Trong in 3D, mô hình kỹ thuật số 3D là tiền đề và nền tảng, còn in 3D chính là kết quả, điều này khiến mô hình 3D trở thành “bông hoa trên mặt đất”. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, mô hình 3D không thể xuất trực tiếp ra máy in 3D hoặc các đối tượng in ra không đáp ứng được nhu cầu của người dùng. Lúc này, cần thông qua một số phương pháp xử lý và mô hình hình học để hiệu chỉnh, điều chỉnh, xử lý và tối ưu hóa mô hình 3D đầu vào, để có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu in 3D và ngăn đối tượng in không hoạt động bình thường. .
Trong đồ họa máy tính hoặc thiết kế hình học có sự hỗ trợ của máy tính, mục đích chính của mô hình 3D là mô hình hóa, kết xuất hoặc hoạt hình, xem xét các đặc tính toán học của mô hình, chẳng hạn như hình dạng, tính liên tục, độ mịn, chất liệu, biến dạng và các đặc tính khác của bề mặt; Trong in 3D, đầu ra của mô hình 3D là một mô hình vật lý, và các đặc tính vật lý (đặc tính cơ học và đặc tính chức năng) của mô hình vật lý cần được xem xét nhiều hơn. Do đó, các phương pháp xử lý và mô hình 3D truyền thống cần được sửa đổi và tăng cường hơn nữa, đồng thời các đặc tính cơ học và chức năng của mô hình vật lý đầu ra cần được xem xét trong quá trình mô hình hóa. Một mặt, các đặc tính toán học của mô hình ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của nó; mặt khác, các yêu cầu về tính chất vật lý ảnh hưởng đến việc sửa đổi các tính chất toán học. Hai thuộc tính này ảnh hưởng lẫn nhau và thường yêu cầu lặp lại trong quá trình xử lý và tối ưu hóa. Chúng tôi gọi nó là thiết kế và tối ưu hóa hình học theo định hướng Chế tạo. Có rất nhiều bài toán xử lý hình học và tính toán tối ưu hóa, chúng tôi tóm tắt ngắn gọn như sau:
1. Bài toán tính toán hình học: Với một mô hình kỹ thuật số 3D, nó cần được phân chia thành lưới tam giác (tệp STL), sau đó cấu trúc điền và cấu trúc hỗ trợ được thêm vào, sau đó tính toán lát cắt và lập kế hoạch đường dẫn, và cuối cùng được gửi đến máy in 3D thông qua G mã Đầu ra một mô hình vật lý. Quá trình này là công việc chính của phần mềm công cụ cắt lát của máy in 3D, liên quan đến rất nhiều phép tính hình học;
2. Ràng buộc về in ấn: Trong nhiều trường hợp, mô hình 3D đầu vào gặp một số vấn đề và không thể xuất trực tiếp ra máy in 3D. Ví dụ, bản thân cấu trúc liên kết của mô hình 3D không được tiêu chuẩn hóa và không thể được cắt lát; bản in bị lỗi do phần nổi; Kích thước của mô hình quá lớn, vượt quá giới hạn kích thước mà máy in có thể in; mà không xem xét đến độ ổn định, đối tượng in không thể được đặt bình thường, v.v.;
3. Vấn đề tối ưu hóa cấu trúc: Do nhà thiết kế thiếu một số kinh nghiệm thiết kế và kiến thức cơ học, kết quả thiết kế sẽ không được in bình thường do các vấn đề về cấu trúc hoặc sẽ có một số vấn đề về độ bền cấu trúc sau khi in 3D. Cường độ không đủ có thể làm hỏng mô hình 3D trong quá trình in, vận chuyển hoặc sử dụng hàng ngày. Chúng tôi gọi loại bài toán này là bài toán phân tích cấu trúc và tối ưu hóa; lúc này cần tối ưu hóa cấu trúc của mô hình thông qua tính toán mô phỏng cơ lý (Finite Element Method-FEM) để đáp ứng yêu cầu.
4. Các vấn đề về tùy chỉnh chức năng: Khả năng tùy chỉnh là một trong những lợi thế lớn nhất của in 3D, và một số lượng lớn các câu hỏi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu đã được đặt ra ở đây. Ví dụ, (1) áp dụng các mô hình và phương pháp khác nhau được phát triển trong lý thuyết bản vẽ để in 3D, liên quan đến việc mô phỏng ngoại hình, tối ưu hóa phép đo và tổng hợp của vật liệu in; (2) cho nhu cầu y tế, giáo dục, giải trí và thời trang Bài toán tùy biến mô hình và bài toán thiết kế ngược cho hiệu ứng ánh sáng, bóng đổ và âm thanh; (3) Các đối tượng với các chức năng cụ thể được lắp ráp bằng cách thiết kế và in ấn khối con và thông qua bản lề, ròng rọc, bánh răng, động cơ và các thiết bị cơ khí khác, bao gồm nhiều cơ chế thiết kế và các vấn đề tối ưu hóa.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về thiết kế hình học và tối ưu hóa cho sản xuất đã được quan tâm sâu rộng và dần trở thành một điểm nóng trong nghiên cứu.