CN106077638A - 一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法 - Google Patents

一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，该方法包括下列顺序的步骤：（1）根据被加工工件截面的轮廓信息，将待扫描区域分成多个相互之间存在一定间距的蜂窝形子区域；（2）计算出蜂窝形子区域内及蜂窝形子区域间的扫描路径；（3）高能束在计算机控制下按照上述扫描路径进行扫描。本发明根据被加工工件截面轮廓的信息，将待扫描区域分成多个互相有一定间距的蜂窝形子区域，计算出蜂窝形子区域内及区域间的扫描路径；根据不同需要，蜂窝形子区域内及区域间的扫描路径可以采用现有各种模式；本发明在加工工艺上控制简单，可以减少制件内应力及形变，提高制件尺寸精度，避免制件开裂现象，增加制件强度。

Description

一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)，早期称为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，俗称3D打印。
在采用Powder Bed Fusion类型技术进行增材制造时，其加工质量受高能束实际作用尺寸、扫描速度、扫描间距、扫描路径、高能束能量等因素影响。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Powder Bed Fusion类型增材制造技术中的一个国际性难题。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Powder Bed Fusion类型的增材制造过程中，目前有一种分区扫描方法，这种方法是将待扫描区域分成正方形子区域，内部采用平行线扫描，同其他不分区的扫描方法相比较，采用这种分区扫描方法有利于降低制件的内应力，但是制件的强度还有待于提高，特别是强度存在方向性。增材制造的应用范围不断扩大，特别是已开始用于功能型零件的加工，对制件的精度、强度等评价标准提出了更高的要求，进一步研究合适的扫描路径，对于提高制件的质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在实现减少制件的翘曲变形、提高制件精度的同时，增加制件的强度的用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）根据被加工工件截面的轮廓信息，将待扫描区域分成多个相互之间存在一定间距的蜂窝形子区域；
（2）计算出蜂窝形子区域内及蜂窝形子区域间的扫描路径；
（3）高能束在计算机控制下按照上述扫描路径进行扫描。
所述蜂窝形子区域为规则正六边形区域，与被加工工件截面轮廓相交的正六边形区域被轮廓裁剪后呈非规则正六边形区域。
所述扫描路径的模式为三角网格式、平行扫描线格式中的任意一种。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径对蜂窝形子区域内的粉末材料进行扫描，所述蜂窝形子区域内是指子区域内及边缘处被裁剪后的子区域内。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径沿蜂窝形子区域的边界进行扫描。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径对蜂窝形子区域间的粉末材料进行扫描；所述蜂窝形子区域间是指子区域之间，以及子区域与边缘处被裁剪后的子区域之间。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径沿被加工工件的截面轮廓进行扫描。
由上述技术方案可知，本发明的优点在于：第一，本发明根据被加工工件截面轮廓的信息，将待扫描区域分成多个互相有一定间距的蜂窝形子区域，计算出蜂窝形子区域内及区域间的扫描路径，将热应力的影响局部化，并降低零件性能方向性；第二，根据不同需要，蜂窝形子区域内及区域间的扫描路径可以采用现有各种模式，在提高性能的前提下，满足不同制造效率的需求；第三，本发明在加工工艺上控制简单，可以减少制件内应力及形变，提高制件尺寸精度，避免制件开裂现象，增加制件强度。
附图说明
图1是用于蜂窝式分块模板生成原理示意图；
图2是用于蜂窝式分块模板生成结果示意图；
图3是采用三角网格式路径扫描蜂窝内部区域的扫描路径示意图；
图4是采用三角网格式路径扫描蜂窝内部区域并扫描蜂窝边界的扫描路径示意图；
图5是当蜂窝区域间距较小时蜂窝间区域扫描路径示意图；
图6是采用图4及图5所示扫描模式并扫描轮廓边界的整体一层扫描路径示意图；
图7是采用相同方向的平行扫描线扫描蜂窝内部区域并扫描蜂窝边界的扫描路径示意图；
图8是采用三组不同方向的平行扫描线扫描蜂窝内部区域的扫描路径示意图；
图9是采用三组不同方向的平行扫描线扫描蜂窝内部区域时扫描方向布置示意图；
图10是当蜂窝区域间距较大时蜂窝间区域三角网格式扫描路径示意图；
图11是当蜂窝区域间距较大时采用三种不同方向的平行扫描线蜂窝间区域时扫描路径示意图；
图12是当蜂窝区域间距较大时蜂窝间区域及轮廓一定厚度内三角网格式扫描路径示意图；
图13是相邻层蜂窝式分块模板交错布置的原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，该方法包括下列顺序的步骤：（1）根据被加工工件截面的轮廓信息，将待扫描区域分成多个相互之间存在一定间距的蜂窝形子区域；该间距保证蜂窝形子区域及边缘处被裁剪后的子区域被扫描后，激光或其他高能束的实际作用区域互不相连；（2）计算出蜂窝形子区域内及蜂窝形子区域间的扫描路径；（3）高能束在计算机控制下按照上述扫描路径进行扫描。所述蜂窝形子区域为规则正六边形区域，与被加工工件截面轮廓相交的正六边形区域被轮廓裁剪后呈非规则正六边形区域。所述高能束采用激光束、电子束、等离子束中的任意一种。所述扫描路径的模式为三角网格式、平行扫描线格式中的任意一种，根据不同需要，蜂窝形子区域内及区域间的扫描路径可以采用现有各种模式。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径对蜂窝形子区域内的粉末材料进行扫描，所述蜂窝形子区域内是指子区域内及边缘处被裁剪后的子区域内。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径沿蜂窝形子区域的边界进行扫描。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径对蜂窝形子区域间的粉末材料进行扫描；所述蜂窝形子区域间是指子区域之间，以及子区域与边缘处被裁剪后的子区域之间。
