CN108637252B

CN108637252B - 基于slm技术的3d打印扫描方法及3d打印机

Info

Publication number: CN108637252B
Application number: CN201810468771.1A
Authority: CN
Inventors: 肖猛; 王凯; 高雪松
Original assignee: Nanjing Institute of Advanced Laser Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Advanced Laser Technology
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: CN108637252A

Abstract

本发明涉及3D打印技术领域。本发明一实施例提供一种基于SLM技术的3D打印扫描方法及3D打印机，该方法包括：解析待3D打印的模型文件以确定关于打印对象的连通的实体截面；根据实体截面生成多个网格实体区域，并根据多个网格实体区域确定相应的初始扫描路径；确定多个网格实体区域各自模拟在以初始扫描路径执行扫描时的增温情况，并基于增温情况调整针对多个网格实体区域的扫描顺序；基于调整扫描顺序后的初始扫描路径，生成最终扫描路径以待被执行针对多个网格实体区域的扫描。由此通过模拟验证初始扫描路径的热应力情况，并据此调整针对路径下各个网格实体区域的扫描顺序，解决了因热应力所导致的零件的变形及翘曲的技术问题。

Description

基于SLM技术的3D打印扫描方法及3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体地涉及一种基于SLM技术的3D打印扫描方法及3D打印机。

背景技术

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)技术是金属3D打印的一种，其成型原理是将设计的三维模型离散成一层一层的轮廓信息，控制激光束扫描金属粉末形成熔道，熔道相互搭接形成层面，逐个层面堆叠成三维金属零件。与传统制造技术相比，SLM技术突出的优点之一是几乎可以直接成型任意复杂结构且具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达到近乎100％，其应用范围已拓展到生物医疗、航空航天、汽车等领域。

目前，采用SLM技术打印金属3D零件时由于热应力问题导致的工件翘曲是影响打印精度的最主要问题，打印时激光能量在扫描的局部范围内积累，并随着打印区域的变化而逐步移动，在打印平面内，温度场始终保持着当前扫描区域内温度高，而周围温度低的非均衡状态，温度场的非均匀分布及变化造成零件各部分在打印过程中出现热应力，局部范围内温度梯度过大时将使材料因热应力发生塑性变形，导致打印零件在冷却后内部仍保留热残余应力，造成零件的变形、翘曲。针对该问题，当前主要依靠对打印工艺参数的调整来控制打印件的热翘曲问题，但改善效果有限，并且对于部分材料而言，其工艺参数调整空间不大。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于SLM技术的3D打印扫描方法、3D打印机及机器可读存储介质，以解决现有技术中因热应力所导致的零件的变形及翘曲的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于SLM技术的3D打印扫描方法，包括：解析待3D打印的模型文件以确定关于打印对象的连通的实体截面；根据所述实体截面生成多个网格实体区域，并根据所述多个网格实体区域确定相应的初始扫描路径；确定所述多个网格实体区域各自模拟在以所述初始扫描路径执行扫描时的增温情况，并基于所述增温情况调整针对所述多个网格实体区域的扫描顺序；基于调整扫描顺序后的初始扫描路径，生成最终扫描路径以待被执行针对所述多个网格实体区域的扫描。

本发明实施例另一方面提供一种机器可读存储介质，所述可读存储介质中存储有指令，所述指令用于控制机器执行本申请上述的基于SLM技术的3D打印扫描方法。

本发明实施例还一方面提供一种3D打印机，该3D打印机用于执行本申请上述的基于SLM技术的3D打印扫描方法。

通过上述技术方案，解析待3D打印模型文件的实体截面，将该实体截面划分为多个网格实体区域，并依据该多个网格实体区域确定相应的初始扫描路径，模拟扫描各个网格区域并确定其在模拟扫描过程中的增温情况，并基于该增温情况来调整初始路径的扫描顺序，并以此生成最终的扫描路径。由此，通过模拟验证初始扫描路径的热应力情况，并据此调整针对路径下各个网格实体区域的扫描顺序，解决了因热应力所导致的零件的变形及翘曲的技术问题，提高了3D打印出来的工件的精确度。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法的流程图；

