CN103722171A - 一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，激光束在计算机的控制下，按照扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。本发明以三组平行的间断直线扫描路径，最终构成的蜂窝状的整体路径。本发明在工艺上控制简单，实用性强，可以增加制件强度，减少制件形变，提高制件尺寸精度。

Description

一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体为一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)，也称快速成形或快速成型（RapidPrototyping，简称RP），是一种快速生成零件或者模型的制造技术，集成了数控技术、机械设计与制造、新材料技术以及计算机应用技术，是多学科综合的产物。增材制造俗称3D打印。
选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）工艺由Carl Dechard博士和他的导师Joe Beaman博士于19世纪80年代中期在美国德克萨斯大学奥斯汀分校研制成功，并进行了商业化开发。SLS工艺利用粉末状材料成形：（1）将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；（2）用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；（3）材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；（4）当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面，经过若干层的扫描烧结叠加，最后完成整个原型或者工件的制造。
在选择性激光烧结制造过程中，其加工质量受激光光斑尺寸、扫描速度、扫描间距、扫描路径、激光器发出激光能量等因素影响。在加工过程中，当粉末材料熔融固化时，由于冷却的时间顺序不同会造成制件非均匀收缩，使得上层材料的收缩会使与之相连的下层材料受到压应力的作用，而正在冷却和收缩的上层材料因为有下层已烧结材料的约束，受到拉应力的作用。这种应力严重时就会导致已成型层的翘曲变形，严重时会产生裂纹，这是选择性激光烧结制造中的一个国际性难题。激光束的扫描方式决定着加工层面上的温度场分布，因此决定了翘曲变形的程度。
在选择性激光烧结制造过程中，目前采用的填充扫描方式主要可以分为平行线扫描、轮廓等距线扫描、以及平行线与轮廓等距线混合式扫描。采用混合式扫描时，界面轮廓的边界按轮廓等距线扫描；内部按平行线扫描。平行线扫描只需快速成型机一个轴运动，扫描速度快。而且扫描算法简单，所以程序也较简单，容易实现。选择性激光烧结技术的应用范围不断扩大，对制件的精度等评价标准提出了更高的要求，进一步的研究出合适的激光束扫描路径，对于提高选择性激光烧结所制造出工件的质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，以实现在减少制件的翘曲变形，提高制件精度的同时，增加制件的强度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，所述激光扫描路径为三组平行的间断直线扫描路径构成的蜂窝状整体扫描路径，每组平行的间断直线扫描路径分别由规则性线段构成，激光束在计算机的控制下，按照激光扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。
所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：处于每条直线上的扫描路径都是由间断式线段组成，线段正常长度为相邻线段间距的1/2，处于直线两端的线段经过截面轮廓的裁剪，其长度小于正常长度；其中，线段指需要进行激光扫描，对金属粉末进行烧结的部分，在截面轮廓内规则排列；相邻线段间距指位于一条直线上的相邻线段的相邻端点之间的距离。
所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：每组内位于不同直线上的线段互相平行，三组线段分别沿三个不同方向布置并且保证三组规则性线段在端点相交，扫描后形成蜂窝状的排列轨迹。
所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：激光束在计算机控制下扫描过程为：
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿x/y轴进行间断式扫描，产生一系列分别与x/y轴平行的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成60°的方向上进行间断式扫描，产生一系列相互平行分别与x/y轴成60°的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成120°的方向上进行间断式扫描，产生一系列相互平行分别与x/y轴成120°的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿工件的截面轮廓进行扫描。
所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：各个扫描过程顺序不分先后。
所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：每个方向扫描过程中所产生的位于不同直线上的间断式扫描轨迹相互间距为所述规则性线段正常长度的倍。
所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：三个方向扫描过程中，产生的间断式扫描轨迹在端点相交，交点经历三次激光熔接。
本发明提供了一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，根据截面轮廓的信息，激光束在计算机的控制下，对制件的实心部分所在的金属粉末进行间断式扫描，间断式扫描路径在端点相交，最终构成蜂窝状的整体路径，有利于提高制件的强度。间断式扫描路径交点处得到三次激光熔接，对于选择性激光烧结可以提高相邻层的结合程度。本发明在工艺上控制简单，实用性强，可以增加制件强度，减少制件形变，提高整个制件尺寸精度。
附图说明
图1是用于选择性激光烧结的蜂窝状扫描路径生成原理示意图。
其中：L1、L2、L3分别为三组扫描路径的间距，L4为扫描路径中间断式线段的正常长度，L5为扫描路径中相邻间断式线段的间距。
图2是用于选择性激光烧结的蜂窝状扫描路径生成结果示意图。
图3是激光束沿与x轴成120°的方向上进行间断式扫描结果示意图。
图4是激光束沿x轴方向进行间断式扫描结果示意图。
图5是激光束沿与x轴成60°的方向上进行间断式扫描结果示意图。
图6是激光束沿截面轮廓线扫描结果示意图。
图7是激光束沿截面轮廓线的等距线扫描结果示意图。
图8是选择性激光烧结的蜂窝状扫描路径生成中相邻层模板交错布置示意图。
具体实施方式
一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，激光扫描路径为三组平行的间断直线扫描路径构成的蜂窝状整体扫描路径，每组平行的间断直线扫描路径分别由规则性线段构成，激光束在计算机的控制下，按照激光扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。
激光束在计算机控制下扫描过程为：
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿x/y轴进行间断式扫描，产生一系列分别与x/y轴平行的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成60°的方向上进行间断式扫描，产生一系列相互平行分别与x/y轴成60°的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成120°的方向上进行间断式扫描，产生一系列相互平行分别与x/y轴成120°的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿工件的截面轮廓进行扫描。
各个扫描过程顺序不分先后。
在每个扫描方向，扫描部分长度为相邻扫描部分间距的1/2。
每个方向扫描过程中所产生的位于不同直线上的间断式扫描轨迹相互间距为所述规则性线段正常长度的
Figure BDA0000446077230000041
倍。
三个方向扫描过程中，产生的间断式扫描轨迹在端点相交，交点经历三次激光熔接。
具体实施例：
一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，主要包括步骤：
S1.根据制件数字化模型截面轮廓的包围盒，得到一个正六边形规则排列组合的模板，要求模板的边界线完全位于包围盒的外部，如图1所示。
S2.利用制件数字化模型的截面轮廓裁剪模板，得到位于轮廓线内部的模板部分，即整体扫描路径，如图2所示。
S3.按照整体扫描路径，先由计算机控制激光束沿与x轴成120°的方向上进行间断式扫描，产生一系列与x轴成120°的间断式扫描轨迹如图3所示。规则性线段正常长度为其间隔的1/2，即L4=0.5L5，L4为扫描路径中间断式线段的正常长度，即构造模板时正六边形的边长，L5为扫描路径中相邻间断式线段的间距，与截面轮廓相交的线段被截面轮廓裁剪，其长度小于正常长度。扫描后，理论上扫描部分不连贯，非均匀收缩具有局部性。
S4.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿x轴进行间断式激光扫描，产生一系列与x轴平行的间断式扫描轨迹如图4所示。规则性线段正常长度为其间隔的1/2，即L4=0.5L5，与截面轮廓相交的线段被截面轮廓裁剪，其长度小于正常长度。扫描后，形成Z型整体扫描区域，有利于释放产生的内应力。
S5.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿与x轴成60°的方向上进行间断式扫描，产生一系列与x轴成60°的间断式扫描轨迹如图5所示。规则性线段正常长度为其间隔的1/2，即L4=0.5L5，与截面轮廓相交的线段被截面轮廓裁剪，其长度小于正常长度。扫描后，得到蜂窝状的扫描结果。由于间断式扫描路径在端点相交，这些交点经历三次激光熔接。
S6.由计算机控制激光束沿工件的截面轮廓进行扫描如图6所示，根据需要可以沿工件的截面轮廓线的等距线进行扫描如图7所示，进一步提高制件强度。
所产生的各方向的平行间断式扫描轨迹相互间距相同，即L1=L2=L3，这里L1、L2、L3分别为三组扫描路径的间距。
所产生的各方向的位于不同直线上的平行间断式扫描轨迹相互间距为规则性线段正常长度的
Figure BDA0000446077230000051
倍，即
Figure BDA0000446077230000052
L1、L2、L3分别为三组扫描路径的间距，L4为扫描路径中间断式线段的正常长度。
相邻层模板中的正六边形可以在x-y平面布置在相同位置，也可以交错布置，图8为两层模板交错布置正三角形的示意图，分别以不同颜色标识，第四层模板中正六边形的布置位置与第一层相同。在相邻层模板中交错布置正六边形有利于减少相邻层的相互作用，进一步减少内应力。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (7)

