制造的方法
[0001] 对其他
申请的交叉引用本申请要求在2014年1月9日提交的美国临时
专利申请61/925,362的申请日的权益，该美国临时专利申请61/925,362由此通过引用被并入。
[0002] 本申请要求在2014年3月5日提交的美国临时专利申请61/948,157的申请日的益处，该美国临时专利申请61/948,157由此通过引用被并入。
[0003] 本申请与“method for structure preserving topology optimization of lattice structures for additive manufacturing”的共同转让的、同时提交的美国专利申请_______（
代理人案件2014P05420US01）共享某一主题，该美国专利申请由此通过引用被并入。
技术领域
[0004] 本公开一般地涉及
增材制造，并且更特别地涉及用于使用网格（lattice）模型执行增材制造的系统和方法。
背景技术
[0005] 增材制造实现带有复杂的内部网格结构的产品的制作，所述复杂的内部网格结构是以格栅状样式或者代替实体体积的重复形状的其他样式的形状的重复布置。网格化（lattified）部分被限定为其中体积的部分已用由一种样式的单元形状组成的适当的网格代替的部分。
发明内容
[0006] 各种公开的
实施例包含用于在计算机辅助设计模型中创建三维网格结构的方法。方法包含：接收含有针对空洞区的多个边界表面的实
体模型；运算实体模型的有界框和在有界框之内的轴对齐格栅上的多个格栅点；在空洞区之内创建针对网格结构的网格单元布局；运算由针对在轴对齐格栅上的格栅点中的每个的标量值限定的隐式模型；基于隐式模型提取在实体模型中的网格结构。
[0007] 前述已相当宽地概括了本公开的特征和技术优点以便本领域中的技术人员可以更好理解下面的详细描述。形成
权利要求的主题的本公开的附加特征和优点将在下文中描述。本领域中的技术人员将领会到他们可以容易地把公开的特定实施例和概念用作用于
修改或设计其他结构以实现本公开的相同目的的
基础。本领域中的技术人员还将认识到这样等同的构造不脱离本公开以其最宽形式的精神和范围。
[0008] 在开始进行以下具体实施方式之前，阐述贯穿本专利文档使用的某些词或短语的限定可能是有益的：术语“包含”和“包括”以及其衍
生物意在包含而不限制；术语“或”是包含的，意在和/或；短语“与…相关联”和“与之相关联”以及其衍生物可以意在包含、被包含在…之内、与…互连、含有、被含有在…之内、连接到…或与…连接、耦合到…或与…耦合、可与…通信、与…合作、交织、并列、与…接近、束缚于…或与…束缚在一起、具有、具有…的性质等；并且术语“
控制器”意在控制至少一个操作的任何装置、系统或其部分，无论这样的装置以
硬件、
固件、
软件或其中至少两个的某一组合来实施。应该注意到与任何特别的控制器相关联的功能性可以被集中或分布，无论是本地还是远程。贯穿本专利文档提供对于某些词和短语的限定，并且本领域中的普通技术人员将理解这样的限定在许多（如果不是最多）场合中应用到这样限定的词和短语的现有的以及将来的用途。虽然一些术语可以包含各种各样的实施例，但是所附权利要求可以清楚地把这些术语限制到特定的实施例。
附图说明
[0009] 为了更完整地理解本公开以及其优点，现参考结合附图进行的下面的描述，在所述附图中相似的数字
指定相似的对象，并且其中：图1图解其中能够实施实施例的
数据处理系统的
框图；
图2-4B图解根据公开的实施例的网格化部分的示例；
图5图解根据公开的实施例的棒网格；
图6A和6B图解根据公开的实施例的用户限定的网格模板；
图7A和7B图解根据公开的实施例的带有以网格单元应用的网格模板的网格结构；
图8A和8B图解根据公开的实施例的共形网格；
图9A-9E图解根据公开的实施例的通过扩展实体模型概念创建的网格；
图10图解根据公开的实施例的在计算机辅助系统（CAD/CAM/CAE）之内的网格结构的创建；
