用于增材制造的晶格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)保留拓?fù)鋬?yōu)化的方法
【專利摘要】用于增材制造的晶格結(jié)構(gòu)（335）的結(jié)構(gòu)保留拓?fù)鋬?yōu)化的方法。方法包括：接收初始晶格模型（200）、要優(yōu)化的初始晶格模型（200）的物理目標(biāo)（176）、要應(yīng)用于初始晶格模型（200）的力（225）及其相應(yīng)位置（230）、以及用于經(jīng)優(yōu)化的晶格模型（205）的最優(yōu)體積比（360）；計(jì)算初始晶格模型（200）的邊界框（520）和軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格（150）；計(jì)算初始晶格模型（200）的初始體積比（340）的隱含標(biāo)量場(chǎng)表示（152）；將力（225）映射到其在軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格（150）中的相應(yīng)位置（230）；在初始晶格模型（200）上執(zhí)行增材拓?fù)鋬?yōu)化（300）以創(chuàng)建經(jīng)優(yōu)化的晶格模型（205）直到初始體積比（340）滿足最優(yōu)體積比（360）；以及存儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)化的晶格模型（205）。
【專利說(shuō)明】用于増材制造的晶格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)保留拓?fù)鋬?yōu)化的方法
[0001] 對(duì)其它申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)要求2014年1月9日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61 /925，362的提交日的利益，該美 國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)通過(guò)引用在此并入。
[0002] 本申請(qǐng)要求2014年3月5日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/948，157的提交日的利益， 該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)通過(guò)引用在此并入。
[0003] 該申請(qǐng)與共同轉(zhuǎn)讓、同時(shí)提交的美國(guó)專利申請(qǐng)"Method for Creating Three Dimensional Lattice Structure in Computer-Aided Design Models for Additive Manufacturing"（律師案卷號(hào)2014P00366US01)共享某種主題，該美國(guó)專利申請(qǐng)通過(guò)引用在 此并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本公開(kāi)大體針對(duì)增材制造，并且更具體地針對(duì)用于使用晶格模型執(zhí)行增材制造的 系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0005] 增材制造使得能夠制造具有復(fù)雜內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其是以替換固體體積的重 復(fù)形狀的其它圖案或網(wǎng)格狀圖案的形狀的重復(fù)布置。晶格化部分被限定為其中體積的部分 已經(jīng)替換為包括單元形狀的圖案的適當(dāng)晶格的部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 各種所公開(kāi)的實(shí)施例包括用于增材制造的晶格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)保留拓?fù)鋬?yōu)化的方法。 方法包括接收初始晶格模型、要優(yōu)化的初始晶格模型的物理目標(biāo)、要應(yīng)用到初始晶格模型 的力及其相應(yīng)位置、以及用于經(jīng)優(yōu)化的晶格模型的最優(yōu)體積比，計(jì)算軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格 和初始晶格模型的邊界框，計(jì)算初始晶格模型的初始體積比的隱含標(biāo)量場(chǎng)表示，將負(fù)載映 射到其在軸向?qū)?zhǔn)的體素網(wǎng)格中的相應(yīng)位置，在初始晶格模型上執(zhí)行增材拓?fù)鋬?yōu)化以創(chuàng)建 經(jīng)優(yōu)化的晶格模型直到初始體積比滿足最優(yōu)體積比，并且存儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)化的晶格模型。
[0007] 前述內(nèi)容已經(jīng)相當(dāng)寬泛地概述了本公開(kāi)的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以更好地理解隨后的詳細(xì)描述。本公開(kāi)的附加特征和優(yōu)點(diǎn)將在形成權(quán)利要求的主題的隨 后部分描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到，它們可以容易地使用所公開(kāi)的概念和具體實(shí)施例 作為用于修改或設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)本公開(kāi)的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將 認(rèn)識(shí)到，這樣的等同構(gòu)造不偏離以其最寬形式的本公開(kāi)的精神和范圍。