1.一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，所述激光扫描路径为三组平行的间断直线扫描路径构成的蜂窝状整体扫描路径，每组平行的间断直线扫描路径分别由规则性线段构成，激光束在计算机的控制下，按照激光扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。
2.根据权利要求1所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：处于每条直线上的扫描路径都是由间断式线段组成，线段正常长度为相邻线段间距的1/2，与截面轮廓相交的线段被截面轮廓裁剪，其长度小于正常长度；其中，线段指需要进行激光扫描，对金属粉末进行烧结的部分，在截面轮廓内规则排列；相邻线段间距指位于一条直线上的相邻线段的相邻端点之间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：每组内的位于不同直线上的线段互相平行，三组线段分别沿三个不同方向布置并且保证三组规则性线段在端点相交，扫描后形成蜂窝状的排列轨迹。
4.根据权利要求1所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：激光束在计算机控制下扫描过程为：
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿x/y轴进行间断式扫描，产生一系列分别与x/y轴平行的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成60°的方向上进行间断式扫描，产生一系列相互平行分别与x/y轴成60°的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成120°的方向上进行间断式扫描，产生一系列相互平行分别与x/y轴成120°的间断式扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿工件的截面轮廓进行扫描。
5.根据权利要求4所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：各个扫描过程顺序不分先后。
6.根据权利要求4所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：每个方向扫描过程中所产生的位于不同直线上的间断式扫描轨迹相互间距为所述规则性线段正常长度的3倍。
7.根据权利要求4所述的一种用于选择性激光烧结的蜂窝式激光扫描方法，其特征在于：三个方向扫描过程中，产生的间断式扫描轨迹在端点相交，交点经历三次激光熔接。
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