图11、12A和12B图解高
分辨率网格根据公开的实施例能够被任意应用到形状；
图13A图解根据公开的实施例应用的已用统一厚度并且用网格挖空的有机形状的统一挖空（hollowing）；
图13B图解根据公开的实施例的用可变厚度挖空的相同有机形状的非统一挖空；以及图14A描绘根据公开的实施例的用于在计算机辅助设计模型中创建三维网格结构以进行增材制造的过程的
流程图，该过程例如可以由PLM或PDM系统执行。
具体实施方式
[0010] 用于在本专利文档中描述本公开的原理的各种实施例以及以下讨论的图1到14仅仅作为图解并且不应该以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域中的技术人员将理解本公开的原理可以被实施在任何适合地布置的装置中。将参考示例性非限制实施例描述本申请的许多创新的教导。
[0011] 公开的是使用隐式体积标量场表示和过程以用变化的表面厚度和网格创建模型的方法。输入是以边界表示（Brep）CAD或多边形网孔格式的实体模型。实体模型的有界框被运算并且
覆盖有界框的轴对齐格栅被创建以运算该区的隐式体积标量场表示。规定表面的厚度以便创建中空模型。厚度值横跨模型的表面能够是可变的。单元模板被规定应用于
网格模型之内。单元模板形状被设计为
连接线片段的结构化的构架以及相关联厚度，所述相关联厚度把模板的3D体积限定为构架的偏移。创建限定网格单元模板在期望的区之内的布置的网格单元布局，并且这不限于轴对齐格栅。在隐式体积格栅的每个点处，运算到表面的距离。从距离值减去在运算的最近表面点处的表面厚度。还使用模板构架的变换的表示和它的相关联厚度的缩放值来运算到最近网格单元形状的距离。从网格单元距离减去缩放的厚度值。两个距离中的最小值然后被设置为在对应体积点处的标量值。内部网格结构表面从隐式体积表示被提取为多边形网孔（mesh）并且被后处理以改进形状。内部表面然后与实体模型的外表面组合以用网格结构制作期望的模型。
[0012] 通过使用隐式体积数据表示和方法，方法实现用于进行复杂偏移以创建非统一厚度壳以及与网格单元和壳的基于表面相交的显式布尔逻辑（boolean）的简单方案。基于隐式的偏移方法自动地处理当实体模型比规定的挖空厚度薄时的情况。所述方法在网格单元连接点处以及在挖空的壳模型的内表面的界面处创建平滑交接的表面，由此去除对应用后布尔逻辑边缘倒圆（blend）的需要。平滑表面改进制造输出
质量、避免应
力集中并且加强产品功能性和人机工程学。
[0013] 尽管实体模型的外表面通常具有高
精度表示，但是对于内部几何形状可能不需要相同级别的精确性并且因此所述方法能够通过使用低分辨率表示的隐式函数来增加运算速度。
[0014] 商业计算机辅助设计（CAD）系统不具有对于在实体CAD模型中创建网格结构的足够支持，并且网格建模通常使用商业CAD系统的现存功能性，所述现存功能性是费力的、运算苛刻的以及易于出错的。公开的方法能够用商业CAD系统实施而不需要新的隐式表示，并且创建用于网格建模的用户友好的交互应用。
[0015] 图1图解
数据处理系统的框图，在所述数据处理系统中实施例例如能够被实施为特别地由软件配置或者以其他方式配置以执行如在本文中描述的过程的PDM系统，并且特别地被实施为如在本文中描述的多个互连和通信系统中的每一个。描绘的数据处理系统包含连接到二级高速缓冲
存储器/桥104的处理器102，该二级
高速缓冲存储器/桥104进而被连接到本地
系统总线106。本地系统总线106例如可以是外设部件互连（PCI）架构总线。在描绘的示例中也连接到本地系统总线的是主存储器108和图形适配器110。图形适配器110可以被连接到显示器111。
[0016] 其他外设，诸如局域网（LAN）/广域网/无线（例如，WiFi）适配器112也可以被连接到本地系统总线106。扩展总线
接口114把本地系统总线106连接到输入/输出（I/O）总线116。I/O总线116被连接到
键盘/
