基于圖像識(shí)別仿生木紋的三維打印路徑規(guī)劃方法

于 穎， 白捷仁， 李帥帥， 李思齊， 王 玉

（1. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 中德工程學(xué)院，上海 201804）

以熔融沉積制造（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）為代表的增材制造技術(shù)因具有架構(gòu)材料［1］、格狀結(jié)構(gòu)［2］等復(fù)雜形狀的制造能力，打破了傳統(tǒng)減材制造僅關(guān)注宏觀（幾何外形）和微觀（材料及組織）的零件設(shè)計(jì)思路，解鎖了零件在微-介觀結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)空間［3］。以介觀結(jié)構(gòu)代替實(shí)體的全新設(shè)計(jì)思路使得零件在保證幾何外形的前提下兼具重量輕、比強(qiáng)度高、吸能降噪等諸多優(yōu)秀性能［4-5］。傳統(tǒng)FDM 介觀結(jié)構(gòu)大多以均勻同構(gòu)為主，如網(wǎng)格填充、三角填充等，這種結(jié)構(gòu)雖然能夠完成所需幾何外形并減輕零件質(zhì)量，但由于大多數(shù)零件使用中其內(nèi)部應(yīng)力呈非線性分布，極易在零件的特定位置形成應(yīng)力集中，很顯然均勻同構(gòu)的介觀結(jié)構(gòu)不能夠與這種應(yīng)力分布很好協(xié)調(diào)，應(yīng)力集中部位極易造成破壞從而限制了零件整體機(jī)械性能［6］。與之相反，非均勻異構(gòu)的介觀結(jié)構(gòu)則可以充分發(fā)揮FDM在微-介觀結(jié)構(gòu)層面的巨大潛力［7］，通過非線性排布零件內(nèi)部材料及其走向使其與零件內(nèi)部非線性應(yīng)力相協(xié)調(diào)，選擇性加強(qiáng)零件應(yīng)力集中環(huán)節(jié)，從而提高零件結(jié)構(gòu)效率，即相同填充質(zhì)量下打印件能夠表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。例如，Wulle等［8］將零件分割成子塊并單獨(dú)切片，使不同層上的打印路徑與該層主應(yīng)力軌跡相適應(yīng)從而提高零件在多軸應(yīng)力條件下負(fù)載能力；Steuben 等［9］同樣認(rèn)為應(yīng)當(dāng)按照應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行打印零件異構(gòu)填充而非采用同構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)樣式；Zouaoui 等［10］改進(jìn)了傳統(tǒng)FDM 打印路徑使其擬合應(yīng)力方向并發(fā)現(xiàn)斷裂韌性提高20 %。已有諸多試驗(yàn)結(jié)果表明：打印件機(jī)械性能與打印路徑及由此生成的介觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，并且與均勻同構(gòu)介觀結(jié)構(gòu)相比，協(xié)調(diào)于應(yīng)力分布的非均勻異構(gòu)介觀結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)。

相比于頻繁的計(jì)算與仿真獲得非均勻異構(gòu)介觀結(jié)構(gòu)，自然界中天然存在著一種能夠與所承載荷完美適應(yīng)的非均勻異構(gòu)材料——木材［11］。除了“逐層疊加”的成型規(guī)律和各向異性的性能表征與FDM相似之外，木材自然形成的節(jié)等生理結(jié)構(gòu)也與打印零件中常見的孔等物理結(jié)構(gòu)相吻合。并且木材在自然生長中可以通過其內(nèi)部獨(dú)特的纖維排布方式強(qiáng)化特殊生理部位，使其適應(yīng)于自然載荷而不被破壞［12-13］。因此遵循仿生思想，不妨將這種自然進(jìn)化的優(yōu)秀非均勻異構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于三維打印，根據(jù)木材纖維排布方式規(guī)劃FDM打印填充路徑，提高零件性能。本文提出了一種基于圖像識(shí)別仿生木紋的三維打印路徑規(guī)劃方法，并以打印件拉伸強(qiáng)度為研究對(duì)象，將該非均勻異構(gòu)的木紋填充試件與傳統(tǒng)均勻同構(gòu)填充試件對(duì)比，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 仿生原理及方法

