CN107498052B - 一种用于多激光slm成形装置的负载均衡扫描成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法，包括：(a)针对作为待加工对象的零部件，构建对应的三维模型，并对该模型执行分层切片及离散处理，由此获得每一个离散层的模型轮廓；(b)依照一定的算法，在每两个相邻振镜扫描区的中间重叠区域中找出优化分割线；(c)对完成优化分割后的各个区域实施路径规划和填充，由此完成整体的负载均衡扫描成形过程。通过本发明，可有效解决当前多激光SLM成型设备加工中存在的振镜组工作效率低、温度场分布不均、多激光搭界区域性能恶化等问题，同时具备高效率、高质量和便于操控等特点，因而尤其适用于各类具备复杂内部构造的大型尺寸工件制造应用场合。

Description

一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法。
背景技术
选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是一种金属快速成形方法，其基于快速成型“离散—逐层堆积”的基本思想，使用金属粉末作为加工原材料，按照离散后的三维模型每层的切片形状，在平铺好粉末的基板上利用激光逐层进行扫描成形。成形过程中金属粉末在激光作用下完全熔化后冷却完成冶金结合。由于具备加工周期短、成形质量好、可加工复杂形状机构的金属元件等优点，因此近年来获得了广泛的应用和发展。
目前市面上的选择性激光熔化设备主要使用单激光—振镜系统作为成形光路。然而受限于单振镜系统的工作区域范围，市面上的单激光SLM设备的成型区域仅约250mm×250mm，因此成形工件的尺寸也受到了限制，无法直接加工成形大尺寸零部件。为了解决单激光SLM设备成形工件的尺寸限制问题，CN103071797A提出一种多振镜大幅面选择性激光熔化SLM设备，其中将成形区域划分为四个子区域，每个子区域上设置独立的激光振镜系统，四个激光振镜系统的振镜控制器由中央控制器统一控制。从而可以加工生产出相比于传统设备尺寸扩大四倍的金属工件。此外，CN103658647B提出一种基于四激光双工位的选择性激光熔化设备及加工方法，该设备同样使用四个激光振镜系统，但这四个激光振镜分为两个高功率激光器和两个低功率激光器，每个高功率激光器和低功率激光器组成一组光路系统。然后在移动平台的带动下，两组对称分布的光路系统在两个工位间切换，从而同样将SLM设备的加工范围尺寸扩大四倍。
然而，进一步的研究表明，上述现有技术引入多激光振镜系统后，大尺寸工件模型必然要进行适当的分割，才能将整个模型的扫描任务分解并分派给各个激光振镜系统，让独立的激光振镜系统在中央控制器的调控下完成各自的部分模型扫描任务。也就是说，现有技术仍存在以下值得关注的技术缺陷或不足：一方面，现有技术中的多激光SLM成形设备关于三维模型的分割通常是一种平均分割，仅仅是简单地将模型按照各个激光器的位置进行对称地平均分割，然而三维模型的离散平面中待激光熔化的实体区域并不是空间均匀分布的，而往往具备极度的不均匀性(譬如充满了薄壁、曲线柱状支撑等异形结构)，导致每一个振镜扫描区域的待加工实体部分不仅面积差异巨大(如有的区域是空腔，有的是薄壁，而有的则是细小圆柱面，少数区域为实体)，而且温度场分布也会由此极度分布不均，特别在搭界区由于相邻激光振镜扫描系统扫描时间不一致，导致可能出现球化效应加剧甚至加工失败等情况。另一方面，现有技术中仅仅提出了有关对SLM设备的机械结构方面的改进，如增加激光振镜系统数目或者将光路系统安装在可移动的平台上，来取得工件在物理空间中更大的可加工尺寸，但并未涉及到有关工具如何在三维模型空间的处理技术。
相应地，本领域在引入多激光SLM设备理念后，如何将三维模型更为有效、精确地予以分割，并且同时能够保证各个激光振镜系统的工作负载均衡、达到最优效率，正构成本领域亟待解决的关键技术问题所在。
发明内容