鼠标适配器118、盘控制器120、和I/O适配器122。磁盘控制器120能够被连接到储存器126，所述储存器126能够是任何适合的机器可用或机器可读储存器媒介，包含但不限于非易失性、硬编码类型媒介诸如
只读存储器（ROM）或可擦除可电编程只读存储器（EEPROM）、磁带储存器、以及用户可记录类型媒介，诸如
软盘、
硬盘驱动、和压缩盘只读存储器（CD-ROM）或数字多用盘（DVD）以及其他已知的光学、电、或磁储存器装置。
储存器126储存：边界表面150、有界框152、轴对齐格栅154、格栅点156、网格单元布局158、表面距离160、最小距离162、网格距离164、网格单元166、相邻网格单元168、挖空的表面
170、标量值172等，上述各项在以下被描述。
[0017] 在示出的示例中也连接到I/O总线116的是音频适配器124，扬声器（未示出）可以被连接到所述音频适配器124用于播放声音。键盘/鼠标适配器118提供用于指示装置（未示出）诸如鼠标、
跟踪球、跟踪指示器、
触摸屏幕等的连接。
[0018] 本领域中的普通技术人员将领会到在图1中描绘的硬件针对特别的实施方式可以变化。例如，除了描绘的硬件之外或者代替描绘的硬件，也可以使用其他外设装置，诸如光盘驱动等。描绘的示例仅仅为了解释的目的提供而不意在暗示关于本公开的架构限制。
[0019] 根据本公开的实施例的数据处理系统包含采用图形用户接口的
操作系统。操作系统准许多个显示窗口同时呈现在图形用户接口中，其中每个显示窗口提供与不同应用或者与相同应用的不同实例的接口。在图形用户接口中的
光标可以由用户通过指示装置来操纵。光标的
位置可以被改变和/或事件诸如点击鼠标按钮被生成以致动期望的响应。
[0020] 各种商业操作系统中的一个，诸如微软WindowsTM版本（位于华盛顿州雷德蒙德的微软公司的产品），如果经适合地修改则可以被采用。根据如描述的本公开修改或创建操作系统。
[0021] LAN/WAN/无线适配器112能够被连接到网络130（不是数据处理器系统100的部分），所述网络130能够是如为本领域中的技术人员所知的任何公共或私有数据处理系统网络或网络的组合，包含互联网。数据处理系统100能够通过网络130与
服务器系统140通信，所述服务器系统140也不是数据处理系统100的部分但是例如能够被实施为单独的数据处理系统100。
[0022] 图2-4B图解根据公开的实施例的网格化部分的示例。网格结构能够替代另外实体部分的区，或者增强复杂部分中的空间的另外空区。
[0023] 图2图解根据公开的实施例的网格化部分200的剖视图。网格结构205替代由实体模型210完全包住的空洞区。空洞区由实体模型210的表面厚度215限定。
[0024] 图3A图解根据公开的实施例的立方体形状的壳300，所述立方体形状的壳300带有切割壳300的顶部区315的开口区305。图3B图解根据公开的实施例的带有开口区305的立方体形状的壳300的剖面图，所述开口区305包含在壳300部分围住的空洞区325之内创建的网格结构310。
[0025] 图4A图解根据公开的实施例的带有通孔405的CAD部分400。图4B图解根据公开的实施例的CAD部分400，其中通孔405中的一个用网格结构410增强。
[0026] 网格化部分不能够用其他传统
制造过程诸如减法的计算机数值控制（CNC）或形成的建模类型过程来制作。由创建带有伴随有低质量的高结构强度的功能部分的期望激发对网格的基本需要。网格化部分还能够提供加强的
能量吸收特性以便减弱震动或振动。对于用于高温操作环境的部分诸如
发动机和
涡轮机，网格能够通过拥有可用于热传递的增加的有效表面面积而提供加强的内部冷却。网格化部分提供其他优点，所述优点通过由于存在要沉积的更少材料而引起的原料和制造时间节省、以及结果在制造机器的能量利用中的节省而实现。更轻的移动部分需要更少的驱动物理力和转矩，因此在操作期间消耗更少的能量，导致更可持续的并且绿色的产品设计。网格还能够用于通过优化的支承结构设计来优化增材制造过程它本身。
