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1、 2018 3D 打印 研究报告 AMiner 研究报告第十一期 清华大学(计算机系)中国工程科技知识中心 知识智能联合研究中心(K&I) 2018 年 9 月 Contents 目录 1 概述篇 2 技术篇 1.1 3D 打印相关概念 . 2 1.1.1 概述 . 2 1.1.2 发展历程 . 2 1.2 3D 打印材料 . 3 1.3 3D 打印机 . 4 1.3.1 打印机原理 . 4 1.3.2 打印机机械结构. 5 1.3.3 打印机工艺 . 6 1.4 3D 打印优缺点 . 8 3 人才篇 3.1 AMiner 大数据统计 . 19 3.2 学者信息 . 22 3.2.1 国际学者
2、 . 22 3.2.2 国内学者 . 32 2.1 切片算法 . 11 2.2 路径规划算法 . 11 2.3 几何优化问题 . 11 2.4 结构分析 . 12 2.5 材料表面效果 . 12 2.6 变形效果定制 . 14 2.7 机构设计 . 15 2.8 自支撑结构设计 . 17 5 趋势篇 4 应用篇 4.1 医学 . 39 4.2 航空航天 . 39 4.3 军事 . 40 4.4 建筑 . 40 4.5 文物保护 . 41 4.6 艺术 . 42 4.7 交叉应用 . 43 5.1 生物 3D 打印 . 45 5.2 多自由度机器人 3D 打印. 46 5.3 视觉反馈 . 49
3、 5.4 金属打印 . 50 5.5 多机协作打印 . 50 5.6 人机交互打印 . 50 图表目录 图 1 3D 打印流程概述图. 4 图 2 Prusa i3 框架结构打印机示意图 . 5 图 3 箱体结构 3D 打印机示意图 . 5 图 4 Delta 三角洲打印机示意图 . 6 图 5 MJF 技术流程示意图 . 7 图 6 CLIP 技术流程示意图 . 7 图 7 利用塑料打印的复杂结构 . 8 图 8 利用木材打印的多孔结构 . 8 图 9 利用细胞打印的人体器官 . 8 图 10 利用金属打印的一次成型零件 . 9 图 11 Ondrej Stava 应力消除算法示意图 . 1
4、2 图 12 Weyrich 微平面算法示意图 . 13 图 13 微平面高度场算法示意图 . 14 图 14 材料赋值参数化流程图 . 15 图 15 Song 基于连锁积木的拆分算法流程图 . 16 图 16 3D 打印领域全球顶尖学者分布图 . 19 图 17 3D 打印领域全球顶尖学者迁徙图 . 20 图 18 3D 打印领域全球顶尖学者 h-index 分布图 . 20 图 19 3D 打印领域全球顶尖学者男女构成图 . 21 扫码订阅 摘要摘要 3D 打印,即增材制造技术,于十九世纪末在美国起源,它以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,用叠加的方式制造实体产品
5、。近年来,由于市场的成熟及与计算机图形学、机器人学、生命科学、材料科学等领域的结合,3D 打印呈现了越来越丰富的可能性与越来越广阔的前景。 基于大数据时代的背景, 文章第一部分介绍了 3D 打印的概念、 历史、 流程等基本理论,第二部分对 3D 打印常用技术进行了论述,第三部分利用 AMiner 大数据对 3D 打印领域人才概况及相关学者进行了介绍,第四部分对 3D 打印在医学、航空航天、军事、建筑等相关领域的应用情况进行了概述,第五部分根据 3D 打印现状展望了该领域的发展趋势。 报告(电子版)实时更新,获取请前往:https:/ 1 concept 概述篇 1 2 1. 1. 概概述述篇篇
6、 本章从发展历程、打印材料、打印机三个方面描述 3D 打印打特征,并总结了目前 3D打印技术整体的优势与不足。 1.1 3D 打印相关概念 1.1.1 概述 3D 打印(3D Printing) ,即增材制造技术,是快速成型技术的一种。以计算机三维设计模型为蓝本, 通过软件分层离散和数控成型系统, 利用激光束、 热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、 塑料、 细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结, 最终叠加成型, 制造出实体产品。与传统制造业通过模具、 车铣等机械加工方式对原材料进行定型、 切削以最终生产成品不同,3D 打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了