1.1 木紋形成及其力學(xué)性能表征

樹木在生長過程中，形成層細(xì)胞的向內(nèi)分裂活動(dòng)受溫度、氣候等環(huán)境因素影響造成了夏季快、冬季慢的季節(jié)差異，從而在宏觀上表現(xiàn)出深淺相間的顏色分布［14］。這種顏色分布在木材橫切面上以環(huán)形呈現(xiàn)為年輪而在徑切面及弦切面上以條形呈現(xiàn)為木紋，故木紋的走向即指示出該處木質(zhì)纖維的排布方向。

由于樹木內(nèi)部木質(zhì)纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于單束纖維強(qiáng)度，木材在宏觀上能夠明顯表現(xiàn)出與木紋方向相耦合的正交各向異性，即在軸向、徑向、切向三個(gè)相互垂直的方向上，木材表現(xiàn)出的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性質(zhì)也相互獨(dú)立。三個(gè)方向相對(duì)位置如圖1a所示，軸向平行于木紋；徑向垂直于木紋及年輪；切向垂直于木紋并切于年輪。由于通常木材徑向與切向之間性能差異遠(yuǎn)小于其與軸向之間性能差異，故在工程應(yīng)用中僅關(guān)注木材順紋（平行于木紋）與橫紋（垂直于木紋）方向的性能表現(xiàn)。美國木材手冊(cè)［15］中提供了美洲常見經(jīng)濟(jì)樹種的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，數(shù)據(jù)顯示木材在順紋方向的抗壓強(qiáng)度及彈性模量可達(dá)橫紋方向的十至數(shù)十倍，并且根據(jù)其收錄的Hankinson公式可以得出：與木紋方向夾角越小，木材的強(qiáng)度越高。Dong 等［16］在探究各向異性對(duì)木材摩擦表現(xiàn)時(shí)也指出，木材順紋方向抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于橫紋方向而表現(xiàn)出更好的耐磨性。木材耦合于木紋的正交各向異性表現(xiàn)與FDM定向增強(qiáng)零件性能需求完全相符，為木紋仿生的路徑規(guī)劃思路提供了理論支撐。

圖1 木紋、活節(jié)結(jié)構(gòu)及其纖維排布Fig. 1 Woodgrain, knot structure, and fiber arrangement

樹木生長過程中，由于枝芽的徑向生長導(dǎo)致樹干原本木質(zhì)發(fā)生改變從而形成的特殊生理結(jié)構(gòu)被稱為節(jié)，通常位于枝條根部或樹干內(nèi)部。根據(jù)其成因及周圍木質(zhì)情況，可將節(jié)分為死節(jié)與活節(jié)。死節(jié)是枝芽枯朽后逐漸被周圍組織包裹所形成，通常已經(jīng)部分或完全脫離于周圍組織并且不再承載。而活節(jié)則位于正常發(fā)育的樹枝根部，由樹干及枝條形成層交替環(huán)生所形成，將樹枝緊密連接于樹干。因死節(jié)不受外載更無與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，故本文研究均圍繞活節(jié)展開。活節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1b所示，其在持續(xù)外載作用下逐漸形成的特殊致密結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是樹干與枝條對(duì)抗風(fēng)雨等自然力的最佳連接方式［17］。通過觀察活節(jié)端面可以發(fā)現(xiàn)其克服外載的機(jī)理在于：不同于鉆孔，其纖維束并未因樹枝生長而被打斷，而是保持其數(shù)目不變向兩側(cè)堆積，通過將纖維排布合理加密使其適應(yīng)于孔周的應(yīng)力集中，如圖1c 所示。Muller等［18］將挪威云杉木節(jié)與相同形狀聚酯模型對(duì)比進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)并測(cè)量其應(yīng)變場(chǎng)，結(jié)果顯示木節(jié)中的應(yīng)變分布明顯比聚酯模型更均勻，證明了木節(jié)處的高強(qiáng)度來源于其纖維分布與內(nèi)部應(yīng)力的協(xié)調(diào)性。

1.2 木紋仿生方法

為進(jìn)一步驗(yàn)證“通過木紋仿生的路徑規(guī)劃可以增強(qiáng)零件孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”，選擇一塊帶有活節(jié)并木紋明顯的長方形板狀木材進(jìn)行仿生打印。仿生思路如圖2所示。

