CN109359381A - 一种基于体素的激光路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于体素的激光路径规划方法，包括对模型进行体素化处理及有限元分析；对分析结果进行归一化处理及对每个单元标记和分类；将模型进行精确体素化处理，获得每层体素轮廓数据和体素节点数据；建立上表皮和下表皮与激光功率、扫描方式及扫描策略之间的关系；将所有完整像素按相邻四像素合并棋盘格，将剩余的完整体素和不完整像素进行单元合并形成条带；在合并的棋盘格内的每个像素扫描，并形单个棋盘格单元；在合并的条带内的每个像素交替扫描形成单个条带单元；选取对应的激光功率及扫描方式，先将像素内每个单元打印形成棋盘或条带，再合并成单层。

Description

一种基于体素的激光路径规划方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种特别适用于选择性激光熔化的基于体素的激光路径规划方法。
背景技术
增材制造也称3D打印技术，特别是选择性激光熔化(Selective laser melting，SLM)技术在金属领域具有广泛的应用价值及前景。其中，激光扫描路径规划技术是SLM工艺的核心技术之一，现有的扫描分区有条形分区、棋盘格分区和蜂窝结构分区等方式，扫描方式有与坐标轴X(Y)平行的扫描方式、单向扫描、双向扫描、“Z”字形扫描和环形扫描等。然而这些分区方式和扫描方式仅仅是根据打印模型2D切片的几何信息进行划分及扫描的，并没有考虑打印模型所受到的外部载荷的影响，并且不同的扫描方式对应的打印模型的力学性能也不一样。因此，探索一种考虑外部实际载荷的模型数据处理方法和扫描打印方法，对于提高产品的力学性能具有重要意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种基于体素的激光路径规划方法，以解决如何降低打印产品的残余应力、减少结构变形、提高产品的力学性能，建立有限元分析与扫描体素单元之间的关系的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于体素的激光路径规划方法，该方法包括如下步骤：
S1、对输入的STL模型进行体素化处理，根据六面体体素化单元对体素模型进行有限元分析；
S2、对获得的体素单元有限元分析结果进行归一化处理及对每个单元标记和分类；
S3、将STL模型和体素模型进行精确体素化处理，获得每层体素2D轮廓数据和体素节点数据；
S4、通过体素模型上下层体素单元关系识别出模型的上表皮和下表皮并标记，建立上表皮和下表皮与激光功率、扫描方式及扫描策略之间的关系；
S5、将所有完整2D像素按相邻四像素合并棋盘格，将剩余的完整体素和不完整2D像素进行单元合并形成条带；
S6、在合并的棋盘格内的每个像素按除0度和90度以外斜率扫描，并按顺时针或逆时针方向成形单个棋盘格单元；
S7、在合并的条带内的每个像素按除0度和90度以外斜率交替扫描形成单个条带单元；
S8、根据体素单元的应力值选取对应的激光功率及扫描方式，先将像素内每个单元打印成形形成棋盘或条带，再将棋盘和条带进行合并成单层。
进一步地，在步骤S1中，体素化处理包括表面体素化和内部体素化。
进一步地，在步骤S1中，进行静力学、动力学和热力学有限元分析。
进一步地，在步骤S2中，将单元应力归一化处理成0-1之间的相对值。
进一步地，在步骤S4中，通过体素模型上下层体素单元关系布尔减运算识别出模型的上表皮和下表皮。
进一步地，在步骤S6中，在合并的棋盘格内的每个像素按30-45度和135-150度斜率扫描。
进一步地，在步骤S7中，在合并的条带内的每个像素按30-45度和135-150度范围斜率交替扫描。
进一步地，在步骤S8中，条带分区和棋盘格分区方向每隔几层以坐标原点和模型中心点坐标进行某一角度旋转，或平行于X坐标和Y坐标进行水平移动变换。
进一步地，在步骤S8中，棋盘扫描时先将像素内每个单元轮廓内偏置半个光斑，内部进行填充，轮廓按顺时针或逆时针进行次数可调的环形扫描。
进一步地，在步骤S8中，由体素中心点坐标信息计算出的体素八顶点和十二条边的几何和拓扑信息，确定激光路径扫描数据。
(三)有益效果
本发明提出的基于体素的激光路径规划方法，该方法包括对输入的STL模型进行体素化处理，根据六面体体素化单元对体素模型进行有限元分析；对获得的体素单元有限元分析结果进行归一化处理及对每个单元标记和分类；将STL模型和体素模型进行精确体素化处理，获得每层体素2D轮廓数据和体素节点数据；通过体素模型上下层体素单元关系识别出模型的上表皮和下表皮并标记，建立上表皮和下表皮与激光功率、扫描方式及扫描策略之间的关系；将所有完整2D像素按相邻四像素合并棋盘格，将剩余的完整体素和不完整2D像素进行单元合并形成条带；在合并的棋盘格内的每个像素按除0度和90度以外斜率扫描，并按顺时针或逆时针方向成形单个棋盘格单元；在合并的条带内的每个像素按除0度和90度以外斜率交替扫描形成单个条带单元；根据体素单元的应力值选取对应的激光功率及扫描方式，先将像素内每个单元打印成形形成棋盘或条带，再将棋盘和条带进行合并成单层。
本发明的优点在于：第一，本发明根据体素获得产品的2D截面轮廓激光扫描信息，并建立了三维体素与2D像素几何和拓扑信息，将有限元分析结果映射到2D像素单元上，建立了有限元单元与2D像素单元区域的激光功率、扫描方式之间的关系。这种关系的建立为激光功率、扫描方式和扫描策略选取提供了理论依据，有利于提高产品力学性能；第二，根据体素几何坐标信息和拓扑信息，可以快速获得2D像素坐标信息和拓扑信息，在提高产品成形性能的前提下，极大地降低了传统上求解棋盘几何坐标信息和拓扑信息的运算量和复杂度，有利于提高轮廓的扫描求取效率；第三，本发明是基于单一体素单元的扫描在成形工艺操作简单，易于控制，由于是先进行单一体素单元的成形，再将单元与单元进行组合，在保障局部力学性能的前提，可以有效减少产品的内应力及变形，提高产品的精度。
附图说明
图1为本发明实施例的激光路径规划方法流程图；