7、制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床和众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。 1.1.2 发展历程 3D 打印技术的核心思想于 19 世纪末的美国起源,到 20 世纪 80 年代后期 3D 打印技术发展成熟并被广泛应用。 可谓是 “上上个世纪的思想, 上个世纪的技术, 这个世纪的市场” 。 1860 年,多照相机实体雕塑(Photosculpture)的专利被法国人 Franois Willme 申请。 1892 年,一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术在美国登记。 1992 年,Stratasys 公司
8、推出了第一台基于 FDM 技术的工业级快速成型打印机。 1993 年, 美国麻省理工学院 MIT 的 Emanual Sachs 教授发明了三维打印技术。 1995 年,麻省理工的两名学生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 的毕业论文选题是便捷快速成型技术。两人把打印机墨盒里面的墨水替换成胶水,成功打印出了一些立体的物品。这是 3D 打印在学术上的首次成功尝试。 1996 年,3D Systems、Stratasys、Z Corporation 公司均各自推出了新一代的快速成型设备,此后快速成型便有了更加通俗的称呼“3D 打印” 。在此之前为研究领域所接受的名词是“快速成型”
9、。 进入 21 世纪,3D 打印技术迅速发展,2005 年,Z Corp.公司推出世界上第一台高精度彩色 3D 打印机 Spectrum Z510,3D 打印由此有了精致的色彩;2009 年,Bre Pettis 创立了著名的桌面级 3D 打印机公司Maker Bot,并出售 DIY 套件,购买者可自行组装 3D 打印机,将 3D 打印技术进一步推广开来;2015 年,美国 Carbon3D 公司发布一种新的光固化技 3 术连续液态界面制造(Continuous Liquid Interface Production,CLIP) ,利用氧气和光连续地从树脂材料中逐出模型。将 3D 打印速度提升
10、了一个阶段,且可以使用部分生物材料。此外,还有许多 3D 打印技术在汽车制造、首饰设计、食品、艺术、生物医疗、航空航天等领域的成功案例。 可以看出,本世纪大众思维的转变推动了 3D 打印市场的扩大,从而促进了 3D 打印技术的蓬勃发展。 1.2 3D 打印材料 3D 打印所使用的材料均针对 3D 打印设备专门研发, 其形态为粉末状、丝状、 层片状、液体状等等,与普通材料有所区别。以粉末状打印材料为例,根据打印环境的不同,其粒径一般为 1-100不等,且一般要求粉末有高球形度。 ABS塑料塑料:ABS(AcrylonitrileButadieneStyrene Copolymer)为使用最广泛非
11、通用塑料之一, 它将丙烯腈、 丁二烯和苯乙烯的性能结合起来, 具备耐冲击、 耐高低温、 耐化学药品、无毒无味的特性,此外,其易加工、可二次加工。 PLA塑料塑料:PLA(Polylactic-Acid)是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如红薯、玉米)所提炼出的淀粉原料制成。其相容性、可降解性、物理性能、光泽性与抗拉强度良好,适用于各种加工方法,尤其是吹塑与热塑。 工程塑料工程塑料: 工程塑料 (Engineering-Plastics) 是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,耐热性、耐冲击性、抗老化性与机械性能良好,主要用于工业。主要品种有:聚酰胺(尼龙) ,聚苯硫醚,聚碳酸
12、酯,聚甲醛,PBT,聚苯醚。 光敏树脂光敏树脂:光敏树脂是由高分子组成的胶状物质,由于粘度低、固化收缩小速率快程度高、溶胀小、光敏感性高等特性,成型后产品外观平滑,呈现出透明至半透明的磨砂状。常见的光敏树脂有 somosNEXT 材料、树脂 somos11122 材料、somos19120 材料和环氧树脂。 橡胶类材料橡胶类材料:橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特性,其硬度低、断裂伸长率高、抗撕裂强度大、拉伸强度大,非常适合应用于要求防滑或柔软表面的领域。3D 打印的橡胶类材料产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。 金属材料金属材料:3D 打印所使用的金属粉末与一般金属