图2示出的是对STL模型切片得到的封闭轮廓的示例；

图3是本发明一实施例的拓扑重构网格实体截面的流程的示例；

图4是本发明一实施例的水平线切割实体截面的示例；

图5是本发明一实施例的拓扑重构的网格实体截面的示例；

图6是在一工况下本发明一实施例的拓扑重构网格实体截面的流程的示例；

图7是本发明一实施例的初始扫描路径确定方法的流程图；

图8是本发明一实施例的调整针对网格实体区域的扫描顺序的流程图；

图9是本发明一实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法的流程图；

图10A示出了本发明实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法在第一打印阶段的效果示意图；

图10B示出了本发明实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法在第二打印阶段的效果示意图；

图10C示出了本发明实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法在第三打印阶段的效果示意图；

图10D示出了本发明实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法在第四打印阶段的效果示意图；

图10E示出了本发明实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法在第五打印阶段的效果示意图；

图10F示出了本发明实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法在第六打印阶段的效果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，本发明一实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法，包括：

S11、获取待3D打印的模型文件。

具体的，该待3D打印的模型文件例如可以是STL类型的文件，但也可以是其他类型的3D打印模型文件，在此应不作限定。另外，关于该获取方式，可以是向3D打印机中导入相应的模型文件。

S12、解析待3D打印的模型文件以确定关于打印对象的连通的实体截面。

具体的，该实体截面的确定过程，可以是通过统计待3D打印的模型文件中各个轮廓之间的被包含次数，将所有被包含偶数次的轮廓确定为实体截面的外轮廓，并将所有被包含奇数次的轮廓确定为实体截面的内轮廓。

如图2所示，通过对STL模型切片得到的封闭轮廓进行分组，得到连通的实体截面（因为是对STL文件进行切片，将得到由直线构成的封闭轮廓），具体可以是统计各个轮廓之间的被包含次数，所有被包含偶数次（N）的轮廓为实体截面的外轮廓，所有被外轮廓包含且被包含次数为N-1次的轮廓则为对应的实体截面的内轮廓，由此可以确定分层后所有的实体截面。如图3所示，轮廓3和轮廓4相对应，分别为模型实体截面最外圈结构的外轮廓和内轮廓；轮廓5和轮廓6是内圈结构的外轮廓和内轮廓，其中，轮廓3被包含的次数是0次，轮廓4被轮廓3包含1次，轮廓5分别被轮廓3和轮廓4包含1次（其一共被包含2次），轮廓6分别被轮廓3、轮廓4和轮廓5包含1次（其一共被包含3次），由此可统计出各个轮廓的被包含次数以及关于该次数的奇偶性。

S13、根据实体截面生成多个网格实体区域，并根据多个网格实体区域确定相应的初始扫描路径。

具体的，可以是通过对实体截面进行切割来生成多个网格实体区域，并基于切割线与实体截面的交点拓扑重构网格实体截面。作为示例，可以是参照如下的图3所示的描述来实现的：S131、确定实体截面所包含的最小形状单元。S132、基于最小形状单元将实体截面在水平或竖直方向上以等间距进行切割和拓扑重构，以确定网格实体截面。

具体的，可以是通过以下流程来实现的：基于间距相等的水平线和竖直线切割实体截面（该水平线和竖直线之间所限定的区域可以对应于最小形状单元），并确定实体截面的各个封闭轮廓与其范围内的水平线或竖直线的交点，每一交点配置有对应于水平线或竖直线切割方向上的交点序号。按照水平方向或竖直方向对所有交点进行排序，并根据排序结果和交点序号生成交点链表。基于交点在交点链表中交点序号的奇偶性和该交点相对于重构切割线的相对位置关系，拓扑重构网格实体截面。

并且，为了防止交点在拓扑的过程中被遗漏，可以是通过用于指示交点是否已被重构的交点重构状态来拓扑重构所有的交点，例如当该交点已经被重构时会被标记上相应的交点重构状态。

作为示例，可以是通过遍历实体截面外轮廓的顶点获取实体截面的范围，即包含实体截面的最小矩形；然后以实体截面最小包含矩形左下角点坐标为基准，依次分别以等间距的水平和竖直切割线对实体进行切割和拓扑重构，切割和拓扑重构的效果示意图可参照图4和5所示，在图4中切割线水平方向上与实体截面相交，按照顺序产生4个奇偶性不同的交点（交点1-4）。如图6示出了切割拓扑重构流程，其具体包括：