圖2 木紋仿生3D打印方法示意圖Fig. 2 Schematic diagram of biomimetic woodgrain 3D printing

將木板進(jìn)行逐層銑削，每銑削一層后通過攝像設(shè)備采集該層的表面紋理圖像，并進(jìn)給刀具進(jìn)行下一層銑削及圖像采集。在獲取了每一層木紋圖像后，對(duì)各個(gè)圖像依次進(jìn)行圖像木紋提取與打印路徑及G-Code 生成，最終將各層G-Code 文件按照層間排列順序拼接形成整體G-Code 文件進(jìn)而打印。銑削過程中的各層刀具進(jìn)給量（即相鄰切片層間厚度）決定了打印件與實(shí)物在厚度方向上的擬合精度：層進(jìn)給越小，擬合精度越高，但總層數(shù)及處理負(fù)擔(dān)也隨之增加。原理上講，各層打印軌跡均需要通過“銑削-拍攝-識(shí)別與提取”的流程逐層生成，而在本試驗(yàn)中因考慮到所選木板厚度較小，其在各層上呈現(xiàn)處的木紋差異不大，故簡化試驗(yàn)方案：將表層木紋圖像處理所得打印軌跡依據(jù)木節(jié)的傾斜角度逐層偏置，從而獲得各層打印軌跡。

1.2.1 圖像木紋提取

圖像木紋的提取過程主要基于Python-OpenCV軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，具體包括圖像形狀變換、灰度及降噪、圖像邊緣檢測(cè)、邊緣坐標(biāo)提取等步驟，如圖3所示。

圖3 圖像木紋提取過程Fig. 3 Extraction of woodgrain image

圖像形狀變換依據(jù)確定各層圖像4個(gè)角點(diǎn)位置求得透視變換矩陣，進(jìn)而采用選定插值算法插值變換獲得變換后圖像，最終將各層木紋圖像標(biāo)準(zhǔn)化為相同尺寸（像素大小）、相同角度（正對(duì)木材銑削面），從而降低拍攝角度引起的視角誤差以保證各層軌跡相互銜接。灰度處理使圖像丟失顏色信息，將RGB（紅綠藍(lán)）三通道整合為單一灰度通道以便后續(xù)圖像處理。降噪處理用于去除因拍攝設(shè)備及環(huán)境等因素在圖像上形成的噪點(diǎn)等妨礙后續(xù)邊緣檢測(cè)的噪聲信號(hào)，其原理為：將原圖像與卷積核進(jìn)行二維離散卷積，即遍歷原圖像各點(diǎn)并用其周圍像素值按照卷積核內(nèi)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均后所得值代替改點(diǎn)像素值。針對(duì)目前常見的噪聲類型已均有較為成熟的降噪方式如去除高斯噪聲的高斯濾波、去除椒鹽噪聲的中值濾波等，本質(zhì)區(qū)別在于其卷積核的不同：均值濾波卷積核內(nèi)參數(shù)均為1，即用各點(diǎn)周圍像素平均值代替該點(diǎn)像素，此算法原理簡單但其針對(duì)性不強(qiáng)，并且會(huì)導(dǎo)致圖像更加模糊不利于邊緣檢測(cè)；中值濾波采用各點(diǎn)周圍像素的中值代替該點(diǎn)像素，針對(duì)椒鹽噪聲（信號(hào)受到強(qiáng)烈干擾產(chǎn)生隨機(jī)散布的黑點(diǎn)或白點(diǎn)）效果明顯；高斯濾波卷積核內(nèi)參數(shù)呈中心大，邊緣小的高斯分布，針對(duì)高斯噪聲效果明顯。由于在木紋圖像采集中所受干擾主要以環(huán)境帶來的高斯噪聲為主，故在本試驗(yàn)中采用高斯濾波進(jìn)行圖像降噪。

圖像邊緣檢測(cè)為圖像木紋提取過程的核心，根據(jù)木紋深淺交替排布的性質(zhì)提取其色彩邊緣作為木紋走向，并作為后續(xù)打印路徑生成的依據(jù)。基于Canny 算法［19］的邊緣提取包括：計(jì)算像素梯度及方向、非極大抑制、雙閾值檢測(cè)等步驟。圖像各點(diǎn)像素梯度及方向由Sobel 算子［20］計(jì)算得出，計(jì)算公式如下：