[0008] 在采取下面的【具體實(shí)施方式】之前，可以有利的是闡述遍及該專利文獻(xiàn)所使用的某 些詞語(yǔ)或短語(yǔ)的定義：術(shù)語(yǔ)"包括"和"包含"以及其衍生詞意指包括但不限于；術(shù)語(yǔ)"或"是 包括性的，意指和/或;短語(yǔ)"與......相關(guān)聯(lián)"和"與其相關(guān)聯(lián)"以及其衍生短語(yǔ)可以意指包 括、包括在內(nèi)、與其互連、包含、包含在內(nèi)、連接到或與其連接、耦合到或與其耦合、與其可通 信、與其協(xié)作、交錯(cuò)、并置、逼近、結(jié)合到或與其結(jié)合、具有、具有性質(zhì)等;并且術(shù)語(yǔ)"控制器" 意指控制至少一個(gè)操作的任何設(shè)備、系統(tǒng)或其部分，而不管這樣的設(shè)備是否實(shí)現(xiàn)在硬件、固 件、軟件或它們中的至少兩個(gè)的某種組合中。應(yīng)當(dāng)指出的是，與任何特定控制器相關(guān)聯(lián)的功 能性可以是集中式或分布式的，而不管在本地還是在遠(yuǎn)處。針對(duì)某些詞語(yǔ)和短語(yǔ)的定義遍 及該專利文獻(xiàn)而提供，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到，這樣的定義在許多（如果不是大 多數(shù)的話)實(shí)例中應(yīng)用于這樣定義的詞語(yǔ)和短語(yǔ)的先前以及未來(lái)的使用。盡管一些術(shù)語(yǔ)可 以包括各種各樣的實(shí)施例，但是隨附權(quán)利要求可以明確地將這些術(shù)語(yǔ)限制于具體實(shí)施例。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 為了更完整地理解本公開(kāi)及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參照結(jié)合附圖考慮的以下描述，其中相 同附圖標(biāo)記指代相同對(duì)象，并且其中： 圖1圖示了其中可以實(shí)現(xiàn)實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的框圖； 圖2A圖示了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的二維(2D)初始晶格模型； 圖2B圖示了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的2D經(jīng)優(yōu)化的晶格模型； 圖3A、3B和3C圖示了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的具有不同邊界條件的增材拓?fù)鋬?yōu)化的三維 (3D)示例； 圖4圖示了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的具有中間晶格模型的拓?fù)鋬?yōu)化方法。 圖5A-f5D圖示了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的晶格的有限元分析； 圖6描繪了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的可以例如由產(chǎn)品生命周期管理(PLM)或產(chǎn)品數(shù)據(jù)管 理(PDM)系統(tǒng)執(zhí)行的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程的流程圖；以及 圖7描繪了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的可以例如由PLM或PDM系統(tǒng)執(zhí)行的增材拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程 的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 在該專利文獻(xiàn)中，以下討論的圖1至7以及用于描述本公開(kāi)的原理的各種實(shí)施例僅 以說(shuō)明的方式并且不應(yīng)當(dāng)以任何方式解釋為限制本公開(kāi)的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解 到，本公開(kāi)的原理可以實(shí)現(xiàn)在任何適當(dāng)布置的設(shè)備中。本申請(qǐng)的眾多創(chuàng)新教導(dǎo)將參照示例 性非限制性實(shí)施例來(lái)描述。
[0011] 增材制造使得能夠以自由形式的有機(jī)形狀制造具有復(fù)雜內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的部件。晶 格限定成意指替代固體內(nèi)部體積的單元形狀的重復(fù)圖案的幾何和拓?fù)浔憩F(xiàn)。這樣的部件難 以或者不可能以其它常規(guī)制造過(guò)程來(lái)制造，常規(guī)制造過(guò)程諸如減除計(jì)算機(jī)數(shù)值控制(CNC) 或格式化模制類型過(guò)程。所描述的是初始限定的晶格結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其目標(biāo)是修改這些初始 晶格的形狀和拓?fù)湟越?jīng)由材料添加和移除來(lái)改進(jìn)關(guān)于某些約束和要求的工程化目的而同 時(shí)保留初始結(jié)構(gòu)。
[0012] 針對(duì)晶格的主要需要通過(guò)創(chuàng)建具有高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度伴隨低質(zhì)量的功能部件的期望而 發(fā)起。附加地，晶格化部件還可以提供增強(qiáng)的能量吸收特性以便對(duì)沖擊或振動(dòng)起阻尼作用。 類似地，對(duì)于使用在高溫操作環(huán)境中的部件，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪，晶格可以通過(guò)占有可用于 熱傳遞的增大有效表面積而提供增強(qiáng)的內(nèi)部冷卻。盡管這些示例關(guān)注于優(yōu)化工程化功能 性，但是晶格化部件還提供通過(guò)原始材料和制造時(shí)間節(jié)?。ㄒ?yàn)橐筝^少的材料)而實(shí)現(xiàn)的 其它優(yōu)點(diǎn)，并且作為結(jié)果，在制造機(jī)器的能量利用方面得到節(jié)省。例如，較輕的移動(dòng)部件要 求較少的驅(qū)動(dòng)物理力和扭力，并且因此在操作期間消耗較少能量，從而導(dǎo)致更加可持續(xù)和 綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)。然而，在大多數(shù)這些應(yīng)用場(chǎng)景中，關(guān)鍵的是組合專業(yè)技能經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)優(yōu)化結(jié) 果以便達(dá)到最優(yōu)晶格結(jié)構(gòu)。所描述的方案使得能夠保留從產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)所遺傳的一些設(shè)計(jì)決定 而同時(shí)根據(jù)工程化約束來(lái)優(yōu)化晶格結(jié)構(gòu)。晶格還可以用于通過(guò)最優(yōu)支持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而優(yōu)化增 材制造過(guò)程本身。
