CN109434104B - 一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法 - Google Patents

一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法。该方法大大降低了金属零件成型过程中热应力集中，翘曲变形，开裂等缺陷出现的机率，确保了最终零件的成形质量。该方法主要步骤是：1)轮廓偏置；2)内轮廓区域内构建若干个泰森多边形；3)扫描内轮廓区域；4)扫描窄边外轮廓区域；5)重复步骤1‑步骤4，直到N‑1层截面全部扫描完成；6)第N层截面的扫描。

Description

一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法
技术领域
本发明属于增材成形制造技术领域，具体涉及一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法。
背景技术
增材制造技术(又称为“3D打印”)是近年来迅速发展起来的高端数字化快速制造技术，适用于复杂构件的近净成形，采用增材制造技术制造出的成形件具有优异的力学性能，适合多种材料的快速成形，且材料利用率高。激光选区激光熔化成形技术(SelectiveLaser Melting，SLM)是增材制造的典型代表，它将传统的三维制造工艺转变为平面制造-累积叠加工艺，通过粉末逐层熔化实现三维复杂精密零部件的制造，由于粉末处于静止状态可设计制造辅助支撑结构，因此适合几乎任意复杂形状金属零部件的制造，可广泛应用于航空航天、汽车、模具、医疗等行业。
激光选区激光熔化具有以下优点：
1)直接成形终端金属产品，省掉中间过渡环节；
2)可得到冶金结合的金属实体，密度接近100％；
3)SLM制造的工件有高的拉伸强度；较低的粗糙度(Rz30-50mm)，高的尺寸精度(<0.1mm)；
4)适合各种复杂形状的工件，尤其适合内部有复杂异型结构(如空腔)、用传统方法无法制造的复杂工件；
5)适合单件和小批量模具和工件快速成型。
但现有激光选区成形设备，制作零件的过程大多没有消除残余应力影响，时常出现变形、翘曲、开裂等缺陷，而且成形效率较低，这些问题除了与材料属性有关外，与成形扫描方法也有很大的关系。现有的激光选区熔化成形设备的扫描方法多采用轮廓偏置法、逐行扫描方式、螺旋扫描方式，条带式分区以及棋盘式分区等，扫描方式的不同对三维零件的成形加工质量有很大的区别。应力应变分布不均，产生裂纹、翘曲变形等问题，影响成形质量。
发明内容
为了解决现有扫描方法存在的问题，本发明综合考虑了金属零件成型过程中热应力集中，翘曲变形，开裂等缺陷产生的原因，提出了轮廓窄边区域，泰森多边形分区，不相邻随机选择扫描，同一截面垂直交叉重熔等手段相结合的一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法确保了最终零件的成形质量。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法，包括以下步骤：
1)轮廓偏置
获取零件实体的第一层截面形状，将零件实体的外轮廓线向零件实体中心的方向偏置0.5-2mm，形成一个内轮廓线，从而将所述第一层截面形状分割成内轮廓区域和一个窄边外轮廓区域；所述零件实体由N个截面构成；
2)内轮廓区域内构建若干个泰森多边形；
在内轮廓区域内随机生成若干个离散控制点，构建三角网，生成若干个泰森多边形；
3)扫描内轮廓区域；
采用任意相位角度α，以每一个泰森多边形为一个单元随机扫描；所述相位角度α的选取范围是：0～180°；
扫描时需遵循的原则是：
A、不能连续扫描相邻泰森多边形；
B、扫描每个泰森多边形时，扫描相位角度α可以以固定角度变化，也可随机变化；
4)扫描窄边外轮廓区域；
利用逐行扫描方式对窄边外轮廓区域进行扫描且窄边外轮廓区域的工艺参数与内轮廓区域扫描工艺参数不同；
5)按照步骤1)-步骤4)的方式对零件实体每一层进行扫描，直到N-1层截面全部扫描完成；
6)第N层截面的扫描；
对第N层截面先执行步骤1)-2)一次，再重复执行步骤3)-4)共M次，完成第N层截面的扫描；3≤M≤5。
进一步地，所述步骤3)内轮廓区域的扫描中还包括二次重熔扫描，具体是：每层截面完成第一次扫描后，采用与相位角度α垂直的相位角度β对每一个泰森多边形进行二次扫描；
扫描时需遵循的原则是：
A、不能连续扫描相邻泰森多边形；
B、扫描每个泰森多边形时，扫描相位角度β可以以固定角度变化，也可随机变化。
进一步地，所述步骤2)具体过程是：