式中：A為原始圖像；Gx與Gy分別為各點(diǎn)處橫向及縱向像素梯度。依此計(jì)算得出各點(diǎn)梯度G及方向θ為

至此，通過篩選梯度較大的像素點(diǎn)初步提取出模糊圖像邊界。非極大抑制通過僅保留各點(diǎn)沿梯度方向的梯度極大值過濾出清晰的單像素邊界并保證其各點(diǎn)與梯度方向垂直。雙閾值檢測(cè)通過判斷像素梯度與設(shè)定高低閾值之間關(guān)系進(jìn)一步篩選邊界，過濾因光線、噪聲等引起的小范圍像素變化，其方法為：僅保留梯度高于高閾值的像素點(diǎn)及與這些像素點(diǎn)相連并且其梯度介于高低閾值之間的像素點(diǎn)，通過改變閾值范圍調(diào)整邊緣檢測(cè)細(xì)節(jié)程度。最終利用邊緣坐標(biāo)提取將邊緣檢測(cè)識(shí)別到的邊緣點(diǎn)坐標(biāo)信息存為數(shù)據(jù)文件。

1.2.2 打印路徑及G-Code生成

打印路徑及G-Code 的生成如圖4 所示，包括邊緣點(diǎn)實(shí)體化、打印路徑生成、打印路徑后處理、GCode 生成等步驟，Rhino 軟件強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力使圖像中邊緣線轉(zhuǎn)化為可編輯實(shí)體線條成為可能。邊緣點(diǎn)實(shí)體化通過Grasshopper 插件讀取邊緣坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件生成實(shí)體邊緣點(diǎn)并將其烘焙至建模平臺(tái)，利用曲線工具將上述實(shí)體邊緣點(diǎn)自動(dòng)連接最相鄰點(diǎn)從而初步形成打印路徑。打印路徑后處理包括去除雜線等多余線條、相鄰線條插值加密等。由于自動(dòng)連接最相鄰點(diǎn)的軌跡生成算法導(dǎo)致當(dāng)某點(diǎn)附近沒有可連接點(diǎn)時(shí)會(huì)擴(kuò)大檢索半徑直至尋到一孤立點(diǎn)并與之相連，故路徑上呈現(xiàn)出若干條雜線，需將其截?cái)嗖⑷コ３酥猓捎诼窂缴习氩糠诌^于稀疏將導(dǎo)致打印時(shí)絲材之間無法連接形成孤立，故采用插值法在相鄰兩條曲線間插入線條對(duì)其加密，使相鄰兩條路徑之間最小距離小于絲材打印寬度從而避免孤立。至此獲得最終打印路徑。

圖4 打印路徑及G-Code生成過程Fig. 4 Generation of path and G-Code

G-Code 生成由本課題組所開發(fā)的基于Grasshopper 的FDM 工藝平臺(tái)所實(shí)現(xiàn)［21］，該平臺(tái)利用軟件的樹形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，將各線條分支劃分為數(shù)個(gè)點(diǎn)并將其坐標(biāo)按照分支數(shù)、點(diǎn)數(shù)依次存儲(chǔ)于樹形結(jié)當(dāng)中，通過其內(nèi)嵌的Python 環(huán)境編程按照給定工藝參數(shù)將同一分支上各點(diǎn)坐標(biāo)順序輸出形成G-Code。由于該工藝平臺(tái)僅適用于各層截面相同的打印模型，故在本試驗(yàn)中的變截面木紋打印中需要將各層圖像軌跡分別生成G-Code，并將其整合為一體。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了基于木紋仿生的路徑填充（woodgrain）、網(wǎng)格填充（grid）、三角填充（triangular）、直線填充（rectilinear）4種填充方式的打印試件：其中基于木紋仿生的路徑填充由1.2 節(jié)流程所獲得的G-Code 文件實(shí)現(xiàn)，其余傳統(tǒng)填充方式G-Code 由傳統(tǒng)切片軟件Simplify3D 所生成。為保證拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，需保證試樣包括幾何形狀、質(zhì)量、材料等在內(nèi)的參數(shù)一致。試件外形及幾何尺寸如圖5 所示，均統(tǒng)一為一帶斜孔長方體形狀從而與木板保持一致。試件質(zhì)量的控制主要在于包括填充密度在內(nèi)的工藝參數(shù)控制，由于基于木紋仿生的打印填充路徑的特殊性，并且其G-Code 已經(jīng)生成，其質(zhì)量不可通過調(diào)整打印參數(shù)控制，故在打印其他填充方式試件時(shí)需要反復(fù)嘗試、精準(zhǔn)調(diào)控其填充密度，控制其最終打印件質(zhì)量與woodgrain 打印試樣保持一致。