[0013] 拓?fù)鋬?yōu)化存在于若干應(yīng)用領(lǐng)域中，最常見(jiàn)的是用于優(yōu)化最小結(jié)構(gòu)柔度問(wèn)題以產(chǎn)生 輕量物體。用于優(yōu)化最小結(jié)構(gòu)柔度問(wèn)題以產(chǎn)生輕量物體的類別包括：（1)基于密度的技術(shù)， (2)水平集方法和(3)啟發(fā)法。第一類別包括基于密度的技術(shù)，諸如均質(zhì)化方法和利用處罰 技術(shù)的固態(tài)各項(xiàng)同性微結(jié)構(gòu)。針對(duì)這些技術(shù)的主要?jiǎng)訖C(jī)是經(jīng)由增材或減除操作而優(yōu)化材料 分布以滿足用戶提供的工程化約束而同時(shí)最小化柔度問(wèn)題。根據(jù)所計(jì)算的形狀導(dǎo)數(shù)在優(yōu)化 的每一個(gè)步驟處做出材料移除或添加決定。然而，該術(shù)語(yǔ)僅啟用邊界上的添加或移除操作。 為了緩解這一缺點(diǎn)，第二類別關(guān)注于利用可變形水平集來(lái)表示用于柔度問(wèn)題的優(yōu)化的底層 拓?fù)??？勺冃运郊夹g(shù)的使用使得能夠在任何優(yōu)化步驟處初始化由幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)的拓?fù)鋵?dǎo) 數(shù)指定的新孔洞。除這些種類之外，提出啟發(fā)法方案以便緩解具有壓力和彎曲約束的拓?fù)?優(yōu)化問(wèn)題的本性。然而，這些方法的執(zhí)行時(shí)間基于初始化而因情況不同，其阻礙它們?cè)诖蠓?圍問(wèn)題上的應(yīng)用。
[0014] 這些方案針對(duì)移除材料而不是添加它。詳細(xì)的實(shí)施例允許用戶指定初始晶格網(wǎng) 格，其然后可以適當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)和收縮以產(chǎn)生經(jīng)優(yōu)化的晶格結(jié)構(gòu)，而同時(shí)使用改進(jìn)的水平集過(guò) 程來(lái)保留初始結(jié)構(gòu)。
[0015] 所公開(kāi)的用于創(chuàng)建自由形式晶格結(jié)構(gòu)的過(guò)程不僅計(jì)算滿足物理約束的最優(yōu)拓?fù)洌?而且還保留初始用戶提供的晶格結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采取具有內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的自由形式對(duì)象作為輸 入，并且期望的工程化約束(諸如邊界條件和總體積)將輸入轉(zhuǎn)換成水平集制定，并且執(zhí)行 拓?fù)鋬?yōu)化的序列。這種基于水平集的優(yōu)化技術(shù)最小化達(dá)到最優(yōu)晶格所要求的工程化功能， 諸如位移或壓力，而同時(shí)經(jīng)由材料添加和移除來(lái)保留初始結(jié)構(gòu)。
[0016] 通過(guò)使用隱含體積數(shù)據(jù)表示和方法，所呈現(xiàn)的方法簡(jiǎn)化了優(yōu)化期間的表面幾何結(jié) 構(gòu)和拓?fù)涓?。所公開(kāi)的方法提供明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛糜谟邢拊治龅捏w積網(wǎng)必須僅 生成一次，從而僅要求在每一次迭代中更新材料性質(zhì)。因此，所公開(kāi)的過(guò)程避免用于有限元 分析的復(fù)雜且耗時(shí)的體積網(wǎng)生成步驟。
[0017] 圖1圖示了其中實(shí)施例可以例如實(shí)現(xiàn)為特別地由軟件或以其它方式配置成執(zhí)行如 本文中描述的過(guò)程的roM系統(tǒng)，并且特別地如本文中描述的多個(gè)互連且通信的系統(tǒng)中的每 一個(gè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的框圖。所描繪的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括連接到等級(jí)二緩沖器/橋104的處 理器102,等級(jí)二緩沖器/橋104繼而連接到本地系統(tǒng)總線106。本地系統(tǒng)總線106可以例如是 外圍組件互連(PCI)架構(gòu)總線。在所描繪的示例中，還連接到本地系統(tǒng)總線的有主要存儲(chǔ)器 108和圖形適配器110。圖形適配器110可以連接到顯示器111。
[0018] 其它外圍設(shè)備，諸如局域網(wǎng)（LAN)/廣域網(wǎng)/無(wú)線（例如WiFi)適配器112,也可以連 接到本地系統(tǒng)總線106。擴(kuò)展總線接口 114將本地系統(tǒng)總線106連接到輸入/輸出（I/O)總線 116。1/0總線116連接到鍵盤八鼠標(biāo)適配器118、盤控制器120和I/O適配器122。盤控制器120 可以連接到存儲(chǔ)裝置126,其可以是任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)器可用或機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，包括但不限 于非易失性、硬編碼類型的介質(zhì)，諸如只讀存儲(chǔ)器(ROM)或可擦除、電氣可編程只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)、磁帶存儲(chǔ)裝置，以及用戶可錄制類型的介質(zhì)，諸如軟盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器和致密盤只 讀存儲(chǔ)器(⑶-ROM)或數(shù)字多用盤(DVD)，以及其它已知的光學(xué)、電氣或磁存儲(chǔ)設(shè)備。存儲(chǔ)裝 置126存儲(chǔ)體素網(wǎng)格150、隱含標(biāo)量場(chǎng)表示152、材料性質(zhì)值154、材料性質(zhì)156、有限元分析 (FEA)158、FEA結(jié)果160、邊界框162、位移164、壓力值166、水平集方法168、形狀導(dǎo)數(shù)170、拓 撲導(dǎo)數(shù)172、速度梯度174、物理目標(biāo)176等，其在下文描述。
[0019] 在所示示例中，還連接到I/O總線116的有音頻適配器124,揚(yáng)聲器(未示出）可以連 接到音頻適配器124以用于播放聲音。鍵盤八鼠標(biāo)適配器118提供用于定點(diǎn)設(shè)備（未示出）的 連接，該定點(diǎn)設(shè)備諸如鼠標(biāo)、追蹤球、追蹤指示器、觸摸屏等。