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法，其中通过充分考虑三维模型的几何结构以及多激光振镜系统的性能与特点，将工件离散的每层切面进行更为优化的有效分割，同时可确保每个激光振镜系统在该层离散平面上的工作负载基本相当；与现有技术相比，可有效解决当前多激光SLM成型设备加工中存在的振镜组工作效率低、温度场分布不均、多激光搭界区域性能恶化等问题，同时具备高效率、高质量和便于操控等特点，因而尤其适用于各类具备复杂内部构造的大型尺寸工件制造应用场合。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)针对作为待加工对象的零部件，构建对应的三维模型，并对该模型执行分层切片及离散处理，由此获得每一个离散层的模型轮廓；
(b)当采用多振镜扫描系统对各离散层执行实际工作区域的分割时，依照以下的算法，在每两个相邻振镜扫描区的中间重叠区域中找出优化分割线，该步骤具体包括以下子步骤：
(b1)选择第一离散层作为当前离散层，并将其编号记做i＝1，然后将其对应的每两个相邻振镜扫描区的中间重叠区域的中线作为初始分割线；
(b2)采用初始分割线对当前离散层的实体轮廓进行分割，并将位于该初始分割线两侧的区域分别作为两个相邻振镜的工作区；接着，计算两个区域各自对应的实际加工时间，并将两者的实际加工时间不一致时，进入步骤(b3)执行优化处理，否则直接跳入步骤(b4)；
(b3)对所述两个区域各自对应的实际加工时间计算其差值比例，并依照计算出的差值比例来相应调整初始分割线的左右移动距离，由此实现对分割线的优化处理并进入步骤(b4)；
(b4)令i＝i+1，继续将下一离散层选择为当前离散层，同时将其初始分割线设定为与上一层离散层保持相同；返回循环执行步骤(b2)～(b4)，直至完成所有离散层的分割线优化处理；
(c)对完成优化分割后的各个区域实施路径规划和填充，由此完成整体的负载均衡扫描成形过程。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，优选还可以对完成分割线优化后的当前离散层继续执行下列处理：
首先判断当前使用的分割线与离散层实体轮廓之间的相交性，并计算出发生相交的轮廓环的面积大小；接着，当计算出的轮廓环面积小于或等于预设的阈值时，判定该相交的离散层实体轮廓为小截面轮廓，不允许进行进一步的分割，即将处于当前使用的分割线一侧的面积相对较小的轮廓环与分割线做布尔并运算。
作为进一步优选地，在步骤(b2)中，优选按照加工路径、扫描速度、拐点延迟和空跳速度等参数来计算实际加工时间。
作为进一步优选地，在判断当前使用的分割线与离散层实体轮廓之间的相交性的过程中，优选采用射线法算法进行处理，并计算处发生相交的轮廓环面积大小、以及分割线穿过轮廓环的长度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明在利用多激光SLM成形设备进行逐层堆积成形加工的制造过程中，将设计好的三维模型进行切片离散后，针对每层实体轮廓进行多激光振镜系统工作负载均衡的轮廓分割算法，让分配给各个扫描振镜的子轮廓的扫描时间基本相当；相应与传统平均分割轮廓的方法相比，保证了最终各个区域的激光加工时间基本一致，不会出现一路激光已经加工完毕，还需要等待另一路激光加工完毕的情况，实现加工效率最大化；
2、本发明在实现负载均衡轮廓分割技术的同时，考虑到实际加工中三维模型内部可能出现薄壁、板筋以及柱状支撑等异形结构，提出了对保证负载均衡的分割线进行再优化技术，实现了避免对这类小截面积结构进行分割，从而保证各个激光振镜系统不会因为扫描小面积区域出现短暂、频繁地启停动作，进一步保证了加工效率最大化；
3、本发明在对离散模型每层实体轮廓进行分割时，将各个激光振镜扫描区域在邻接中央部分进行了部分重叠。相比于传统分割算法将各个振镜扫描工作区域完全独立分开，本发明能够保证各个振镜扫描区域的搭界区具有更好的结合强度；
4、按照本发明的工艺方法可显著提高多振镜扫描系统大尺寸SLM装备加工复杂零件的效率，并可显著提高搭界区的加工质量，同时具备高精度、高质量和便于操控等特点，因而尤其适用于各类具备复杂内部构造的大型尺寸工件制造应用场合。
附图说明
图1是按照本发明所构建的用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法的工艺流程图；
