CN107803987B - 用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备 - Google Patents

用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备 Download PDF

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Abstract

一种用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备，其中，自适应分层处理方法包括：将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息；切片软件根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值；根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚。本发明可根据工件各层切片信息的细节特征实现不同层厚的智能切片，从而不仅提高了增材制造成型工件表面质量，同时还兼顾打印效率。

Description

用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备。
背景技术
增材制造技术（Additive Manufacturing，简称AM）也称为3D打印，是一项具有数字化制造、高度柔性和适应性、直接CAD模型驱动、快速、材料类型丰富多样等鲜明特点的先进制造技术，自二十世纪八十年代末发展至今，己成为现代先进制造技术中的一项支柱技术。选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是近年来发展最为迅速的增材制造技术之一，其以粉末材料为原料，采用激光对三维实体的截面进行逐层扫描完成原型制造，不受工件形状复杂程度的限制，不需要任何的工装模具，应用范围广。
在SLM工艺中，一般需在前处理软件中对工件三维模型进行切片处理，得到工件每一层打印的信息，并规划激光扫描路径。在打印过程中送粉装置将一定量粉末送至工作台面，铺粉刮刀将一层粉末材料平铺在成型缸已成型工件的上表面，振镜系统控制激光器按照该层的截面轮廓，根据之前规划好的扫描路径对实心部分粉末层进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接；当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉刮刀又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。
现有技术，工件三维模型在进行切片处理时，切片的厚度为固定值。当切片厚度越厚，加工的速率越高，但打印工件时形成的台阶纹路越深，表面质量越差，如图1所示，有些部位台阶痕迹2明显，有些部位不够一个切片层厚时这些细节特征会直接丢失（如图1所示的细节缺失部位3），这些不足均严重影响后续打印质量，即工件的真实轮廓1失真很大；而当切片厚度越薄，打印工件时形成的梯形纹路越浅，表面质量越好，但加工的效率则会大大降低。此外，基于同一层厚切片所打印出来的工件在密度、表面质量和性能上也无法实现差异化，从而不能得到很好地应用。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种可提高增材制造成型工件表面质量，同时兼顾打印效率，还可实现工件在密度、表面质量和性能上的差异化的用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于增材制造的自适应分层处理方法，包括以下步骤：
步骤一、将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息，其中，初始两层的前一层为当前层的上一层，初始两层的后一层为当前层；
步骤二、切片软件根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；
步骤三、分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值，其中，m为当前层的上一层的切片轮廓上所有特征点中距离大于或等于K*t1的个数，n为当前层的上一层的切片轮廓上的特征点总数量，t1为初始层厚，K为系数；
步骤四、根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚。
作为本发明的进一步优选方案，根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚具体包括：
当C值大于或等于给定值时，且当前层的层厚大于预设层厚最小值时，采用小于当前层层厚的层厚值对当前层进行重新切片，并返回执行步骤二；当C值小于给定值时，当前层的层厚不变，采用预设的初始层厚对STL模型的当前层的下一层进行切片，且该当前层的下一层更新为当前层，当前层更新为当前层的上一层，并返回执行步骤二。
作为本发明的进一步优选方案，分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离具体包括：
计算每一个特征点在X、Y方向与当前层的切片轮廓距离分别记为Δxi，Δyi；
令Δdi=min（Δxi，Δyi），所述Δdi为当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离。
作为本发明的进一步优选方案，所述K的范围是1-1.732。
作为本发明的进一步优选方案，所述给定值的范围是0.3-0.7。
本发明还提供了 一种用于增材制造的自适应分层处理系统，该系统包括：