13、不同,要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前,应用于 3D 打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。其中钛合金强度高、模量低、耐疲劳性强,广泛应用于航空航天与生物医学。 陶瓷材料陶瓷材料: 陶瓷材料具有硬度高、 密度低、 耐高温、 耐腐蚀等特性, 广泛用于航空航天、汽车、生物医疗等行业。陶瓷颗粒越小,表面越接近球形,陶瓷层的烧结质量越好。由于目 4 前工艺的局限,复杂的陶瓷打印所需模具复杂、成型困难、成本高,难以广泛应用。 复合型石膏粉末复合型石膏粉末:这是一种全彩色的打印材料,具有易碎、坚固、色彩清晰的特点,
14、成型后外表会出现细微的颗粒效果,外观很像岩石,在表面曲面会出现环状纹理。 蓝蜡和红蜡蓝蜡和红蜡:采用多喷嘴立体打印技术(MJM) ,表面光滑,多用于制造蜡模,利用失蜡铸造的原理,用于精密铸造。在珠宝、服饰、医疗、雕塑、艺术等领域广泛应用。 其他材料其他材料:细胞材料,在实验室培养出细胞介质,以水基溶胶为粘合剂;食品材料,加热为胶状的砂糖等。 1.3 3D 打印机 1.3.1 打印机原理 3D 打印可以简单地理解为“多层的二维打印” ,3D 打印机一般使用特制的材料,基于笛卡尔机械坐标系,按照三维图纸,将其一层层喷涂或者熔结到三维空间中,从而制作出传统制造工艺难以制作的高复杂度产品。3D 打印机
15、主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统、计算机技术组成的机电一体化复杂系统。概括来说,3D 打印机的制造过程一般要经历三维建模、分层切割、打印喷涂和后期处理四个阶段,如图所示: 图 1 3D 打印流程概述图 三维建模三维建模:分为扫描和手动建模两种。扫描是一种自动建模的方法,即通过 GOSCAN之类的扫描设备获取扫描对象的三维数据,并自动生成三维模型;手动建模是从零开始,使用三维建模软件,如 Blender、AutoCAD、C4D,在直角坐标系中建立三维模型。目前大部分 3D 打印机均基于 stl 格式设计。 分层切割分层切割:由于 3D 打印机不能直接操作 3D 模型,需要通过打印机配备的
16、专业软件将模型文件处理为打印机可识别的描述方式, 分为多层薄片, 每层厚度由打印材料的属性与打印精度决定。 打印喷涂打印喷涂:打印机按照分层切割的蓝图,将打印材料逐层喷涂或熔结到三维空间中。这一阶段有多种实现方式,较为普遍的方式是先喷一层胶水,再添加粉末,循环往复;或是用 5 高能激光融化合金材料,层层绘制,熔结成产品;比较先进的是连续液态界面制造,利用氧气和光连续地从树脂材料中逐出模型。这一过程根据模型大小、复杂程度与打印材料不同,耗时几分钟到几天不等。 后期处理后期处理: 打印喷涂结束后一般会有一些粗糙截面与材料毛刺, 便需要对模型进行后期处理,包括固化、修整、打磨、上色等。这一阶段与 3
17、D 打印技术关系较小。 1.3.2 打印机机械结构 打印机可以按照其机械结构分为 Pursa-i3 框架结构、箱体结构、Delta 三角洲结构与其他结构。 Pursa-i3框架结构框架结构:Prusa-i3 是 Reprap 打印机 Prusa-Mendel 发展至今的第三代机型,主体为一个矩形龙门架,其与水平方向的杠杆共同负责打印头 z 轴与 x 轴方向的移动,底部水平的打印平台负责 y 轴方向的移动。 图 2 Prusa i3 框架结构打印机示意图 箱体结构箱体结构:这是市面上最流行的结构,箱体为打印机工作提供了很好的保护,符合现代家用机的需求。通过电机或传送带带动打印头沿 x y 轴移动
18、,打印平台沿 z 轴上下移动,节约了空间,符合 3D 打印机的工作原理。 图 3 箱体结构 3D 打印机示意图 Delta三角洲机型:三角洲机型:其专业名为并联臂结构,由三个并联臂协同工作,采用一种特殊的插值算法进行坐标定位,对于弧形结构采用多个直线段逼近的方式运算,打印平台固定。三 6 角洲机型的运动结构可以分成两种,一种是目前市场上普遍的三棱柱框架结构,以和 Kossel打印机为代表,偏向实际应用;另一种是并联机械手臂结构,偏向理论数据分析。 图 4 Delta 三角洲打印机示意图 1.3.3 打印机工艺 按照材料形式与工艺实现方法,可将打印机工艺分为如下五大类1:a) 粉末或丝状材料高能