[0020] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到，在圖1中描繪的硬件可以針對(duì)特定實(shí)現(xiàn)而變化。例 如，也可以附加或替代于所描繪的硬件而使用其它外圍設(shè)備，諸如光盤驅(qū)動(dòng)器等。所描繪的 示例僅提供用于解釋的目的并且不意圖暗示關(guān)于本公開(kāi)的架構(gòu)限制。
[0021] 依照本公開(kāi)的實(shí)施例，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括采用圖形用戶接口的操作系統(tǒng)。操作系 統(tǒng)準(zhǔn)許多個(gè)顯示窗口同時(shí)呈現(xiàn)在圖形用戶接口中，其中每一個(gè)顯示窗口向不同應(yīng)用或向相 同應(yīng)用的不同實(shí)例提供接口。圖形用戶接口中的光標(biāo)可以由用戶通過(guò)定點(diǎn)設(shè)備操控。光標(biāo) 的位置可以改變和/或生成事件，諸如點(diǎn)擊鼠標(biāo)按鈕，以致動(dòng)期望的響應(yīng)。
[0022] 可以采用各種商用操作系統(tǒng)(諸如位于Redmond, Wash.的Microsoft公司的產(chǎn)品 Microsoft Windows?的版本)之一，如果適當(dāng)修改的話。依照如所描述的本公開(kāi)來(lái)修改或創(chuàng) 建操作系統(tǒng)。
[0023] LAN/WAN/無(wú)線適配器112可以連接到網(wǎng)絡(luò)130(不是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100的部分），其 可以是任何公共或私用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)的組合，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的，包 括互聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)130與服務(wù)器系統(tǒng)140通信，服務(wù)器系統(tǒng)140也不 是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100的部分，但是可以實(shí)現(xiàn)為例如分離的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100。
[0024]圖2A圖示了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的二維（2D)初始晶格模型200。圖2B圖示了根據(jù) 所公開(kāi)的實(shí)施例的2D經(jīng)優(yōu)化的晶格模型205，其對(duì)應(yīng)于初始晶格模型200。在該實(shí)施例中，初 始晶格模型200被圖示為具有X和y方向上的不同間距的矩形網(wǎng)格。固體區(qū)210以黑色表示并 且空余區(qū)215以白色表示。并入針對(duì)產(chǎn)品的典型使用的邊界條件以用于最大化物體的物理 目標(biāo)176。物理目標(biāo)176可以由用戶選擇或者基于物體的使用而確定。例如，支架需要最小化 的位移164和壓力值166。物理目標(biāo)176的其它示例包括最小化扭力、應(yīng)力、振動(dòng)等。
[0025]在所圖示的實(shí)施例中，邊界條件包括初始晶格模型200的左下角處的支持接觸點(diǎn) 220以及具有應(yīng)用在其相應(yīng)位置230(初始晶格模型200的右下角）處的幅度10N的力225。針 對(duì)應(yīng)用于初始晶格模型200的邊界條件而測(cè)試物理目標(biāo)176以創(chuàng)建中間晶格模型，其中附加 晶格材料235以最優(yōu)地影響物理目標(biāo)176的方式應(yīng)用。中間晶格模型然后重置到具有所應(yīng)用 的附加晶格材料235的原始矩形網(wǎng)格中，并且針對(duì)應(yīng)用于中間晶格模型的邊界條件而測(cè)試 物理目標(biāo)176。針對(duì)邊界條件重新測(cè)試中間晶格模型的每一次迭代直到物理目標(biāo)176滿足為 經(jīng)優(yōu)化的晶格模型205。
[0026]在圖2B中圖示拓?fù)鋬?yōu)化方法的經(jīng)優(yōu)化的晶格模型205。該方案的明顯差異是優(yōu)化 物理目標(biāo)功能，在該示例中對(duì)應(yīng)于最小化位移164,而同時(shí)忠實(shí)于初始晶格模型200。采用基 于規(guī)則水平集的拓?fù)鋬?yōu)化方案，而不使用所公開(kāi)的技術(shù)，將擦除所有用戶提供的晶格信息 并且從劃痕發(fā)起晶格，這僅優(yōu)化位移164,而未必忠實(shí)于初始晶格模型200。
[0027] 圖3A、3B和3C圖示了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的具有不同邊界條件315的增材拓?fù)鋬?yōu) 化的三維(3D)示例。圖3A圖示了具有應(yīng)用在頂表面的中心(相應(yīng)位置325)處的力320的增材 拓?fù)鋬?yōu)化300。初始晶格模型330提供有晶格結(jié)構(gòu)335和邊界條件315。所提供的邊界條件315 對(duì)于此示例是初始晶格模型330的固定底表面和應(yīng)用在初始晶格模型330的頂表面的中心 處的力320。初始晶格模型330以0.2的初始體積比340和6.16的初始目標(biāo)值而結(jié)構(gòu)化。在20 次迭代之后，增材拓?fù)鋬?yōu)化300創(chuàng)建具有0.6的最優(yōu)體積比360和2.08的最優(yōu)目標(biāo)值365的最 優(yōu)晶格模型355的最優(yōu)結(jié)構(gòu)350。相比于使用基于常規(guī)水平集的拓?fù)鋬?yōu)化方案所獲得的最優(yōu) 結(jié)果而言，因?yàn)楸Ａ翎槍?duì)初始晶格模型330的晶格結(jié)構(gòu)335,該結(jié)果是不同的。改變所應(yīng)用的 力320的位置增大了所呈現(xiàn)的方法中的最優(yōu)結(jié)構(gòu)350中的改變的效果。