初始切片模块，用于将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息，其中，初始两层的前一层为当前层的上一层，初始两层的后一层为当前层；
提取特征点模块，用于根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；
计算模块，用于分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值，其中，m为当前层的上一层的切片轮廓上所有特征点中距离大于或等于K*t1的个数，n为当前层的上一层的切片轮廓上的特征点总数量，t1为初始层厚，K为系数；以及
处理模块，用于根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚。
作为本发明的进一步优选方案，所述处理模块包括：
第一处理单元，用于当C值大于或等于给定值时，且当前层的层厚大于预设层厚最小值时，采用小于当前层层厚的层厚值对当前层进行重新切片；以及
第二处理单元，用于当C值小于给定值时，当前层的层厚不变，采用预设的初始层厚对STL模型的当前层的下一层进行切片，且该当前层的下一层更新为当前层，当前层更新为当前层的上一层。
作为本发明的进一步优选方案，所述计算模块包括：
计算单元，用于计算每一个特征点在X、Y方向与当前层的切片轮廓距离分别记为Δxi，Δyi；
取值单元，用于令Δdi=min（Δxi，Δyi），所述Δdi为当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离。
作为本发明的进一步优选方案，所述给定值的范围是0.3-0.7。
本发明又提供了一种增材制造设备，包括上述任一项所述的用于增材制造的自适应分层处理系统。
本发明的用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备，通过包括：首先，将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息，其中，初始两层的前一层为当前层的上一层，初始两层的后一层为当前层；其次，切片软件根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；其次，分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值，其中，m为当前层的上一层的切片轮廓上所有特征点中距离大于或等于K*t1的个数，n为当前层的上一层的切片轮廓上的特征点总数量，t1为初始层厚；最后，根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚，使得本发明的用于增材制造的自适应分层处理方法、系统及增材制造设备可根据工件各层切片信息的细节特征实现不同层厚的智能切片，从而不仅提高了增材制造成型工件表面质量，同时还兼顾打印效率，而且还实现了工件在密度、表面质量和性能上的差异化，即大大提高了工件的应用范围。
附图说明
图1为现有技术工件的STL切片示意图；
图2为本发明用于增材制造的自适应分层处理方法提供的一实施例的方法流程图；
图3为本发明用于增材制造的自适应分层处理方法提供的一优选实施例的方法流程示意图；
图4为本发明用于增材制造的自适应分层处理方法中的相邻两层特征点之间Δxi、Δyi计算示意图；
图5为本发明用于增材制造的自适应分层处理方法提供的一实施例的工件的STL切片示意图；
图6为本发明用于增材制造的自适应分层处理系统提供的一实施例的结构框图。
图1，图4和图5中标记如下：
1、真实轮廓，2、台阶痕迹，3、细节缺失部位，4、第1层的切片轮廓，5、第2层的切片轮廓。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，以下将结合说明书附图和具体实施例做进一步详细说明。
图2为本发明用于增材制造的自适应分层处理方法提供的一实施例的方法流程图，如图2所示，用于增材制造的自适应分层处理方法，包括以下步骤：
步骤21、将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息，其中，初始两层的前一层为当前层的上一层，初始两层的后一层为当前层；
步骤22、切片软件根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；该步骤22中提取的特征点个数可根据需求选定，因为特征点选取的越多，计算越精准，但计算速度越慢，因此可优选100个以上特征点。
步骤23、分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值，其中，m为当前层的上一层的切片轮廓上所有特征点中距离大于或等于K*t1的个数，n为当前层的上一层的切片轮廓上的特征点总数量，t1为初始层厚；
该步骤23中，分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离具体通过以下步骤实现：
计算每一个特征点在X、Y方向与当前层的切片轮廓距离分别记为Δxi，Δyi；
令Δdi=min（Δxi，Δyi），所述Δdi为当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离。
在此需说明的是，上述步骤23中的分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离还可以采用现有技术的其它方法实现，在此不做具体阐述。
具体地，所述K为系数，且K＞1，其具体数值可由设计人员根据实际情况确定，例如其范围可为1-1.732。
步骤24、根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚。