圖5 試件幾何尺寸（單位：mm）Fig. 5 Geometric dimension of test specimen (unit:mm)

2.2 拉伸試驗(yàn)

本次試樣打印采用框架式FDM打印機(jī)，并選擇同批次生產(chǎn)、直徑1.75 mm 熱塑性高分子材料聚乳酸PLA 絲材作為打印耗材。打印噴嘴直徑0.4 mm、溫度控制200 ℃，熱床溫度控制50 ℃，打印層高0.2 mm。為保證拉伸試驗(yàn)的科學(xué)性，每種填充方式試樣均打印3 個(gè)，表1 為各試樣填充方式及質(zhì)量。4種填充方式打印試樣如圖6所示。拉伸試驗(yàn)采用東莞東日儀器有限公司5 KN 拉伸試驗(yàn)機(jī)配合選擇楔形夾頭在室溫下進(jìn)行。對(duì)于本試驗(yàn)帶斜孔長方體試樣，斜孔處存在明顯缺陷，故尤其需要對(duì)其周圍強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)：分別選擇底面斜孔左切線左側(cè)10 mm 及頂面斜孔右切線右側(cè)10 mm 處作為夾頭夾緊位置，如圖6e 所示。設(shè)定拉伸機(jī)拉伸試驗(yàn)速度為1 mm·min-1，試件出現(xiàn)斷裂或載荷存在明顯下降趨勢(shì)時(shí)停止拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)同時(shí)采集拉伸時(shí)間、拉伸載荷以及拉伸位移等信息。對(duì)于脆性斷裂破壞件，選擇其斷裂位置載荷作為最大載荷，對(duì)于韌性斷裂破壞件，選擇其破壞或停止試驗(yàn)前所記錄載荷最大處作為其最大載荷。

表1 各試樣填充方式及其質(zhì)量Tab.1 Filling mode and mass of each sample

圖6 4種填充方式打印試樣及裝夾方式Fig. 6 Test specimens of four filling modes and their clamping method

3 結(jié)語與討論

3.1 拉伸結(jié)果討論

根據(jù)試驗(yàn)過程中所采集信息對(duì)各種填充方式下三個(gè)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值并進(jìn)行處理，得到各種填充方式下試樣的拉伸載荷-拉伸位移曲線如圖7a 所示，各填充方式平均最大載荷及其標(biāo)準(zhǔn)誤差如圖7b所示。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，相同填充質(zhì)量下，grid、triangular、rectilinear、woodgrain 試樣最大載荷逐級(jí)遞增。并且相比于另外三種傳統(tǒng)打印試樣，woodgrain 試樣最大載荷分別提高115.03 %、72.89 %、64.39 %，試件的最大載荷及結(jié)構(gòu)效率得到明顯提升。由于FDM的層內(nèi)各向異性表現(xiàn)，即絲材走向與零件受力方向夾角越小其能夠提供的抗拉強(qiáng)度越高，而grid、triangular、rectilinear 三種填充方式絲材走向與整體受力方向夾角依次為45°、30°、0°逐漸減小，故其試件最大載荷也隨之提高。而woodgrain試件在rectilinear試件基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，木材天然的非線性纖維排布方式使其路徑處處與內(nèi)部應(yīng)力方向相吻合，并且仿生木紋的路徑規(guī)劃通過合理的絲材疏密分布形成的非均勻異構(gòu)的介觀結(jié)構(gòu)將同等質(zhì)量的填充耗材更大比重地分布在零件應(yīng)力集中環(huán)節(jié)，從而提高了零件拉伸強(qiáng)度。