[0028] 圖3B圖示了具有應(yīng)用在頂表面的右上角（相應(yīng)位置325)處的力320的增材拓?fù)鋬?yōu) 化305。所提供的邊界條件315對(duì)于此示例是初始晶格模型330的固定底表面和應(yīng)用在初始 晶格模型330的頂表面的右上側(cè)處的力320。初始晶格模型330以0.37的初始體積比340和 4.16的初始目標(biāo)值345而結(jié)構(gòu)化。在20次迭代之后，增材拓?fù)鋬?yōu)化305創(chuàng)建具有0.8的最優(yōu)體 積比360和2.11的最優(yōu)目標(biāo)值365的最優(yōu)晶格模型的最優(yōu)結(jié)構(gòu)350。將所應(yīng)用的力320移動(dòng)成 更靠近初始晶格模型330的右上角，使得附加晶格材料的應(yīng)用關(guān)注于更靠近該角落的區(qū)。 [0029]圖3C圖示了以交替的初始晶格模型330和應(yīng)用在頂表面的中心（相應(yīng)位置325)處 的力320而結(jié)構(gòu)化的增材拓?fù)鋬?yōu)化310。所提供的邊界條件315對(duì)于此示例是初始晶格模型 330的固定底表面和應(yīng)用在初始晶格模型330的頂表面的中心處的力320。初始晶格模型330 以0.32的初始體積比340和6.31的初始目標(biāo)值345而結(jié)構(gòu)化。在20次迭代之后，增材拓?fù)鋬?yōu) 化310產(chǎn)生具有0.8的最優(yōu)體積比360和2.11的最優(yōu)目標(biāo)值365的最優(yōu)晶格模型355的最優(yōu)結(jié) 構(gòu)350。增材拓?fù)鋬?yōu)化310使支持結(jié)構(gòu)更厚以便補(bǔ)償用于最小化位移164的所應(yīng)用的力的效 果。
[0030] 圖4圖示了根據(jù)所公開(kāi)的實(shí)施例的具有中間晶格模型405的拓?fù)鋬?yōu)化方法400。初 始有限元分析(FEA)結(jié)果160提供在初始晶格模型410中針對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化方法400在哪里獲取 最大位移164。拓?fù)鋬?yōu)化方法400標(biāo)識(shí)晶格結(jié)構(gòu)中添加材料的必要位置以便減少針對(duì)每一個(gè) 中間晶格模型405和經(jīng)優(yōu)化的晶格模型415的位移164的量。例如，靠近中心射束的一些空余 區(qū)被轉(zhuǎn)換成每一個(gè)中間晶格模型405和經(jīng)優(yōu)化的晶格模型415中的固體區(qū)。
[0031] 圖5A-5D圖示了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的晶格的有限元分析158。圖5A圖示了依照所 公開(kāi)的實(shí)施例的邊界框520內(nèi)的初始晶格500。所圖示的初始晶格500被結(jié)構(gòu)化為射束晶格 525。圖5B圖示了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的基于有限元分析結(jié)果160對(duì)初始晶格500進(jìn)行優(yōu)化 的有限元方法(FEM)模型505。初始晶格500在左側(cè)上固定并且在初始晶格500的頂部的右側(cè) 上應(yīng)用力530。力530使初始晶格500的右側(cè)發(fā)生位移，從而使初始晶格500彎曲。在由有限元 分析158確定的邊界框520中的位置處向初始晶格500應(yīng)用附加材料535以減少或最小化位 移164的量，而同時(shí)維持最優(yōu)體積比。圖5C圖示了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的利用所模擬的晶格 540的有限元分析158的初始晶格模擬510。在所圖示的實(shí)施例中，有限元分析結(jié)果545指示 針對(duì)每一個(gè)體素 555的所模擬晶格540上的位移550并且用于將附加材料應(yīng)用到初始晶格 500。圖5D圖示了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的利用所模擬的最優(yōu)晶格560的有限元分析158的最 優(yōu)晶格模擬515。所模擬的最優(yōu)晶格560具有在用于體素 555的位移550的最優(yōu)減少的位置中 針對(duì)最優(yōu)體積比所應(yīng)用的附加材料535的量。有限元分析結(jié)果545指示針對(duì)所模擬的最優(yōu)晶 格560的體素555的位移550。
[0032]圖6描繪了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的可以例如由PLM或PDM系統(tǒng)執(zhí)行的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程 600的流程圖。
[0033]在步驟605中，系統(tǒng)接收初始晶格模型、初始晶格模型的物理目標(biāo)176、要應(yīng)用到初 始晶格模型的負(fù)載及其相應(yīng)位置、以及用于經(jīng)優(yōu)化的晶格模型的體積要求。在某些實(shí)施例 中，用戶通過(guò)使某些區(qū)成為中空的并且利用期望的晶格結(jié)構(gòu)填充它來(lái)創(chuàng)建初始晶格模型。 用戶還指定要優(yōu)化的物理目標(biāo)176,諸如最小結(jié)構(gòu)柔度、具有要在模型上應(yīng)用的其相應(yīng)位置 的任何負(fù)載、以及用于經(jīng)優(yōu)化的晶格模型的體積要求。
[0034] 在步驟610中，系統(tǒng)計(jì)算初始晶格模型的邊界框162和軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格150。體 素網(wǎng)格150將邊界框162的區(qū)域劃分成多個(gè)體素。每一個(gè)體素表示體素網(wǎng)格150中的值。邊界 框162是初始晶格模型可以容納在其內(nèi)的最小體積并且表示適用于拓?fù)鋬?yōu)化的體積的限 度。軸線對(duì)準(zhǔn)的邊界框162遵照(subject)邊界框的邊緣平行于體素網(wǎng)格150的坐標(biāo)軸線。
[0035] 在步驟615中，系統(tǒng)計(jì)算初始晶格模型的體積的隱含標(biāo)量場(chǎng)表示152。隱含標(biāo)量場(chǎng) 表示152是使用標(biāo)量場(chǎng)對(duì)初始晶格模型的隱含表示。標(biāo)量場(chǎng)可以基于從每一個(gè)點(diǎn)到初始晶 格模型的最接近表面的距離而創(chuàng)建。邊界框內(nèi)的體積的隱含標(biāo)量場(chǎng)表示152可以使用距離 場(chǎng)計(jì)算。
[0036]在步驟620中，系統(tǒng)將負(fù)載映射到其在軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格150中的相應(yīng)位置。還 將約束表面位置映射到體素網(wǎng)格150中的對(duì)應(yīng)位置。
[0037]在步驟625中，系統(tǒng)在初始晶格模型上執(zhí)行增材拓?fù)鋬?yōu)化以創(chuàng)建經(jīng)優(yōu)化的晶格模 型，直到體積滿足體積要求或者用戶決定停止優(yōu)化過(guò)程為止。增材拓?fù)鋬?yōu)化定位要在哪里 將材料添加到初始晶格結(jié)構(gòu)或中間晶格結(jié)構(gòu)以便最大化物理目標(biāo)176。在下文利用圖7詳細(xì) 地描述增材拓?fù)鋬?yōu)化。