[0027] 用于创建网格的公开的实施例分离（decouple）网格表面提取与网格布局设计的观念。网格布局设计是在空间的区之内的网格单元的布置。网格表面提取是在网格材料与空气之间创建边界。体积的网孔表示和过程用于设计网格布局，并且离散
采样的隐式表示用于表示网格表面。
[0028] 图5图解根据公开的实施例的棒网格500。布局生成能够通过使用四面体、六面体或任何其他类型的体积的元素进行体积的网孔化来执行。产生的体积网孔的边缘被看作棒网格500的棒505。CAE分析诸如
有限元分析（FEA）能够使用棒或束一维（1D）元素表示来高效地执行。网格表面510能够被限定为离边缘恒定或变化的厚度的偏移。
[0029] 图6A和6B图解根据公开的实施例的用户限定的网格模板600。网格模板600是被创建用于使对象的性质最大化的网格构架605。在单元立方体610之内创建每个网格模板600，包含边缘615和
顶点620。网格模板600能够由线625和曲线630片段限定。这实现如在棒网格的情况下的1D元素CAE分析。网格模板600还能够用在CAD系统中可用的建模工具中的任一个来限定，从而创建在网格模板600的创建中的灵活性。
[0030] 图7A和7B图解根据公开的实施例的带有以网格单元166应用的网格模板的网格结构700。布局生成用六面体元素来执行，并且网格模板被限定在网格单元166之内。六面体元素中的每个用变换的模板网格构架来替代。网格表面然后是在每个网格单元166之内离模板构架达网格厚度705的偏移。从每个格栅点156到网格构架的最小距离162被测量，并且厚度被减去以计算隐式标量网格值。当格栅点156被
定位在网格单元166的顶点或边缘上时，到相邻网格单元168的网格构架的最小距离162也被测量。
[0031] 图8A和8B图解根据公开的实施例的共形网格。图8A图解其中网格结构与不规则边界表面810相符的共形网格800。图8B图解其中网格结构并入用户限定的网格模板812的共形网格805。
[0032] 图9A-9E图解根据公开实施例的通过扩展实体建模概念而创建的网格。图9A图解带有自由形状曲线925的2D略图900。图9B图解基于2D略图900的几何形状的2D网格设计905。图9C图解基于2D网格设计905的3D网格设计910。图9D图解使用实体建模操作而模压成的3D网格915。图9E图解网格表面的采样的隐式表示920。采样的隐式表示920能够被转换成体元表示并且与该部分的适合的有限元网孔组合用于FEA，从而极大地简化计算针对网格的体积网孔的挑战性问题，并且实现商业解算机的应用。采样的隐式表示920能够代替1D元素用于复杂的网格模板。
[0033] 通过对隐式表示执行切片以及与针对该部分的剩余部分的制造指令组合，能够直接使用采样的隐式表示920创建制造指令。多边形面网孔表示可以从隐式表示提取用于
可视化和制造。网格单元的连接点通过隐式函数混合（blend）过程被平滑地混合，因此避免复杂的计算密集且易于出错的B-rep类型表面嵌缝（filleting）和混合。能够通过隐式布尔逻辑容易地实现用来仅仅保留某一子区的对网格的剪裁，所述隐式布尔逻辑易于运算。能够在隐式表示920上运算质量性质，诸如体积、
重心等以计算该部分的准确的质量性质。不同的网格模板能够被混合在一起以创建创新的网格设计。
[0034] 图10图解根据公开的实施例的在计算机辅助系统1000 （CAD/CAM/CAE）之内的网格结构的创建。计算机辅助系统1000用于限定部分几何形状、生成制造操作以及执行分析诸如有限元分析（FEA）。网格能够在CAD系统1000之内创建并且因此像其他设计几何形状那样管理。网格能够与其他设计特征联系，并且因此如果设计几何形状改变则所述网格能够自动更新。所述方案允许用户在生成之后精制和编辑网格结构，因为它们在它们的CAD/CAM环境中将是任何其他几何形状。这个方案实现分析带有网格的部分的质量性质。它实现在PLM系统之内对带有网格的部分进行更容易的