19、束烧结、 熔化成型, 如选择性激光烧结 (Selective Laser Sintering,简称 SLS) ,选择性激光熔化(Selective Laser Melting,简称 SLM) 。b) 丝材挤出热熔成型,如熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,简称 FDM) 。 c) 液态树脂光固化成型, 如立体光固化成型 (Stereo Lithography Apparatus, 简称 SLA) ,数字光处理(Digital Light Processing,简称 DLP) 。 d) 液体喷印成型,如三维打印(Three-Dimension Printing,简称
20、 3DP) 。 e) 片/板/块材粘结成型, 如层叠实体制造 (Laminated Object Manufacturing, 简称 LOM) 。 以下为三种较先进工艺的详细介绍: l MJF(2014) 多射流熔融技术(Multi-Jet Fusion,简称 MJF),特点是是利用两个单独的热喷墨阵列来制造全彩 3D 物体的。打印时,其中一个会左右移动,喷射出材料,令一个会上下移动,进行喷涂、上色和沉积,使成品得到理想的强度和纹理。随后,两个阵列会改变方向从而最大化覆盖面。接着,一种细化剂会喷射到已经成型的结构上。之后会对已经和正在沉积的部分加热。这些步骤会往复循环,直至整个物体以层层堆积的
21、方式打印完成。 MJF3D 打印工艺使用多种粘合剂和固化剂,使用多喷头革新了打印方式,可以实现丰富的纹理细节,融合了以往 3D 打印技术高速度、高强度、高精度的特点。 7 图 5 MJF 技术流程示意图 l CLIP(2015) 连续液界面生产工艺(Continuous Liquid Interface Production,简称 CLIP)工作原理是通过操纵光和氧气,将液体媒介中的物体融合在一起,构造出物体的 3D 模型。树脂在紫外线照射下会固化成型, 液池下方的投影装置, 使紫外线按照打印物件每一层剖面的形状照射液面。与此同时,当打印的某一层完成后,生长平台会向上提起,在刚刚长成的一层树脂
22、上再长出新层。 CLIP 通过使用激光矫正和氧气固化流程,把传统机械的打印方法改变成可调谐的光化学过程,把层层叠加变成一次成型,是一种颠覆性技术。 图 6 CLIP 技术流程示意图 l Nano Particle Jetting(2016) 纳米金属射流(Nano Particle Jetting)使用的原材料是液态金属。作业开始时,打印机会首先将大分子金属颗粒粉碎成纳米级技术颗粒。粉碎后的金属颗粒会注入 XJet 研发的粘合墨水中,金属不会在墨水中融化,而是形成悬浮物充满整个腔体。之后喷头挤出液态混合物,固化成型,打印产品。最后构建室会通过加热将多余的液体蒸发,只留下金属部分。 纳米金属射流
23、技术可以快速打印出金属部件,该技术具有将金属 3D 打印的速度和打印 8 量都提升了一个台阶,并且可以实现极高的精度和表面光洁度,真空环境操作简单安全,支撑易拆除。但温度耐受能力较传统金属 3D 打印较低。 1.4 3D 打印优缺点 优势优势 3D 打印作为一种新型制造技术,突破了传统制造业技术的几个复杂性难题:形状复杂性、材料复杂性、层次复杂性和功能复杂性。也能减少成本,加速由设计到实现的过程。 形状复杂性形状复杂性: 无论任何复杂的形状, 只要能够在三维设计软件中设计出来, 就能通过 3D打印技术制造。 图 7 利用塑料打印的复杂结构 材料复杂性:材料复杂性:全彩色、异质、功能梯度材料的结
24、构,都可以用 3D 打印技术实现,如下图所示: 图 8 利用木材打印的多孔结构 层次复杂性:层次复杂性:传统加工技术难以实现的多尺度(宏、介、微观) ,如原子打印、细胞打印利用 3D 打印技术都可以实现。 图 9 利用细胞打印的人体器官 9 功能复杂性:功能复杂性:对于结构复杂的零件,3D 打印技术可以实现整体打印成型,避免了将一个复杂零件进行分拆制造后通过焊接成形而带来的质量增大和潜在的质量缺陷, 甚至能够取消复杂零部件的装配。如下图所示的组件,通过 3D 打印整体成型。 图 10 利用金属打印的一次成型零件 减少成本减少成本: 打印复杂的形状不会增加时间与原料成本, 一体化成型的制造方法也