[0038]在步驟630中，系統(tǒng)存儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)化的晶格模型。從隱含體積表示，使用iso表面處理技 術(shù)(諸如移動(dòng)立方體)將經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)提取為多邊形網(wǎng)，并且對(duì)經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后處理以 改進(jìn)晶格結(jié)構(gòu)(諸如通過(guò)使用Delaunay方法）。經(jīng)優(yōu)化的晶格模型然后被存儲(chǔ)以用于在物體 的制造中的將來(lái)使用。
[0039] 圖7描繪了依照所公開(kāi)的實(shí)施例的可以例如由PLM或PDM系統(tǒng)執(zhí)行的增材拓?fù)鋬?yōu)化 過(guò)程700的流程圖。
[0040] 在步驟705中，系統(tǒng)將材料性質(zhì)156分配給每一個(gè)體素。初始晶格模型內(nèi)部的體素 被標(biāo)識(shí)并且分配有適當(dāng)?shù)牟牧闲再|(zhì)156,這取決于要利用其制造物體的所選材料。晶格結(jié)構(gòu) 外部的體素被分配有零的材料性質(zhì)值154(或者出于數(shù)值穩(wěn)定性而是非常小的數(shù)字）以便指 示空余區(qū)。
[0041] 在步驟710中，系統(tǒng)確定位移164和壓力值166。執(zhí)行有限元分析158以確定位移164 和壓力值166。有限元分析158根據(jù)所應(yīng)用的負(fù)載和邊界條件計(jì)算邊界框162內(nèi)的每一個(gè)體 素處的位移164和壓力值166。位移164度量由于邊界條件和所應(yīng)用的力而引起的晶格結(jié)構(gòu) 中的點(diǎn)所位移的距離。壓力值度量由于邊界條件和所應(yīng)用的力而引起的晶格結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)處 的壓力量。
[0042] 在步驟715處，系統(tǒng)計(jì)算形狀導(dǎo)數(shù)170和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)172。形狀導(dǎo)數(shù)170和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)172 度量關(guān)于形狀或拓?fù)渲械母淖兊木Ц窠Y(jié)構(gòu)的改變。形狀導(dǎo)數(shù)170和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)172使用位移 164和壓力值166而從FEA結(jié)果160來(lái)計(jì)算。對(duì)應(yīng)于晶格結(jié)構(gòu)的體素被分配有零的形狀導(dǎo)數(shù) 170〇
[0043] 在操作720中，系統(tǒng)更新經(jīng)優(yōu)化的晶格模型?？梢允褂盟郊椒?68來(lái)確定其中 應(yīng)用增材材料的初始晶格結(jié)構(gòu)的體積。通過(guò)使用形狀導(dǎo)數(shù)170和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)172作為水平集方 法168的速度梯度174而使用水平集方法168來(lái)更新晶格區(qū)。在指定間隔處執(zhí)行再歸一化以 用于改進(jìn)的精度。速度梯度174是針對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的表面改變的水平集方法168中的測(cè)量結(jié) 果。
[0044] 在步驟725中，系統(tǒng)確定體積要求是否滿足或者用戶是否決定停止優(yōu)化過(guò)程。如果 體積要求不滿足，則系統(tǒng)返回到步驟705。如果體積要求滿足，則系統(tǒng)進(jìn)行到步驟730并且存 儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)化的晶格模型以用于物體的提取和制造。
[0045] 當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，除非由操作順序具體地指示或要求，否則以上描 述的過(guò)程中的某些步驟可以省略，同時(shí)或順序執(zhí)行，或者以不同次序執(zhí)行。
[0046] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，出于簡(jiǎn)單和清楚起見(jiàn)，在本文中沒(méi)有描繪或描述適合 供本公開(kāi)使用的所有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的完整操作和結(jié)構(gòu)。相反，僅描繪和描述了對(duì)于本公開(kāi) 而言唯一的或者對(duì)于理解本公開(kāi)而言必要的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的那些部分。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)100 的構(gòu)造和操作的其余部分可以符合本領(lǐng)域中已知的各種當(dāng)前實(shí)現(xiàn)和實(shí)踐中的任何一個(gè)。
[0047] 重要的是要指出，盡管本公開(kāi)包括在完全功能系統(tǒng)的上下文中的描述，但是本領(lǐng) 域技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到，本公開(kāi)的機(jī)構(gòu)的至少部分能夠以包含于各種形式中的任何一種中的 機(jī)器可用、計(jì)算機(jī)可用或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)內(nèi)的指令的形式而分布，并且本公開(kāi)等同地適用， 而不管用于實(shí)際實(shí)施分布的特定類型的指令或信號(hào)承載介質(zhì)或存儲(chǔ)介質(zhì)如何。機(jī)器可用/ 可讀或計(jì)算機(jī)可用/可讀介質(zhì)的示例包括：非易失性、硬編碼類型介質(zhì)（諸如只讀存儲(chǔ)器 (ROM)或可擦除、電氣可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPR0M))，以及用戶可記錄類型介質(zhì)（諸如軟盤、 硬盤驅(qū)動(dòng)器和致密盤只讀存儲(chǔ)器(⑶-ROM)或數(shù)字多用盤(DVD))。