该步骤24中，根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚具体通过以下方式实现：
当C值大于或等于给定值时，且当前层的层厚大于预设层厚最小值时，采用小于当前层层厚的层厚值对当前层进行重新切片，并返回执行步骤22；当C值小于给定值时，当前层的层厚不变，采用预设的初始层厚对STL模型的当前层的下一层进行切片，且该当前层的下一层更新为当前层，当前层更新为当前层的上一层，并返回执行步骤22。
具体地，所述C值为一个比例参数，用于表征相邻两层的切片轮廓之间的偏差程度，例如当偏差程度较小时，则不需对下一层进行较小层厚的切片处理；而当偏差程度较大，则需要对下一层进行较小层厚的切片处理，另外，所述给定值为一临界值，其范围可为0.3-0.7。
在此需说明的是，上述步骤24中，当C值大于或等于给定值时，且当前层的层厚大于预设层厚最小值，表示经过多次减小层厚切出来的新的切片轮廓与上一层切片轮廓偏差度c值仍然不在定义范围内，此时则采用最小层厚tmin作为该层切片的切片层厚，以避免程序无限制运行，且进一步提高方案的可行性。
本发明用于增材制造的自适应分层处理方法还提供了一优选实施例，该实施例包括以下步骤：
在执行下述步骤之前，首先可在切片软件中预存一系列从大到小的标准切片层厚度，如t1，t2....tmin，每一种层厚都对应一种不同的烧结工艺参数包，以供当需要对每次切片轮廓进行重新切片时按照上述顺序依次调用，优选地，t1，t2....tmin呈等差递减数列。
步骤31，将待打印工件的STL格式工件导入切片软件中，切片软件根据标准层厚t1（t1值可为0.03mm）对工件三维模型进行切片处理，首先得到工件初始两层切片信息，即第1层（i=1）的切片信息和第2层（i+1=2）的切片信息。
步骤32，切片软件根据切片信息提取出第1层的切片轮廓4和第2层的切片轮廓5，并在第1层的切片轮廓4上按一定规则（优选地，均匀分布）提取出n（n＞100）个特征点，如图4中所示的部分特征点。
步骤33，分别计算第1层的切片轮廓4上的每一个特征点到在X、Y方向与第2层的切片轮廓5距离分别记为,Δxi（i=1，2...n），Δyi(i=1，2...n)，并令Δdi=min（Δxi，Δyi）（i=1，2...n），如图4中特征点所示。（说明：对于某一个特征点的X或Y方向上都有有两个轮廓偏差值，这里选取其中较小的一个值作为Δxi或Δyi值），该Δdi为第1层的切片轮廓4上的每一个特征点到第2层的切片轮廓5距离。
步骤34，将每一个Δdi数值与层厚的倍数K*t1进行比较，其中K为系数，且K≥1，其具体数值可以根据实际情况约定。
步骤35，统计Δdi（i=1，2...n）中数值超过K*t1的个数为m，计算m/n数值，令c=m/n，并定义c为相邻轮廓偏差度，当c值超过某一设定的给定值（该给定值为α）时就对第2层做更小的层厚切片处理，即采用层厚为t2对第2层进行重新切片，当0≤c＜α时，表明偏差程度小，此时不需对第2层进行小层厚切片处理，即第2层扔按原来的标准层厚t1处理。
步骤36，将采用层厚为t2对第2层进行重新切片得到的新的第2层的切片轮廓5再与第1层的切片轮廓4进行对比，即重复上述步骤32至步骤35，若用t2层厚切出来的第2层新切片轮廓与第1层的切片轮廓4之间的相邻轮廓偏差度c值仍然不满足给定值（即0≤c＜α），此时就用更小层厚t3值去切，如此循环，直到用更小层厚切出来的新的第2层切片轮廓与第1层的切片轮廓4偏差度c值在定义范围内。当然，若一直用到最小层厚tmin所切出来的新的第2层切片轮廓与第1层的切片轮廓4偏差度c值仍然不在定义范围内，此时默认用tmin层厚来对第2层切片。
步骤37，采用标准层厚t1剖切得到第3层，此时重复上述步骤32至步骤36，得出经智能剖切后的第3层。
步骤38，依次类推，采用上述方法依次得到第4层、第5层等等，直到将整个工件都剖分完为止。
可以理解的是，本发明对工件的第一层采用标准层厚t1切片，其它层厚均参照上述方法智能得到，如图3所示，该图3中仅仅示出了某一当前层层厚的确定方法。这样当STL格式工件用智能切片方式剖分完成后，如图5中所示，从图5中可以看出其台阶痕迹明显减少，细节部位被最大限度的保留。然后便可针对该方法得到的不同层厚，剖分软件进行适用于该层厚的扫描路径规划，以使在烧结过程中调取对应层厚的参数包进行烧结，从而便可以得到非均匀的增材制造部件。
如图6所示，本发明还提供了 一种用于增材制造的自适应分层处理系统，该系统包括：
初始切片模块61，用于将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息，其中，初始两层的前一层为当前层的上一层，初始两层的后一层为当前层；
提取特征点模块62，用于根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；
计算模块63，用于分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值，其中，m为当前层的上一层的切片轮廓上所有特征点中距离大于或等于K*t1的个数，n为当前层的上一层的切片轮廓上的特征点总数量，t1为初始层厚；以及
处理模块64，用于根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚。
具体地，所述处理模块64包括：
第一处理单元，用于当C值大于或等于给定值时，且当前层的层厚大于预设层厚最小值时，采用小于当前层层厚的层厚值对当前层进行重新切片；以及
第二处理单元，用于当C值小于给定值时，当前层的层厚不变，采用预设的初始层厚对STL模型的当前层的下一层进行切片，且该当前层的下一层更新为当前层，当前层更新为当前层的上一层。