图2为本发明实施例2的基于体素单元棋盘格分区效果图及其扫描策略；
图3为本发明实施例3的基于体素单元条带分区效果图及其扫描策略。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明中所述体素是指长、宽、高均相同或部分不相同的六面体，像素是指长、宽均相同或均不相同的矩形。
实施例1
本实施例提出一种基于体素的激光路径规划方法，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
S1、对输入的STL模型进行体素化处理，根据六面体体素化单元对体素模型进行有限元分析；
S2、对获得的体素单元有限元分析结果进行归一化处理及对每个单元标记和分类；
S3、将STL模型和体素模型进行精确体素化处理，获得每层体素2D轮廓数据和体素节点数据；
S4、通过体素模型上下层体素单元关系识别出模型的上表皮和下表皮并标记，建立上表皮和下表皮与激光功率、扫描方式及扫描策略之间的关系；
S5、将所有完整2D像素按相邻四像素合并棋盘格，将剩余的完整体素和不完整2D像素进行单元合并形成条带；
S6、在合并的棋盘格内的每个像素按除0度和90度以外斜率扫描，并按顺时针或逆时针方向成形单个棋盘格单元；
S7、在合并的条带内的每个像素按除0度和90度以外斜率交替扫描形成单个条带单元；
S8、根据体素单元的应力值选取对应的激光功率及扫描方式，先将像素内每个单元打印成形形成棋盘或条带，再将棋盘和条带进行合并成单层。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，先将STL模型进行分段处理，由大模型拆分为多个块体，再采用大尺寸的体素单元(10mm-15mm)对各段STL模型进行精确体素化处理，得到的2D像素分区如图2所示。每个分区再分解成四个棋盘格，其扫描顺序为棋盘格1、棋盘格2、棋盘格3、棋盘格4，也可以为棋盘格1、棋盘格3、棋盘格4、棋盘格2。若再采用小尺寸的体素单元(2mm-5mm)对各段STL模型进行精确体素化处理，得到2D像素，再将相邻的四个像素组成一个棋盘格，每个棋盘格内的像素填充方式与上述类似。
实施例3
本实施例与实施例2相似，同样先将STL模型进行分段处理，由大模型拆分为多个块体，再采用合适的体素单元(5mm-10mm)对各段STL模型进行精确体素化处理，再将得到的2D像素合并成条带，如图3所示。每个条带内的像素填充方式为棋盘格1、棋盘格2、棋盘格3、棋盘格4、棋盘格5、棋盘格6、棋盘格7、棋盘格8；也可以改为棋盘格1、棋盘格3、棋盘格5、棋盘格7、棋盘格2、棋盘格4、棋盘格6、棋盘格8等多种组合形式。该条带的特征是其宽度至少有2个2D像素组成，每个条带是有棋盘格组成的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于体素的激光路径规划方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、对输入的STL模型进行体素化处理，根据六面体体素化单元对体素模型进行有限元分析；
S2、对获得的体素单元有限元分析结果进行归一化处理及对每个单元标记和分类；
S3、将STL模型和体素模型进行精确体素化处理，获得每层体素2D轮廓数据和体素节点数据；
S4、通过体素模型上下层体素单元关系识别出模型的上表皮和下表皮并标记，建立上表皮和下表皮与激光功率、扫描方式及扫描策略之间的关系；
S5、将所有完整2D像素按相邻四像素合并棋盘格，将剩余的完整体素和不完整2D像素进行单元合并形成条带；
S6、在合并的棋盘格内的每个像素按除0度和90度以外斜率扫描，并按顺时针或逆时针方向成形单个棋盘格单元；
S7、在合并的条带内的每个像素按除0度和90度以外斜率交替扫描形成单个条带单元；
S8、根据体素单元的应力值选取对应的激光功率及扫描方式，先将像素内每个单元打印成形形成棋盘或条带，再将棋盘和条带进行合并成单层。
2.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述体素化处理包括表面体素化和内部体素化。
3.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S1中，进行静力学、动力学和热力学有限元分析。
4.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将单元应力归一化处理成0-1之间的相对值。
5.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过体素模型上下层体素单元关系布尔减运算识别出模型的上表皮和下表皮。
6.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S6中，在合并的棋盘格内的每个像素按30-45度和135-150度斜率扫描。
7.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S7中，在合并的条带内的每个像素按30-45度和135-150度范围斜率交替扫描。
8.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S8中，条带分区和棋盘格分区方向每隔几层以坐标原点和模型中心点坐标进行某一角度旋转，或平行于X坐标和Y坐标进行水平移动变换。
9.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S8中，棋盘扫描时先将像素内每个单元轮廓内偏置半个光斑，内部进行填充，轮廓按顺时针或逆时针进行次数可调的环形扫描。
10.如权利要求1所述的激光路径规划方法，其特征在于，在所述步骤S8中，由体素中心点坐标信息计算出的体素八顶点和十二条边的几何和拓扑信息，确定激光路径扫描数据。
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