25、能减少组装工人的介入,从而缩短供应链,加速制造进程。此外,与传统制造方式相比,3D 打印降低了对工匠的要求,减少了培养工匠所耗费的资源,能更充分地发挥个人的创造力。 3D 打印直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品,极大地简化了生产流程,降低了研发成本,缩短了研发周期,减少了资源消耗,使得复杂结构零件的生产成为可能,对面向功能的产品设计具有重大的推进作用。 不足不足 3D 打印有着很多传统制造技术不可比拟的优势,但是产品最重要的属性是功能性,现在受材料等因素的限制,3D 打印产品的实用性仍存有疑问。同时也存在知识产权与社会道德的问题。 强度问题:强度问题:3D 打印可以制造出各种复杂的外形,但是
26、其产品能否达到传统制造产品的强度,3D 打印产品的功能性、力学结构、受力分析等等,都是需要考虑的问题。 精度问题:精度问题:由于分层制造存在 “台阶效应” , 每个层次虽然很薄, 但在一定微观尺度下,仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶” ,如果需要制造的对象对精度的要求很高,如何克服这种精度上的偏差就成为 3D 打印需要考虑的问题。 材料的局限:材料的局限:目前供 3D 打印机使用的材料非常有限,只有塑料、橡胶、金属、陶瓷与部分细胞原料等等,其用料大多成本高昂且工艺复杂,日常生活中大部分材料还无法打印。 知识产权知识产权:如果高精度的 3D 打印技术普及,大众复制事物的能力会极大提高,现实中的
27、事物会得到更为广泛的传播,如何用法律法规来保护知识产权,仍是需要考虑的问题。 道德伦理道德伦理:伦斯勒理工学院的博士生 Heather Dewey-Hagborg 通过收集陌生人的 DNA打印出面部模型,美国在 2018 年将 3D 打印枪支合法化,3D 打印技术在这些方面的应用,会带来信任危机与恐怖主义等一系列的社会问题。 10 technology 技术篇 2 11 2. 技术篇技术篇 3D 打印的算法主要包括切片算法与路径优化算法,近年来成果集中在计算机图形学领域的几何优化问题。 (1 1) 切片算法切片算法 1. 网格切片计算,以 STL 格式文件的网格类模型为切片对象。 2. 直接切
28、片计算,直接在原始 3D 模型文件上计算,避免转为 STL 格式的误差。 (2 2) 路径规划算法路径规划算法 1. 平行扫描,也称为 Z 字路径,在边界内来回扫描,每一段路径均平行。 2. 轮廓平行扫描,填充路径由轮廓的一系列等距线组成。 3. 分形扫描,路径由一些短小的分形析线组成。 4. 星形发散扫描,默认将切片从中心分为两个部分,先后从中心向外填充,填充线互相平行。 5. 基于 Voronoi 图的扫描路径,根据切片轮廓的 Voronoi 图与一定的偏置量,在各边界元素的 Voronoi 区内生成该元素的偏置线,通过连接各个元素的偏置线得到一条完整路径。 (3 3) 几何优化问题几何优
29、化问题 本质是化整为零,再积零为整。由于打印机打印空间有限,所以打印超出其打印空间的物体必须将其分割为若干块分别打印,最终按照选定的方法组装。通过合理排列各个部分,也可更充分利用打印空间从而提升打印效率。 目前物体分割问题有两种解决思路, 一是Chopper分割2, 该方案采用平面分割的方式,自上而下进行分层, 再将层间物块一分为二, 分割结果可以根据不同的目标函数与用户引导调整。 二是基于曲率模型的分割3。首先对模型表面进行曲率分析,构建其特征环,并选取合适的特征环,将模型分为若干子模型。但这种方法需要目标表面有明确的特征信息,适用范围有限。对于由多边形面构成的模型,可以用 Chen 等人4
30、提出的多边形面片拆分法,通过表面分割与变形,将 3D 模型分割与变形处理,生成多个面片,利用连接头组装。 重心优化问题重心优化问题 虚拟环境中,物体可无视重力,随意摆放,但打印输出为实物后就需要遵循物理规律,基于这种状况,Prvost 等人5提出了重心优化算法:对于站立式,模型与地面接触的点可构成一个支撑多边形,模型重心的投影要落在多边形中;对于悬挂式,要保证模型重心位于吊绳的正下方。通过掏空模型,与模型表面适度变形两种方法达到上述条件,无需其他支撑。 12 打印成本优化问题打印成本优化问题 Wang 等人6结合桁架结构,提出了“蒙皮-刚架(Skin-Frame) ”结构以减少材料消耗。内部刚
31、架由细杆与节点构成,刚架间固定连接,力学特征好,质量轻便。通过优化建模,提出了这种迭代优化的方法, 从随机的结构出发都可以保证蒙皮体积与刚架体积之和最小, 并防止了刚架中的细杆与节点的冗余。 该算法还可以优化支撑结构, 同样可以在保证强度的基础上减少材料浪费。 (4 4) 结构分析结构分析 应力消除应力消除 Ondrej Stava 提出了应力消除的算法7,依据原有模型创建新模型,使其与原模型外观相同,同时提高其结构强度。该算法通过一个轻量级结构分析解算器,先预设模型可能承受的物理荷载情况,并指定几种外部荷载计算识别原模型的强度问题,运用内部掏空、局部加厚与添加支撑的方法,避免高强度应力区的出