具体地，所述C值为一个比例参数，用于表征相邻两层切片轮廓之间的偏差程度，例如当偏差程度较小时，则不需对下一层进行较小层厚的切片处理；而当偏差程度较大，则需要对下一层进行较小层厚的切片处理，另外，所述给定值为一临界值，其范围可为0.3-0.7。
具体地，所述计算模块63包括：
计算单元，用于计算每一个特征点在X、Y方向与当前层的切片轮廓距离分别记为Δxi，Δyi；
取值单元，用于令Δdi=min（Δxi，Δyi），所述Δdi为当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离。
具体地，所述K为系数，且K＞1，其具体数值可由设计人员根据实际情况确定，例如其范围可为1-1.732。
本发明又提供了一种增材制造设备，该增材制造设备包括上述任一实施例所述的用于增材制造的自适应分层处理系统。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均应属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明原理前提下的若干修改和修饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于增材制造的自适应分层处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息，其中，初始两层的前一层为当前层的上一层，初始两层的后一层为当前层；
步骤二、切片软件根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；
步骤三、分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值，其中，m为当前层的上一层的切片轮廓上所有特征点中距离大于或等于K*t1的个数，n为当前层的上一层的切片轮廓上的特征点总数量，t1为初始层厚，K为系数；
步骤四、根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚；
所述根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚具体包括：
当C值大于或等于给定值时，且当前层的层厚大于预设层厚最小值时，采用小于当前层层厚的层厚值对当前层进行重新切片，并返回执行步骤二；当C值小于给定值时，当前层的层厚不变，采用预设的初始层厚对STL模型的当前层的下一层进行切片，且该当前层的下一层更新为当前层，当前层更新为当前层的上一层，并返回执行步骤二；其中，
所述方法还包括：
在执行上述步骤之前，在切片软件中预存一系列从大到小的标准切片层厚度，每一种层厚都对应一种不同的烧结工艺参数包，以供当需要对每次切片轮廓进行重新切片时按照上述顺序依次调用。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的自适应分层处理方法，其特征在于，分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离具体包括：
计算每一个特征点在X、Y方向与当前层的切片轮廓距离分别记为Δxi，Δyi；
令Δdi=min（Δxi，Δyi），所述Δdi为当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离。
3.根据权利要求1或2所述的用于增材制造的自适应分层处理方法，其特征在于，所述K的范围是1-1.732。
4.根据权利要求3所述的用于增材制造的自适应分层处理方法，其特征在于，所述给定值的范围是0.3-0.7。
5.一种用于增材制造的自适应分层处理系统，其特征在于，包括：
初始切片模块，用于将待打印工件的STL模型导入切片软件，采用预设的初始层厚对STL模型进行初始两层切片，并得到初始两层的切片信息，其中，初始两层的前一层为当前层的上一层，初始两层的后一层为当前层；
提取特征点模块，用于根据切片信息提取出当前层的上一层和当前层的切片轮廓，并在当前层的上一层的切片轮廓上提取若干个特征点；
计算模块，用于分别计算当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离，并根据公式C=m/n计算C值，其中，m为当前层的上一层的切片轮廓上所有特征点中距离大于或等于K*t1的个数，n为当前层的上一层的切片轮廓上的特征点总数量，t1为初始层厚，K为系数；
以及处理模块，用于根据C值与给定值的比较，调节并确定当前层的层厚；所述处理模块包括：
第一处理单元，用于当C值大于或等于给定值时，且当前层的层厚大于预设层厚最小值时，采用小于当前层层厚的层厚值对当前层进行重新切片；以及
第二处理单元，用于当C值小于给定值时，当前层的层厚不变，采用预设的初始层厚对STL模型的当前层的下一层进行切片，且该当前层的下一层更新为当前层，当前层更新为当前层的上一层；其中，
所述系统还包括：
在切片软件中预存一系列从大到小的标准切片层厚度，每一种层厚都对应一种不同的烧结工艺参数包，以供当需要对每次切片轮廓进行重新切片时按照顺序依次调用。
6.根据权利要求5所述的用于增材制造的自适应分层处理系统，其特征在于，所述计算模块包括：
计算单元，用于计算每一个特征点在X、Y方向与当前层的切片轮廓距离分别记为Δxi，Δyi；
取值单元，用于令Δdi=min（Δxi，Δyi），所述Δdi为当前层的上一层的切片轮廓上的每一个特征点到当前层的切片轮廓距离。
7.根据权利要求5或6所述的用于增材制造的自适应分层处理系统，其特征在于，所述给定值的范围是0.3-0.7。
8.一种增材制造设备，其特征在于，包括权利要求5-7任一项所述的用于增材制造的自适应分层处理系统。
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