Ⅰ) 求取实体截面中的每个轮廓与其范围内的水平线（或竖直线）的交点，每个交点包含一个标志bHasBeenThrough表示在拓扑重构时是否经过了该交点，初始值为FALSE；若没有交点，该实体截面没有被切割到，无需进行拓扑重构；若存在交点，找出实体截面中与切割线不相交的轮廓，将其直接添加到轮廓重构链表PolyArray中。

Ⅱ) 遍历所有交点，如果可以找到bHasBeenThrough标志为FALSE的交点，则将其作为当前交点vIntersCur，并新建一个Poly2add对象用以存储重构后的轮廓线段，转到步骤Ⅲ）；如果全部交点bHasBeenThrough标志都为TRUE，跳到上一层的步骤V）执行。

Ⅲ) 检查当前交点vIntersCur的bHasBeenThrough标志是否为TRUE，是则切割后的轮廓已经封闭，记录并添加此轮廓到链表PolyArray中；跳到步骤II）开始执行；若标志为FALSE，则将其标志为TRUE，并跳到步骤IV）执行；

Ⅳ) 检查当前交点vIntersCur在排序后（水平分割按X坐标升序，竖直分割按Y坐标升序排列）交点链表中的位置：(1)若重构水平切割线以上（或竖直切割线以左）的轮廓且交点为奇数则由该点跳到下一个偶数交点，添加此两交点所构成的直线到Poly2add中，并将偶数交点作为当前交点vIntersCur，跳到步骤III）执行；(2)若重构水平切割线以下（或竖直切割线以右）轮廓且交点为偶数则由该点跳到前一个奇数交点，添加此两交点的所构成的直线到Poly2add中，并将奇数交点作为当前交点vIntersCur，跳到步骤III）执行；(3)若是其他情况则沿当前轮廓前进直到遇到第一个出现的交点，添加由当前交点到新出现交点过程中经过的所有轮廓线段，并将新获得的交点作为当前交点vIntersCur，跳到步骤III）执行。

Ⅴ) 对切割和拓扑重构后得到的所有封闭轮廓的链表PolyArray进行分组，得到由棋盘网格划分而成的实体截面链表SS_Split_Array。其中，该实体截面的求取过程可以参照上文实施例中通过解析待3D打印的模型所采用的方法。

S133、根据网格实体截面的属性，确定初始扫描路径。

具体的，可以是判断网格实体截面上的所有网格实体区域总和是否为奇数；若为奇数，则获取网格实体截面在竖直方向的范围，从最小竖直值开始以扫描间距为单位使用水平线迭代切割所述网格实体截面，以及若为偶数，则获取网格实体截面在水平方向的范围，从最小水平值开始以扫描间距为单位使用竖直线迭代切割网格实体截面；按照水平值或竖直值的大小将交点进行排序，并将从奇数的交点序号所对应的交点到偶数交点序号所对应的交点之间的线段确定为扫描线段；以及根据该排序的结果和扫描线段，确定初始扫描路径。

在一实际的应用工况下，可以对SS_Split_Array链表中的每个正方形网格实体截面进行直线填充；若截面所在的正方形网格的水平方向序号和竖直方向序号之和为奇数，则按水平方向生成路径；否则按竖直方向生成路径，生成水平（或竖直）扫描路径。具体的，可以是通过以下如图7所示的方式来确定初始扫描路径：S71、通过遍历每个网格划分实体截面外轮廓的顶点获取实体截面在Y方向（对应水平填充）或X方向（对应竖直填充）的范围，从范围最小值开始，每次增加一个扫描间距，使用水平线（或竖直线）对实体截面进行切割。S72、求出每条水平线（或竖直线）与实体截面各个轮廓的交点并按照X（竖直线对应Y）大小进行排序，添加奇数交点到偶数交点之间的直线为扫描线。

S14、确定多个网格实体区域各自模拟在以初始扫描路径执行扫描时的增温情况，并基于增温情况调整针对多个网格实体区域的扫描顺序。如图8所示，具体可以通过以下方式来调整针对网格实体区域的扫描顺序：S81、计算多个网格区域按照所述初始扫描路径进行模拟扫描过程中的温度。正被模拟扫描的目标网格实体区域内的增温△T_增1通过以下方式来计算：