32、现,从而提高模型的结构性能。但对于复杂的模型,这种方法很难保证其真实性与可靠性。 图 11 Ondrej Stava 应力消除算法示意图 最不利荷载最不利荷载 对于应力消除的弊端,可以通过最不利荷载的算法来弥补8,该方案通过模态分析(Modal Analysis) ,计算输入模型的各阶模态,对模型的每一阶模态,计算提取出相应的薄弱区域;对每一个薄弱区域,通过求解计算其相应的最不利荷载分布;用有限元方法计算在上述荷载分布作用下模型的应力; 从而寻找一种最不利荷载的情况, 预测物体在不同频率震动时最脆弱的部位,并据此标示出模型的最大变形区域,最终确定结果。 (5(5) ) 材料表面效果材料表面效果
33、 次表面散射效果定制次表面散射效果定制(Subsurface Scattering) Hasan 等人9测量一组给定材料的次表面散射特性,采用双向表面散射反射分布函数(Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distributional Function,BSSRDF)描述其特征曲线;根据这些曲线,可计算出不同材料与不同厚度组合后的次表面散射特征曲线,可将其称之为正向问题(Forward Problem) ;与目标材料外观效果的匹配计算,给定一个材料的期望 13 散射曲线, 通过非线性离散优化算法来确定出各层材料及其厚度, 使它们组合出尽可能接
34、近所要达到的目标效果。这个可称其为反向问题(Inverse Problem) 。其中,优化算法通过物理约束剔除大量不合适的结果, 实现高效地搜索基本材料的可能组合空间; 将上述计算结果优化扩展到 3D 模型表面各点,通过调整包裹在模型表面不同厚度的各层材料,来实现目标效果。 Dong 等人10将此问题称为材料映射问题(Material Mapping) ,与 Hasan 相同,均采用BSSRDF 函数来确定材料的次表面散射特性,同时还考虑了材料分布的约束条件(Layout Constraints) ,对于均匀厚度的情况,Dong 团队采用基于分簇的方法计算有效布局,对于薄厚不均的情况,采用局部
35、散射曲线来初始化分层布局。 Papas 等人11通过不同颜料与基本原料混合来实现不同材料的表面散射效果。 空间变化反射效果空间变化反射效果(Spatially Varying Reflectance) 在计算机图形学中,常用 BRDF 函数表示空间变化反射效果,Weyrich 等人12给出了一个基于微平面(microfacet)理论的算法,其根据一个给定的物体表面 BRDF 分布,寻求得到物体微表面倾斜分布的可能结果, 再对此分布采用点状方法采样, 并以微平面为单元来构建物体表面, 然后运用模拟退火方法优化微平面间倾斜连续性及其凹陷深度, 最后得到表面高度分布场,实现所要达到的表面反射效果。m
36、icrofacet 理论基本假设是,表面是由很多微平面(microfacet)组成,这些微平面都很小,无法单独看到;并假设每个 microfacet 都是光学平滑的。 每个 microfacet 把一个入射方向的光反射到单独的一个出射方向,这取决于 microfacet的法向。当计算 BRDF 的时候,光源方向和视线方向都得给定。这意味着在表面上的所有 microfacet 中,只有刚好把反射到的那部分对 BRDF 有贡献。在图中,我们可以看到这些有效 microfacet 的表面法向正好在和的中间,也就是半角矢量。 图 12 Weyrich 微平面算法示意图 此方案对于物体表面有一定限制,物
37、体由单一材料构成,不考虑透明情况,限制microfacet 倾斜角在 65以内(可以忽略 microfacet 间的互相遮挡与反射情况) ,microfacet边界尽可能连续。从而假定一个物体表面的最终反射效果由物体材料的 BRDF 特性与物体表面的高度场分布决定。 在这种假定下,物体表面总体的 BRDF 可看作是由一些基本 microfacet 的 BRDF 随着 14 微平面的法向不同而变化,最终的表面总体 BRDF 效果可以看作是由基本 BRDF 的半角分量与每一个微平面法向的球面卷积。 大概流程是由所给的高亮形状到微平面分布, 再由微平面分布到高度场分布,在得到想要的微平面离散集合后,