计算机辅助工程分析，包含但不限于有限元仿真。它实现在相同PLM系统之内创建带有网格的部分的优化的制造指令。
[0035] 图11、12A和12B图解高分辨率网格根据公开的实施例能够被任意应用到形状。图11图解在CAD部分上创建的高分辨率网格1100。图12A和12B图解在带有统一挖空的多边形格栅对象上创建的高分辨率网格1200。
[0036] 图13A图解根据公开的实施例应用的已用统一厚度1315并且用网格1320挖空的有机形状1310的统一挖空1300。图13B图解根据公开的实施例的用可变厚度1325挖空的相同有机形状1310的非统一挖空1305。可变厚度1325规定挖空的表面1330在左侧更厚并且在右侧更薄。因此，有机形状1310的左侧区由于更少的网格1320而更实心，并且在另一区上反之亦然。
[0037] 图14描绘根据公开的实施例的用于在计算机辅助设计模型中创建三维网格结构1400以进行增材制造的过程的流程图，该过程例如可以由PLM或PDM系统来执行。
[0038] 在步骤1405中，系统接收含有针对空洞区的多个边界表面150的实体模型。系统以任意种类的并且含有将被网格化的空洞区Rv的封闭实体模型开始。空洞区能够被规定为将以恒定的或变化的表面厚度从实体模型挖空的体积，或者为实体模型的空区，在所述情况下能够跳过挖空操作。所述方法可适用于针对空洞区的边界表面150集合S的任何几何表示，针对所述空洞区能够运算点到表面的距离160并且能够确定内外查询。当将被网格化的区没有完全封闭（诸如在图3A和3B中图解的那样）时，能够规定许多开口主体Ro。
[0039] 在步骤1410中，系统运算有界框152和在有界框152之内的轴对齐格栅154上的多个格栅点156。令 ，i=0…m为位于轴对齐格栅154上的一批格栅点156，所述轴对齐格栅154是在S的有界框152之内的体积的离散表示。
[0040] 公式1-3通过在每个格栅点156 vi处限定的一组系数限定隐式表面 。在有界框152之内的空间中的任何点 ，能够通过对相邻格栅点的系数进行插值来运算 (x)。点x然后能够被归类为位于区Rv的内部（公式1），表面上（公式2）或外部（公式3）。
[0041] 在步骤1415中，系统在空洞区之内创建针对网格结构的网格单元布局158。创建覆盖将被网格化的空洞区的网格单元布局158， 。对于棒或束类型网格，网格单元布局158能够是任何类型的元素，例如四面体、六面体等。对于模板类型网格，每个网格单元是与网格单元166异质同形的六面体。任何体积的网孔生成过程能够用于格栅创建，最简单的是轴对齐格栅154创建。最终对象将含有通过空洞区的边界表面150剪裁下来的网格。
[0042] 在步骤1420中，系统运算由针对在轴对齐格栅154上的格栅点156中的每个的标量值172限定的实体模型的隐式模型表示。离散隐式表示横跨空洞区的有界框152。如果存在开口主体，则开口区也被转换成离散隐式表示。距离场用作隐式表面表示，即系数是到S的带符号的距离或表面距离160。距离场是针对从每个格栅点156到边界表面150中的一个的最小距离162的模型值的计算。
[0043] 公式4限定边界表面150的等值面 。当格栅点156是空洞区的部分时，符号是负的，如在公式5中那样。当格栅点156不是空洞区的部分时，符号是正的，如在公式6中那样。如以上关于公式2讨论的那样，负的符号对应于在网格结构外部的格栅点156，并且正的符号对应于在网格结构内部的格栅点156。
[0044] 如果需要挖空则使用公式7，并且在运算的最近表面点处的表面厚度从表面距离160值减去以计算挖空的表面170。令 为到格栅点156的最近表面点并且令ts为在最近表面点s处规定的表面厚度。等值面 给出如由厚度场规定的到边界表面150的可变厚度偏移。能够使用在体积网孔上限定的缩放的距离场执行非统一挖空。
[0045] 还能够规定单元模板应用在网格之内。模板形状限定在网格单元166之内。关联的厚度将在单元之内的网格形状的表面限定为构架的偏移。网格模板在从在网格单元166之内的限定进行适合的变换（或许包含