△T_增1=AreaLen×k

其中，AreaLen表示目标网格实体区域的扫描线段长度，k表示增温比例系数；邻近所述目标网格实体区域的增温△T_增2通过以下方式来计算：

△T_增2=AreaLen×k/((d/Mz)^2)

其中，d表示距目标网格实体区域的中心位置的距离，Mz表示网格大小；以及所有的网格实体区域的降温△T_降通过以下方式来计算：

△T_降=( AreaLen / V)×T_温差×Co

其中T_温差表示网格实体区域相对于预设定的室温的温差，Co表示降温系数，V表示扫描速度。S82、当存在第一网格实体区域中的温度超过预定的温度阈值时，调整扫描顺序以尝试扫描当前温度低于所述温度阈值的第二网格实体区域。

S15、基于调整扫描顺序后的初始扫描路径，生成最终扫描路径以待被执行针对所述多个网格实体区域的扫描。

在本发明实施例中，通过模拟扫描过程中的温度变化，决定每一个网格实体截面扫描路径的存储顺序。关于温度计算过程中的一些细节，可以是计算每一个网格实体内扫描线段的总长AreaLen和其所在的中心点(通过对扫描线段中心点坐标按长度加权平均得到)，并将网格实体温度值AreaTemp初始化为室温AtmosphereTemp（例如可以设置为20℃或其他值）。优选的，若存在未存储扫描路径的网格，则在所有还未存储的网格实体截面中随机选取一个，检查其网格温度AreaTemp，若未超过设定值TempSet（本文中为100℃），则选此网格内的实体截面进行存储，并跳转到c）进行温度模拟，其包括对正扫描的网格实体区域、相邻的网格实体区域（正扫描实体区域周围的实体区域，例如附近10个网格）的升温模拟，和对所有的网格实体区域的降温模拟，并最后综合得到最终的所模拟的温度值。

如图9所示，其示出了本发明一实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法，其具体包括：

1）读取STL文件，并进行切片以获取分层后的封闭轮廓。

2）统计各封闭轮廓之间的被包含次数，进行轮廓分组以得到实体截面。

3）对每一个实体截面，遍历其外轮廓构成线段，找出其最小包含矩形。

4）以最小矩形左下角点为基准，分别以等间距的水平线和竖直切割线对实体截面进行切割和拓扑重构。

5）将重构所得到的轮廓链表进行分组，得到网络划分后的网格实体截面。

6）判断网格实体截面水平方向和竖直方向序号之和为奇数。

7）当步骤6）中的结果为是时，获取网络实体在Y方向的范围，从最小Ymin开始，每次增加一个扫描间距，使用水平线对截面进行切割；当步骤6）中的判断结果为否时，获取网络实体在X方向的范围，从最小Xmin开始，每次增加一个扫描间距，使用竖直线对截面进行切割。

8）求出每条水平线（或竖直线）与实体截面各个轮廓的交点并按照X（竖直线对应Y）大小进行排序，添加奇数交点到偶数交点之间的直线为扫描线。

9）计算每个实体网格的扫描线段的长度、中心，并将实体网格的温度初始化为指定温度。

10）判断是否存在存储路径的网络实体。

11）若存在，则随机选择一个存储且未进行选择尝试的网格实体。

12）判断网格实体内的温度是否小于预设值的温度阈值。

具体的，关于温度计算过程的细节，可以参照上文所描述的温度计算公式模型进行，在此便不赘述。

13）若小于，则将此网格作为扫描路径线段进行存储；若大于或等于，则持续多次判断网格实体内的温度是否都小于或等于温度阈值。

14）若多次判断结果都为是，则选择温度最低的一个网格实体替代当前网格作为扫描路径线段进行存储。

如图10A-F顺序示出了本发明实施例的基于SLM技术的3D打印扫描方法在不同打印阶段的效果示意图，其示出了分区块执行扫描操作，能有效消除热应力对3D打印工件的精确度的影响。

本发明实施例另一方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令（例如软件程序指令等），该指令用于使得机器执行本申请上述的基于SLM技术的3D打印扫描方法。另外，本发明实施例又一方面提供一种3D打印机，该3D打印机用于执行本申请上述的基于SLM技术的3D打印扫描方法。