[0048] 盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本公開(kāi)的示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到，可 以做出本文公開(kāi)的各種改變、替換、變化和改進(jìn)而不脫離以其最寬形式的本公開(kāi)的精神和 范圍。
[0049] 本申請(qǐng)中的描述均不應(yīng)當(dāng)解讀為暗示著任何特定元件、步驟或功能是必須包括在 權(quán)利要求范圍中的必要元件：申請(qǐng)專利保護(hù)的主題的范圍僅由所允許的權(quán)利要求限定。此 外，這些權(quán)利要求均不意圖違反35 use 除非分詞后面是確切的詞語(yǔ)"用 于......的構(gòu)件"。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于增材制造的晶格結(jié)構(gòu)（3 3 5 )的結(jié)構(gòu)保留拓?fù)鋬?yōu)化的方法，所述方法由數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)（100)執(zhí)行并且包括： 接收初始晶格模型(200)、要優(yōu)化的初始晶格模型(200)的物理目標(biāo)（176)、要應(yīng)用于初 始晶格模型(200)的力（225)及其相應(yīng)位置(230)、以及用于經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205)的最優(yōu) 體積比（360); 計(jì)算初始晶格模型(200)的邊界框(520)和軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格（150); 計(jì)算初始晶格模型(200 )的初始體積比(340 )的隱含標(biāo)量場(chǎng)表示（152 ); 將力(225)映射到其在軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格(150)中的相應(yīng)位置(230); 在初始晶格模型（200)上執(zhí)行增材拓?fù)鋬?yōu)化(300)以創(chuàng)建經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205)直到 初始體積比（340)滿足最優(yōu)體積比（360)，其中增材拓?fù)鋬?yōu)化(300)包括： 將材料性質(zhì)（156 )分配給軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格(150 )中的每一個(gè)體素(555 ); 確定用于每一個(gè)體素(555)的位移(550)和壓力值（166); 基于用于每一個(gè)體素（555)的位移（550)和壓力值（166)來(lái)計(jì)算形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)?導(dǎo)數(shù)(172);以及 使用形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)更新經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205);以及 存儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205 )。2. 權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)應(yīng)于晶格結(jié)構(gòu)（335)的體素（555)被分配有零的形狀導(dǎo)數(shù) (170)〇3. 權(quán)利要求1的方法，其中分配材料性質(zhì)（156)包括為晶格結(jié)構(gòu)(335)外部的體素(555) 分配零的材料性質(zhì)值(154)。4. 權(quán)利要求1的方法，其中確定用于每一個(gè)體素(555)的位移(550)和壓力值（166)包括 執(zhí)行有限元分析(158)。5. 權(quán)利要求4的方法，其中形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)利用有限元分析（158)的結(jié) 果(545)計(jì)算。6. 權(quán)利要求1的方法，其中更新經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205 )包括使用水平集方法（168 )。7. 權(quán)利要求6的方法，其中形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)被用作針對(duì)水平集方法 (168)的速度梯度（174)。8. -種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100)，包括： 處理器（102);以及 可訪問(wèn)存儲(chǔ)器（108)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100)特別地配置成： 接收初始晶格模型(200)、要優(yōu)化的初始晶格模型(200)的物理目標(biāo)（176)、要應(yīng)用于初 始晶格模型(200)的力（225)及其相應(yīng)位置(230)、以及用于經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205)的最優(yōu) 體積比（360); 計(jì)算初始晶格模型(200)的邊界框(520)和軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格（150); 計(jì)算初始晶格模型(200 )的初始體積比(340 )的隱含標(biāo)量場(chǎng)表示（152 ); 將力(225)映射到其在軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格(150)中的相應(yīng)位置(230); 在初始晶格模型（200)上執(zhí)行增材拓?fù)鋬?yōu)化(300)以創(chuàng)建經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205)直到 初始體積比（340)滿足最優(yōu)體積比（360)，其中增材拓?fù)鋬?yōu)化(300)包括： 將材料性質(zhì)（156 )分配給軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格(150 )中的每一個(gè)體素(555 ); 確定用于每一個(gè)體素(555)的位移(550)和壓力值（166); 基于用于每一個(gè)體素（555)的位移（550)和壓力值（166)來(lái)計(jì)算形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)?