图2是用于示范性说明按照本发明的方法加工某一离散层平面轮廓时的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明所构建的用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法的工艺流程图。下面将参照图1，对本发明的工艺流程及改进要点做出具体解释说明。
首先，是三维建模步骤。
针对作为待加工对象的零部件，构建对应的三维模型，并对该模型执行分层切片及离散处理，由此获得每一个离散层的模型轮廓。更具体地，建立待加工零部件的三维模型，譬如获得描述该模型的STL格式文件，并可根据STL文件对模型进行分层切片离散处理，获得每一个离散层的模型轮廓。
其次，是分割线的优化处理步骤。
作为本发明的关键改进所在，当采用多振镜扫描系统对各离散层执行实际工作区域的分割时，本发明考虑到在做当前离散层轮廓的各个振镜扫描系统实际工作区域的分割时，沿着相邻振镜扫描区中间分割事实上往往不能取得令人满意的结果，相应地，本发明基于二分检索和上下层相关性原理，在重叠区域内找到优化的分割线，以此方式来使每个振镜扫描系统加工时间基本一致。
更具体地，该步骤具体包括以下子步骤：
1)选择第一离散层作为当前离散层，并譬如可将其编号记做i＝1，然后将其对应的每两个相邻振镜扫描区的中间重叠区域的中线作为初始分割线；
2)采用初始分割线对当前离散层的实体轮廓进行分割，并将位于该初始分割线两侧的区域分别作为两个相邻振镜的工作区；接着，计算两个区域各自对应的实际加工时间，并将两者的实际加工时间不一致时，进入优化处理操作，否则直接跳入下一离散层的处理：其中对于优化处理而言，本发明提出可对所述两个区域各自对应的实际加工时间计算其差值比例，并依照计算出的差值比例来成比例地相应调整初始分割线的左右移动距离，由此实现对分割线的优化处理；
更具体地，以初始分割线分割当前离散层实体轮廓为该分割线两侧相邻两个振镜的工作区，并计算各个区域的实际加工时间。该实际加工时间例如可按照加工路径，扫描速度、拐点延迟及空跳速度计算，若相邻两个区域加工时间基本一致，则此分割线为优化分割线。
3)令i＝i+1，也即继续将下一离散层选择为当前离散层，同时将其初始分割线设定为与上一层离散层保持相同，此处可利用零件上下层之间一般具备相似性，不会突变的现象，由此能够减少无谓的搜索次数；返回循环执行以上优化处理步骤，直至完成所有离散层的分割线优化处理；
在完成分割线优化处理之后，按照本发明的一个优选实施例，还可以对优化后的分割线进行后续处理。事实上，优化后得到的分割线，已经能够基本保证该分割线两侧相邻两个激光振镜扫描系统额的扫描子区域相当，即工作负载均衡。但是在实际应用中，为了避免将模型内部结构可能存在的、截面积很小的薄壁或支撑结构进一步分割为两个更小的子区域，从而导致振镜扫描启停频繁、效率过低问题，需要对分割线进行再优化，步骤如下：
首先可利用初次优化后得到的分割线对当前层加工轮廓做相交性检测，其算法优选为经典的射线法，由此可计算与分割线相交的轮廓环面积，及分割线穿过轮廓环的长度；接着，如果该轮廓环面积较小，则认定为薄壁或柱状支撑结构，计算轮廓环被该分割线分割后形成的两个子轮廓环的面积，找到子轮廓环面积较小的一个，将分割线与该轮廓环做布尔并运算，由此规避穿越薄壁或柱状支撑的优化分割线，同时避免了振镜扫描小区域造成的频繁启停而带来的效率过低问题。
最后，对完成优化分割后的各个区域实施路径规划和填充，由此完成整体的负载均衡扫描成形过程。
下面将以如图2所示双激光SLM成形装备为例，来示范性说明本载均衡扫描成形技术的工作实施。
图2中，标号1、2分别为双激光SLM成形装备的两个振镜扫描系统。振镜下方平台为工作平台。标号3和4分别为当前离散层中的实体模型轮廓(注，轮廓中阴影线并非扫描路径)。标号6为初步优化的保证负载均衡的分割线，标号5为最终优化后规避了小截面积结构的分割线。标号7和标号8分别为为振镜扫描系统1所负责扫描的区域中不均匀的部分。