在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径沿被加工工件的截面轮廓进行扫描。
实施例一
以某一制件举例，对该制件的分区扫描方法包括以下步骤：
S1. 根据制件数字化模型截面轮廓的包围盒，得到一个正六边形按一定间距规则排列组合的模板，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，即蜂窝式分区结果，如图2所示；
S3. 在蜂窝形子区域及边缘处被裁剪后的子区域内以三角网格式扫描路径进行扫描，如图3所示；三角网格由三组不同方向的平行扫描线构成，三角网格的三个边方向分别平行于正六边形的三个边方向，各方向扫描线的间距均相同，第三个方向的扫描线通过前两个方向扫描线的交点，构成整体三角网格路径；
S4. 扫描蜂窝形子区域及边缘处被裁剪后的子区域的边界，子区域内及边界的扫描路径如图4所示；
S5. 当蜂窝区域间距较小时，蜂窝间区域扫描路径如图5所示；虚线为子区域边界，蜂窝间区域扫描路径的有效作用区域部分覆盖蜂窝形子区域及边缘处被裁剪后的子区域；激光扫描时，有一个有效作用半径，所以沿路径扫描时，有效作用区域有一定宽度，这样沿蜂窝间区域扫描路径扫描时，有效作用区域会覆盖到子区域，这样可以保证相邻子区域可靠地固化到一个整体；子区域及其边界、区域间及截面轮廓的整体扫描路径如图6所示。
实施例二
在此实施例中，子区域内可以采用相同方向的平行扫描线路径，如图7所示。
实施例三
在此实施例中，子区域内可以采用三组不同方向的平行扫描线路径，如图8所示。三个方向分别与正六边形的三个边方向平行，在设置方向时要保证任何三个相邻子区域内的扫描方向均不相同，如图9所示。
实施例四
在此实施例中，当蜂窝区域间距较大时，采用三角网格式扫描路径扫描蜂窝间区域，如图10所示。三角网格由三组不同方向的平行扫描线构成，三角网格的三个边方向分别平行于正六边形的三个边方向，各方向扫描线的间距均相同，第三个方向的扫描线通过前两个方向扫描线的交点，构成整体三角网格路径。
实施例五
在此实施例中，当蜂窝区域间距较大时，采用三种不同方向的平行扫描线扫描蜂窝间区域，如图11所示。图5所示简单扫描路径将蜂窝间区域又划分成多个更小的子区域，采用三组不同方向的平行扫描线路径扫描各子区域，每个子区域内的扫描方向分别与临近的正六边形边方向平行。
实施例六
在此实施例中，可以轮廓一定厚度内进行扫描，使该区域内的粉末材料经历重熔融，进一步降低内应力，并提高相邻层的结合程度。图12是蜂窝间区域及轮廓一定厚度内三角网格式扫描路径示意图。
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13为两层模板交错布置正三角形的示意图，分别以实线和虚线表示，第三层模板中正六边形的布置位置与第一层相同，第四层模板中正六边形的布置位置与第二层相同，以下类推；同一层中相邻三个正六边形的临近定点的中心对准相邻层的一个正六边形的形心或者相邻三个正六边形的临近定点的中心。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。
综上所述，本发明根据被加工工件截面轮廓的信息，将待扫描区域分成多个互相有一定间距的蜂窝形子区域，计算出蜂窝形子区域内及区域间的扫描路径；根据不同需要，蜂窝形子区域内及区域间的扫描路径可以采用现有各种模式；本发明在加工工艺上控制简单，可以减少制件内应力及形变，提高制件尺寸精度，避免制件开裂现象，增加制件强度。

Claims (7)

1.一种用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）根据被加工工件截面的轮廓信息，将待扫描区域分成多个相互之间存在一定间距的蜂窝形子区域；
（2）计算出蜂窝形子区域内及蜂窝形子区域间的扫描路径；
（3）高能束在计算机控制下按照上述扫描路径进行扫描。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，其特征在于：所述蜂窝形子区域为规则正六边形区域，与被加工工件截面轮廓相交的正六边形区域被轮廓裁剪后呈非规则正六边形区域。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，其特征在于：所述扫描路径的模式为三角网格式、平行扫描线格式中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径对蜂窝形子区域内的粉末材料进行扫描，所述蜂窝形子区域内是指子区域内及边缘处被裁剪后的子区域内。
5.根据权利要求1所述的用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径沿蜂窝形子区域的边界进行扫描。
6.根据权利要求1所述的用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径对蜂窝形子区域间的粉末材料进行扫描；所述蜂窝形子区域间是指子区域之间，以及子区域与边缘处被裁剪后的子区域之间。
7.根据权利要求1所述的用于增材制造的蜂窝式分区扫描方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述高能束在计算机控制下的扫描过程包括由计算机控制高能束按扫描路径沿被加工工件的截面轮廓进行扫描。
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