導(dǎo)數(shù)(172);以及 使用形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)更新經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205);以及 存儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205 )。9. 權(quán)利要求8的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100)，其中對(duì)應(yīng)于晶格結(jié)構(gòu)（335)的體素（555)被分配有 零的形狀導(dǎo)數(shù)(170)。10. 權(quán)利要求8的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100 )，其中分配材料性質(zhì)（156 )包括為晶格結(jié)構(gòu)（33 5 ) 外部的體素(555 )分配零的材料性質(zhì)值(154 )。11. 權(quán)利要求8的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100)，其中確定用于每一個(gè)體素（555)的位移（550)和 壓力值(166)包括執(zhí)行有限元分析(158)。12. 權(quán)利要求11的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100)，其中形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)利用有限 元分析(158)的結(jié)果(545)計(jì)算。13. 權(quán)利要求8的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100)，其中更新經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205)包括使用水平 集方法（168)。14. 權(quán)利要求13的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100)，其中形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)被用作針 對(duì)水平集方法（168)的速度梯度（174)。15. -種編碼有可執(zhí)行指令的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述可執(zhí)行指令在執(zhí)行時(shí)使 一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（100): 接收初始晶格模型(200)、要優(yōu)化的初始晶格模型(200)的物理目標(biāo)（176)、要應(yīng)用于初 始晶格模型(200)的力（225)及其相應(yīng)位置(230)、以及用于經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205)的最優(yōu) 體積比（360); 計(jì)算初始晶格模型(200)的邊界框(520)和軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格（150); 計(jì)算初始晶格模型(200 )的初始體積比(340 )的隱含標(biāo)量場(chǎng)表示（152 ); 將力(225)映射到其在軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格(150)中的相應(yīng)位置(230); 在初始晶格模型（200)上執(zhí)行增材拓?fù)鋬?yōu)化(300)以創(chuàng)建經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205)直到 初始體積比（340)滿足最優(yōu)體積比（360)，其中增材拓?fù)鋬?yōu)化(300)包括： 將材料性質(zhì)（156 )分配給軸線對(duì)準(zhǔn)的體素網(wǎng)格(150 )中的每一個(gè)體素(555 ); 確定用于每一個(gè)體素(555)的位移(550)和壓力值（166); 基于用于每一個(gè)體素（555)的位移（550)和壓力值（166)來(lái)計(jì)算形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)?導(dǎo)數(shù)(172);以及 使用形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)更新經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205);以及 存儲(chǔ)經(jīng)優(yōu)化的晶格模型(205 )。16. 權(quán)利要求15的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中分配材料性質(zhì)（156)包括為晶格結(jié)構(gòu)（335 )外 部的體素(555)分配零的材料性質(zhì)值(154)。17. 權(quán)利要求15的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中確定用于每一個(gè)體素（555)的位移（550)和壓 力值(166)包括執(zhí)行有限元分析(158)。18. 權(quán)利要求17的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)利用有限元 分析(158)的結(jié)果(545)計(jì)算。19. 權(quán)利要求15的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中更新經(jīng)優(yōu)化的晶格模型（205)包括使用水平集 方法（168)。20. 權(quán)利要求19的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中形狀導(dǎo)數(shù)（170)和拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)（172)被用作針對(duì) 水平集方法（168)的速度梯度（174)。
【文檔編號(hào)】G06T15/08GK105874510SQ201580004025
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月8日
【發(fā)明人】S.R.穆蘇瓦蒂, E.阿里索伊
【申請(qǐng)人】西門子產(chǎn)品生命周期管理軟件公司