关于本发明实施例的3D打印机及机器可读存储介质的更具体的细节和效果可以参照上文关于方法实施例的描述，在此便不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器（processor）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims

1.一种基于SLM技术的3D打印扫描方法，包括：

解析待3D打印的模型文件以确定关于打印对象的连通的实体截面；

根据所述实体截面生成多个网格实体区域，并根据所述多个网格实体区域确定相应的初始扫描路径；

确定所述多个网格实体区域各自模拟在所述初始扫描路径执行扫描时的增温情况，并基于所述增温情况调整针对所述多个网格实体区域的扫描顺序；所述扫描顺序包括：

计算多个网格区域按照所述初始扫描路径进行模拟扫描过程中的温度；

当存在第一网格实体区域中的温度超过预定的温度阈值时，调整扫描顺序以尝试扫描当前温度低于所述温度阈值的第二网格实体区域；

基于调整所述扫描顺序后的初始扫描路径，生成最终扫描路径以待被执行针对所述多个网格实体区域的扫描；其特征在于，

所述计算多个网格区域按照所述初始扫描路径进行模拟扫描过程中的温度包括：

正被模拟扫描的目标网格实体区域内的增温△T_增1通过以下方式来计算：

△T_增1＝AreaLen×k

其中，AreaLen表示目标网格实体区域的扫描线段长度，k表示增温比例系数；

邻近所述目标网格实体区域的增温△T_增2通过以下方式来计算：

△T_增2＝AreaLen×k/((d/Mz)^2)

其中，d表示距目标网格实体区域的中心位置的距离，Mz表示网格大小；以及

所有的网格实体区域的降温△T_降通过以下方式来计算：

△T_降＝(AreaLen/V)×T_温差×Co

其中T_温差表示网格实体区域相对于预设定的室温的温差，Co表示降温系数，V表示扫描速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述实体截面生成多个网格实体区域并根据所述多个网格实体区域确定相应的初始扫描路径包括：

确定所述实体截面所包含的最小形状单元；

基于所述最小形状单元将所述实体截面在水平或竖直方向上以等间距进行切割和拓扑重构，以确定网格实体截面；以及

根据所述网格实体截面的属性，确定所述初始扫描路径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述最小形状单元将所述实体截面在水平或竖直方向上以等间距进行切割和拓扑重构以确定网格实体截面包括：

基于间距相等的水平线和竖直线切割所述实体截面，并确定所述实体截面的各个封闭轮廓与其范围内的水平线或竖直线的交点，每一交点配置有对应于水平线或竖直线切割方向上的交点序号；

按照水平方向或竖直方向对所有交点进行排序，并根据排序结果和所述交点序号生成交点链表；

基于交点在所述交点链表中交点序号的奇偶性和该交点相对于重构切割线的相对位置关系，拓扑重构所述网格实体截面。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述拓扑重构所述网格实体截面包括：

基于用于指示交点是否已被重构的交点重构状态，拓扑重构所有的交点。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述网格实体截面的属性确定相应的初始扫描路径包括：

判断所述网格实体截面上的所有网格实体区域总和是否为奇数；

若为奇数，则获取所述网格实体截面在竖直方向的范围，从最小竖直值开始以扫描间距为单位使用水平线迭代切割所述网格实体截面，以及若为偶数，则获取所述网格实体截面在水平方向的范围，从最小水平值开始以扫描间距为单位使用竖直线迭代切割所述网格实体截面；

按照水平值或竖直值的大小将所述交点进行排序，并将从奇数的所述交点序号所对应的交点到偶数交点序号所对应的交点之间的线段确定为扫描线段；以及根据该排序的结果和所述扫描线段，确定所述初始扫描路径。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述解析待3D打印的模型文件以确定关于打印对象的连通的实体截面包括：

统计待3D打印的模型文件中各个轮廓之间的被包含次数；

将所有被包含偶数次的轮廓确定为实体截面的外轮廓；以及

将所有被包含奇数次的轮廓确定为实体截面的内轮廓。

7.一种机器可读存储介质，所述可读存储介质中存储有指令，其特征在于，所述指令用于控制机器执行权利要求1至6中任一项所述的基于SLM技术的3D打印扫描方法。

8.一种3D打印机，其特征在于，该3D打印机用于执行权利要求1-6中任一项所述的基于SLM技术的3D打印扫描方法。