料片移動(dòng)到工作位置，開啟真空栗，使塑料片將在大氣壓力作用下被拉伸，并貼緊模具表面；(4.4)等溫度降至室溫，關(guān)閉真空栗，將塑料片多余部分剪掉。【文檔編號(hào)】B29C33/38GK105946205SQ201610333027【公開日】2016年9月21日【申請(qǐng)日】2016年5月18日【發(fā)明人】周昆,張譯中,童穎,童一穎【申請(qǐng)人】浙江大學(xué),聯(lián)想(北京)有限公司