38、此时微平面的高度值还未确定,可先对其倾斜角调整优化, 使其分布能形成一个相对连续光滑的平面。 文中这个过程通过模拟退火优化算法来计算三个能量函数使其最小化来完成。最后,利用上述优化结果,沿着高度方向移动每一个微平面使其分布尽可能连续, 得到最终的高度场分布。 这一过程可以表示为一个离散的泊松方程来求解。最终的结果可以得到一个近似于 C连续的微平面分布。 图 13 微平面高度场算法示意图 (6 6) 变形效果定制变形效果定制 不同材料的联合打印可以使我们能制造等复杂的物体,突破单一材料的局限。Bickel 等人13研究了材料混合打印的问题,即如何在微尺度上,根据基础材料的力学性能曲线,打印出制定
39、力学性能的多元材料混合体。 当前,多材料 3D 打印机在打印对象时需要指定对象内部的每一个要素,如果还需要一定的功能或其他要求时,确定体素的工作极其复杂,很难求解。因此,这一工作就需要采用一定的简化来表示。为了实现这一目标,Chen 等人14采用简化树(Reducer tree)方式。这一方式在概念上有些类似 Maya 中的材质网络(Shader Network) ,只不过这里用一些预定义的形状与材料节点给对象所在空间进行合理赋值,实现材料赋值空间的参数化。因此,文中给出一个简化树的树型结构,它有两种类型的子节点:几何节点与材料节点。 15 图 14 材料赋值参数化流程图 (7) (7) 机构
40、设计机构设计 积块式机构积块式机构 积块式机构指由一些块状、 片状或板状构件按一定要求组装在一起, 构件间互相咬合锁定,最终形成一个稳定的结构。 Xin 等人15基于鲁班锁的原理研究了这一课题:如何根据一个给定的 3D 模型来自动设计生成相应的鲁班锁结构。 其原理是先生成一个具有n个部件的鲁班锁结构, 作为节点 (knot) ,作为模型组合的基础,从单节点结构到多节点结构,从而解决复杂模型的分块问题。以单节点模型为例,先将总体模型划分为 8 个区域,将一个 knot 放在模型内部,将其各个部件沿所在平面的轴向延伸至总体模型边界,并综合考虑各区域贴片问题。贴片生成方法有双面、多面与对称。 Son
41、g 等人16基于连锁积木原理研究了相似课题:如何将一个给定 3D 模型分解为一组物块,自动设计生成相应的连锁积木结构。该方法以体素形状的积木模型为处理对象,记为S,依次从 S 身上递归抽取部分积木块,将其分解为一个积木块序列 P1,P2,Pn 和 S 中剩下的最后积木块 Rn:SP1,R1P1,P2,R2P1,P2,Pn,Rn 。 16 图 15 Song 基于连锁积木的拆分算法流程图 如果每一次分解中, 都能保证只有一个积木块组件能取走解锁, 而剩下的部分都不能互相解锁,则问题就可递归解决。其中,Pi+1 称为解锁块按照这一策略,文中构造性方法主要可分为两步: (1)提取初始解锁积木块; (
42、2)递归依次提取其他解锁积木块。 动态玩具机构动态玩具机构 Zhu 等人17研究了玩具机构的设计;Coros 等人18研究了机械角色机构运动;而 Ceylan等人19则研究了基于视频输入的机械机器人设计。 其主要方法和流程基本相似, 可以总结如下:给定一个运动的输入,可以是一组动画曲线,也可以是一段动画视频,系统会从预定义的部件库中选取合适的部件将其组合, 然后再优化这些部件的参数, 使整个机构的运动输出与所给运动输入保持一致。 关节机构关节机构 Cal 等人20和 Bacher 等人21就此问题分别作了一些探讨研究,从总体过程来看,两人的方法大体相似,可简要总结如下:首先,将所给模型按一些要
43、求分割为不同组成部分;然后将分割后的模型用合适的关节拼接起来。两人在分割方法与关节处理稍有不同。 免组装机构免组装机构 免组装机构是指在零件设计阶段将组成机构的各个零件组装好, 然后一次性直接制造出,免去后续组装工序的机构。这种机构不仅仅是机构设计概念的创新,在更深的意义上,这种理念的存在极大地解放了机构设计的自由度,因为这样设计者无需考虑装配方式与装配空间,同时也能提升三维机构模型创新能力,为现代机械及一体化设备设计、创新和发明提供系统的基础理论和有效方法。 17 (8 8) 自支撑结构设计自支撑结构设计 自支撑结构曲面设计自支撑结构曲面设计 现有方法大多是基于推力网络分析方法(Thrust
44、 Network Analysis,TNA)来处理的。这种方法需要有深厚的结构设计知识基础,与大量的人工设计计算工作。在这样的背景下,近年来有一些研究者开始探讨如何利用计算机来处理上述问题,如 Panozzo 等人22、De Goes等人23、Liu 等人24及 Vouga 等人25。上述问题可具体表示为:给定一个曲面,如何能自动快捷地生成一个与其相同或相近的自支撑结构曲面,其结构基本元素为三角形或四边形。 RF结构设计结构设计 自支撑结构中,还有一类 RF(Reciprocal Frame Structures)结构也很有价值这种结构由一些 RF 单元互相搭接而成,每一个 RF 单元与其相邻