圖7 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 Result of tensile test

3.2 斷裂樣式分析

4種填充試件的拉伸斷裂樣式如圖8所示，觀察得出：4 種填充方式的斷裂位置、形貌及其失效模式均有所不同。圖8左列展示出，grid試件與triangular試件的斷裂形貌均表現(xiàn)為從孔周向輪廓延伸的直線裂紋，其中g(shù)rid 試件其裂紋與拉力方向夾角45°，而triangular試件其裂紋與拉力方向夾角60°，這與兩種試件的填充路徑角度不謀而合。通過介觀層面力學(xué)分析，由于各路徑交點(diǎn)之間構(gòu)成的柱形受力單元與零件整體承載方向存在夾角，故宏觀拉力在各單元上分解為沿材料軸向分布的拉應(yīng)力和與之垂直的剪切應(yīng)力。因材料的剪切強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度，在宏觀載荷作用下剪切應(yīng)力率先達(dá)到極限強(qiáng)度并破壞。一旦某處發(fā)生剪切破壞，沿受剪方向的其余單元所受應(yīng)力進(jìn)一步增加并達(dá)到極限強(qiáng)度，進(jìn)而裂紋逐漸擴(kuò)展并在宏觀上表現(xiàn)為直線裂紋。而woodgrain 試件與rectilinear 試件由于材料分布方向與試件承載方向基本一致，材料所受應(yīng)力大部分為軸向拉應(yīng)力，故試件孔周至邊緣距離最短位置處因截面積最小而產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，最終因達(dá)到材料極限抗拉強(qiáng)度而被破壞。

圖8 4種填充試樣斷裂樣式Fig. 8 Fracture patterns of samples of four filling modes

圖8 右列展示出，相比于grid 試件及triangular試件的脆性斷裂形式，woodgrain試件及rectilinear試件呈現(xiàn)出先塑性形變后逐漸破壞的韌性斷裂形式，其斷口尺寸明顯縮小并變白，這是由于PLA材料在室溫下（約25 ℃）脆性較大從而表現(xiàn)出脆性斷裂，隨著溫度升高其韌性逐漸增加并表現(xiàn)出具有蠕變能力的玻璃化狀態(tài)直至轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z狀粘性流體。而此實(shí)驗(yàn)中從拉伸載荷-拉伸位移曲線圖中可以看出grid及triangular 試件很快達(dá)到其最大載荷并脆性斷裂，而woodgrain 及rectilinear 試件相比之下其拉伸位移更大，其形變能量累積更多進(jìn)而使其局部溫度升高從而形成韌性斷裂。試驗(yàn)結(jié)論表明，相較于傳統(tǒng)FDM 路徑填充方式，基于木紋仿生的FDM 路徑規(guī)劃方式可以使零件拉伸性能得到顯著提高。

4 結(jié)語

本文提出了基于仿生木紋的三維打印路徑規(guī)劃方法，并試驗(yàn)驗(yàn)證得出該方法能夠顯著提高打印件拉伸強(qiáng)度。將木材物理切片分層后采集每層木紋圖像，依次對(duì)各層圖像進(jìn)行木紋提取、路徑及G-Code生成并將其合成，進(jìn)而打印獲得與原木材幾何外形及內(nèi)部纖維排布一致的PLA 打印試件。將該試件與材料、幾何外形、質(zhì)量均相同的網(wǎng)格填充、三角填充、直線型填充試件進(jìn)行了對(duì)比拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：相比于網(wǎng)格填充、三角填充、直線填充試樣，基于仿生木紋的三維打印路徑規(guī)劃打印試樣其最大拉伸載荷分別提高了115.03 %、72.89 %、64.39 %。本文所提出的基于仿生思想的路徑規(guī)劃方法打破了傳統(tǒng)的均勻同構(gòu)介觀結(jié)構(gòu)填充，充分利用了FDM優(yōu)越性，按照木材內(nèi)部纖維生長方式非線性地規(guī)劃填充路徑，從而針對(duì)性地使打印件薄弱處得到增強(qiáng)，進(jìn)而使FDM打印件拉伸強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)效率進(jìn)一步提高。除此之外，該仿生方法同樣適于骨骼、蜻蜓翅膀等具有幾何紋理的自然非均勻異構(gòu)材料，面向不同應(yīng)用場(chǎng)合提升打印件性能及結(jié)構(gòu)效率。

作者貢獻(xiàn)聲明：

于 穎：研究方法指導(dǎo)。

白捷仁：試驗(yàn)設(shè)計(jì)及論文撰寫。

李帥帥：數(shù)據(jù)整理分析。

李思齊：圖像處理。

王 玉：創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)路線指導(dǎo)。