变形）之后被应用在每个网格单元处。
[0046] 在公式8中，在体积的每个格栅点156 vi处，也运算到最近网格单元形状的网格距离164。其中X表示网格单元模板到最近网格单元166 lj中的变换的表示。对于棒/束类型网格，网格格栅边缘它们自身被用作单元模板，并且从它们运算网格距离164。首先识别到格栅点156的最近网格单元166 lj。在该实例中，格栅点156位于最近网格单元166的边缘或顶点上，最近网格单元166的相邻网格单元168也被考虑。网格模板被适当地变换成最近网格单元166的形状，并且然后运算到模板构架的变换的表示的网格距离164。单元模板能够被扩展以评价解析函数。代替运算到单元模板的距离场，可以在最近网格单元lj之内的对应格栅点156 vi处评价解析函数。
[0047] 在公式9中，从网格距离164减去表示网格厚度的厚度值tL。还能够根据最近网格单元166 lj相对于模型网格单元166的大小来缩放厚度值。等值面 给出网格表面。
[0048] 在公式10中，表面距离160 和网格距离164 的布尔逻辑组合然后被设置为在每个对应格栅点156处的标量值172。等值面 给出以表面S为边界的网格表面，或者由到S的可变厚度偏移生成的内部表面。如果存在开口主体，则距离场也被组合以创建适当定向的网格表面。
[0049] 在步骤1425中，系统提取在实体模型中的网格结构。能够使用等值面处理技术诸如移动立方体（marching cubes）从隐式体积表示把内部网格结构表面提取为多边形网孔。能够使用Delaunay方法后处理多边形网孔以改进形状。
[0050] 在步骤1430中，系统基于隐式最终表示储存实体模型中的网格结构。网格表面然后与实体模型的外部表面组合以用网格结构制作期望的模型。这个步骤允许仅仅更新针对实体模型的数据结构，而不需要用于修改的任何几何操作。通过以适当的方式选择距离场的符号来直接得到内部表面的正确的定向，并且因此不需要附加的处理。产生的网格化模型在拓扑上是正确的，其中实体和空洞在适当的区中。表面是干净、无自相交的并且没有非流形或孔。在步骤1435中，系统制造产生的网格化模型。
[0051] 当然，本领域中的技术人员将认识到除非由操作的顺序具体指示或需要，以上描述的过程中的某些步骤可以被省略、同时或顺序地执行、或者以不同的次序执行。
[0052] 本领域中的技术人员将认识到，为了简单和清楚，适合于供本公开使用的所有数据处理系统的完全的结构和操作没有在本文中描绘或描述。作为代替，仅仅如对于本公开是唯一的或者对于理解本公开是必要的那么多数据处理系统被描绘和描述。数据处理系统100的构造和操作的剩余部分可以与本领域中已知的任何各种当前实施方式和实践相符。
[0053] 注意到以下是重要的：虽然本公开包含在全功能系统的上下文中的描述，但是本领域中的技术人员将领会到本公开的机构中的至少部分能够以用各种形式中的任一形式包含在机器可用、计算机可用、或计算机可读媒介之内的指令的形式分布；并且不管用于实际实现该分布的特别的类型的指令或
信号承载媒介或储存器媒介，本公开同样适用。机器可用/可读或计算机可用/可读媒介的示例包含：非易失性、硬编码类型媒介诸如只读存储器（ROM）或可擦除、电可编程只读存储器（EEPROM）以及用户可记录类型媒介诸如软盘、硬盘驱动和压缩磁盘只读存储器（CD-ROM）或数字多用盘（DVD）。
[0054] 尽管已详细描述本公开的示例性实施例，本领域中的技术人员将理解在不脱离本公开以其最广形式的精神和范围的情况下可以进行在本文中公开的各种改变、代替、变化和改进。
[0055] 在本申请中没有任何描述应该被当作暗示任何特别的元件、步骤或功能是必须被包含在权利要求范围中的必需元素：受专利权保护的主题的范围仅仅由授权的权利要求限定。此外，这些权利要求没有一个旨在援引美国法典第35卷112（f）条，除非确切的词“用于…的装置”跟随有分词。