45、单元相互支撑,最终整个结构在外围受到外墙、环梁或锚点的支撑而稳定成形。针对大尺度复杂的 RF 结构设计问题,Song 等人26将其分解为两步,即先在 2D 构建基本 RF 单元的组合分布,再通过一个 3D 导轨面将其提升到 3D 空间,并在保持几何外形条件下,对杆件的位置优化以提高结构的整体性与稳定性。 18 talent 人才篇 3 19 3. 人才篇人才篇 3.1 AMiner 大数据统计 AMiner 基于 3D 打印领域三个最顶级国际期刊发表的学术论文,ACM T GRAPHIC,IEEE-ASME T MECH 与 J INTEL MAT SYST STR,进行统计。一篇论文如果有多
46、个作者,则每个作者均统计一次,按照近五年(2014-2018)发文量,取发文量数3 的学者(共 315人) ,兼顾发文被引用量,进行分析,得出结论如下文所示: 图 16 3D 打印领域全球顶尖学者分布图 这里的学者分布以其所属机构与机构所属地区为依据, 不考虑个人的国籍、 使用语言与现居地。 按大洲来分, 北美以 162 人的学者数位居第一, 欧洲 83 人, 亚洲 69 人, 南美 1 人,其他三个大洲均无学者分布。 更进一步,以国家与地区的角度来看,北美学者主要集中在美国(146 人) ,加拿大仅有16 人,其他北美国家无分布。美国的学者在东西海岸均有大量分布,东海岸 63 人,主要集中在
47、纬度较高的纽约 (16 人) 与波士顿 (22 人) ; 西海岸 66 人, 主要分布在西雅图 (13 人) 、旧金山(15 人)与洛杉矶(20 人) 。内陆学者又主要分布在低纬度地区。 欧洲学者主要集中在西欧 (78 人) , 东欧仅有 5 人。 西欧的学者主要集中在法国 (18 人)与德国(25 人) ,其他各个国家分布较均匀。 亚洲学者主要集中在东亚(51 人) ,中东地区也有较多学者分布(15 人) ,东南亚有 2人,南亚仅有 1 人。东亚学者主要集中在中国(43 人) ,东部沿海地区优势明显,尤其是北京(11 人) 、上海(11 人) 、广州(11 人) 。韩国 6 人,日本 2 人
48、,新加坡 2 人,印度 1 人。以色列以 11 人的优势在中东占绝对地位。 由上列数据可知,西欧地区与美国在 3D 打印研究领域优势明显,尤其是美国,聚集着 20 近半数的顶尖学者,占比 46.34%;中国在此领域也占有 13.65%左右的比重,对 3D 打印领域做出了突出贡献;此外,中东地区也有 4.76%左右的学者分布,是不可忽视的力量。顶尖学者基本均集中在发达国家,但有一部分发达国家对此领域贡献不足,如韩国(1.90%) 、日本(0.63%) 、澳大利亚(0%) 。 图 17 3D 打印领域全球顶尖学者迁徙图 由上图可以看出,各国 3D 打印领域人才的流失和引进是相对比较均衡的。其中美国
49、是3D 打印领域人才流动大国,人才输入和输出都大幅领先,且从数据来看,人才流出略大于流入。 中国、 德国、 加拿大和瑞士等国人才流动量落后于美国, 中国人才流入量大于流出量。 图 18 3D 打印领域全球顶尖学者 h-index 分布图 在上图的统计信息中,全球 3D 打印学者 h-index 多在 21-40 这一区间,约为 28.88%;其次为 11-20 区间,约为 24.76%;最顶尖学者(h-index60)占比为 11.42%,有相当大的比重。可以看出,在全球顶尖学者中仍有 h-index 较低的学者(h-index 为 0-10) ,3D 打印领域的研究质量相距较大、研究方向不宽
50、泛。 21 图 19 3D 打印领域全球顶尖学者男女构成图 在上图的统计信息中,3D 打印领域全球顶尖学者男性占绝对优势,约为 92.94%,男性学者掌握者这个领域的话语权。 图 20 3D 打印领域全球顶尖学者使用语言比例图 在上图的统计信息中,3D 打印领域全球顶尖学者使用语言以英语和汉语为主,其中英语使用者占 43.11%与美国学者比重相差不大(46.34%) ;汉语使用者占 31.14%,远大于中国的学者比重(13.65%) ,此外,德语、希腊语与印度语也占有一定比重,均为 5%左右。 22 图 21 3D 打印领域全球顶尖学者现居地构成图 在上图的统计信息中,3D 打印领域现居地为美