如图2所示，双激光SLM成形设备上进行三维模型某一离散层的加工前，先通过如上所述的负载均衡的分割算法来讲实体轮廓进行分割。假设对于该实体轮廓确定的初始轮廓不满足负载均衡性能，因此为了确定最优化分割线5需要经历两个步骤。
更为具体的，首先根据实体轮廓形状，确定初始分割线两侧的子区域面积以及在当前扫描速度下振镜的扫描时间。然后根据两个振镜系统扫描的时间差值，将初始分割线进行左右调整。如振镜1所对应扫描子区域4中的7和8局部，分别有一个凹陷和突出的轮廓特征，导致振镜1在扫描局部特征7时将比振镜2扫描对应位置时更快，振镜1在扫描局部特征8时将比振镜2扫描对应位置慢。因此按照产生的时间差在这些局部特征对应的分割线位置进行调整，从而生成初步优化的负载均衡的分割线6。
此外，在生成的分割线6分割实体内部小截面积的板筋区域时，将把该小截面积区域划分为两部分面积更小的子区域。各个振镜在这两个小区域上扫描时，由于路径极短，导致振镜频繁启停、频繁经历加减速阶段，极大地降低效率。因此在对分割线再优化算法中，将位于右侧区域3中、分割该小截面积区域所得到的、较小面积的子区域的轮廓与分割线进行并运算。并运算前后效果如图2所示，并运算前原分割线应沿着标号6所示位置经过，并运算后最终形成如标号5所示的完全优化分割线。
综上，按照本发明的扫描成形方法与现有技术相比，可有效解决当前多激光SLM成型设备加工中存在的振镜组工作效率低、温度场分布不均、多激光搭界区域性能恶化等问题，同时具备高效率、高质量和便于操控等特点，因而尤其适用于各类具备复杂内部构造的大型尺寸工件制造应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于多激光SLM成形装置的负载均衡扫描成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)针对作为待加工对象的零部件，构建对应的三维模型，并对该模型执行分层切片及离散处理，由此获得每一个离散层的模型轮廓；
(b)当采用多振镜扫描系统对各离散层执行实际工作区域的分割时，依照以下的算法，在每两个相邻振镜扫描区的中间重叠区域中找出优化分割线，该步骤具体包括以下子步骤：
(b1)选择第一离散层作为当前离散层，并将其编号记做i＝1，然后将其对应的每两个相邻振镜扫描区的中间重叠区域的中线作为初始分割线；
(b2)采用初始分割线对当前离散层的实体轮廓进行分割，并将位于该初始分割线两侧的区域分别作为两个相邻振镜的工作区；接着，计算两个区域各自对应的实际加工时间，并将两者的实际加工时间不一致时，进入步骤(b3)执行优化处理，否则直接跳入步骤(b4)；
(b3)对所述两个区域各自对应的实际加工时间计算其差值比例，并依照计算出的差值比例来相应调整初始分割线的左右移动距离，由此实现对分割线的优化处理并进入步骤(b4)；
(b4)令i＝i+1，继续将下一离散层选择为当前离散层，同时将其初始分割线设定为与上一层离散层保持相同；返回循环执行步骤(b2)～(b4)，直至完成所有离散层的分割线优化处理；
(c)对完成优化分割后的各个区域实施路径规划和填充，由此完成整体的负载均衡扫描成形过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，对完成分割线优化后的当前离散层继续执行下列处理：
首先判断当前使用的分割线与离散层实体轮廓之间的相交性，并计算出发生相交的轮廓环的面积大小；接着，当计算出的轮廓环面积小于或等于预设的阈值时，判定该相交的离散层实体轮廓为小截面轮廓，不允许进行进一步的分割，即将处于当前使用的分割线一侧的面积相对较小的轮廓环与分割线做布尔并运算。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b2)中，按照加工路径、扫描速度、拐点延迟和空跳速度这些参数来计算实际加工时间。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在判断当前使用的分割线与离散层实体轮廓之间的相交性的过程中，采用射线法算法进行处理，并计算出发生相交的轮廓环面积大小、以及分割线穿过轮廓环的长度。
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