2.1)构建三角形网络；
2.1.1)在内轮廓区域，随机选取任意一控制点P0；
2.1.2)以P0为圆心，以半径L做第一圆，在第一圆与内轮廓区域相交的区域选择一点P1；10mm≤L≤40mm；
2.1.3)以P1为圆心，以半径L做第二圆，在第二圆与内轮廓区域相交的区域选择一点P2，且P2与P0之间的距离≤10mm；
2.1.4)重复步骤2.1.3)，直至获得第Pn点，且Pn与Pn-2之间的距离≤10mm；
2.1.5)找出P0至Pn中每个点相邻的所有三角形，形成三角网络；
2.2)建立若干个泰森多边形；
2.2.1)对与每个控制点相邻的三角形按顺时针或逆时针方向排序，计算每个三角形的外接圆圆心，并记录；
2.2.2)根据每个控制点的相邻三角形，连接这些相邻三角形的外接圆圆心，即得到泰森多边形，对于三角网络边缘的泰森多边形，可作垂直平分线与内轮廓区域外轮廓相交，与内轮廓区域外轮廓一起构成泰森多边形。
优选地，执行步骤5)时相邻层间的扫描相位角可选择以固定角度变化，也可选择随机角度变化。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、利用泰森多边形划分不规则区域，采用“随机扫描，不能连续扫描相邻多边形”的原则，每层截面不同多边形的扫描角度多变，既可以以固定角度变化，又能随机角度变化。这种扫描方法避免了现有的条带式分区、六边形分区等规则图形分区带来的扫描区域重叠机率高所带来的应力集中以及易产生扫描缺陷的问题，降低了扫描工件的残余应力，有效避免翘曲变形，降低了工艺难度。
2、将第一层截面至第N层截面单独划扫描，同层截面内内轮廓区域和窄边外轮廓区域单独扫描，高速扫描轮廓和顶部，低速填充零件内部，兼得良好的表面质量和致密度。
附图说明
图1为零件实体轮廓偏置示意图；
图2为泰森多边形生成方法的流程示意图；
图3为零件内轮廓区域内生成泰森多边形的示意图；
图4为零件当前层部分泰森多边形随机扫面示意图。
图5为图4的局部放大图；
图6为零件当前层第一次扫描示意图；
图7为零件当前层第二遍垂直交叉重熔示意图；
图8为零件当前层轮廓窄边区域扫描示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的实施例做详细描述。
一种用于金属激光选区熔化的扫描方法，主要步骤包括：
1、轮廓偏置
获取零件实体的第一层截面形状，将零件实体的外轮廓线向零件实体中心的方向偏置0.5-2mm，形成一个内轮廓线，从而将所述第一层截面形状分割成内轮廓区域和一个窄边外轮廓区域；所述零件实体由N个截面构成；如图1所示，具体偏置的距离可根据当前位置零件壁厚，以及零件侧面质量要求来决定；
2、如图2所示，分区图形划分，构建泰森多边形；
2.1)构建三角形网络；
2.1.1)在内轮廓区域，随机选取任意一控制点P0；
2.1.2)以P0为圆心，以半径L做第一圆，在第一圆与内轮廓区域相交的区域选择一点P1；10mm≤L≤40mm；
2.1.3)以P1为圆心，以半径L做第二圆，在第二圆与内轮廓区域相交的区域选择一点P2，且P2与P0之间的距离≤10mm；
2.1.4)重复步骤2.1.3)，直至获得第Pn点，且Pn与Pn-2之间的距离≤10mm；
2.1.5)找出P0至Pn中每个点相邻的所有三角形，形成三角网络；
2.2)建立若干个泰森多边形；
2.2.1)对与每个控制点相邻的三角形按顺时针或逆时针方向排序，计算每个三角形的外接圆圆心，并记录；
2.2.2)根据每个控制点的相邻三角形，连接这些相邻三角形的外接圆圆心，即得到泰森多边形；如图3所示，对于三角网络边缘的泰森多边形，可作垂直平分线与内轮廓区域外轮廓相交，与内轮廓区域外轮廓一起构成泰森多边形。
3、扫描
3.1)扫描内轮廓区域；
采用任意相位角度α，以每一个泰森多边形为一个单元随机扫描；所述相位角度α的选取范围是：0～180°；
扫描时需遵循的原则是：
A、不能连续扫描相邻泰森多边形；
B、扫描每个泰森多边形时，扫描相位角度α可以以固定角度变化(如30°,60°,73°)，也可随机变化，扫描线往复扫描以减少跳跃时间，部分随机多边形扫描如图4和5所示，完整截面扫描如图6所示；
3.2)扫描窄边外轮廓区域；
利用逐行扫描方式对窄边外轮廓区域进行扫描且窄边外轮廓区域的工艺参数与内轮廓区域扫描工艺参数不同；如图8所示；
3.3)重复步骤1-步骤3.2，直到N-1层截面全部扫描完成；执行相邻层间的扫描相位角可选择以固定角度变化，也可选择随机角度变化。
3.4)第N层截面的扫描；
对第N层截面先执行步骤1)-2)一次，再重复步骤3.1)-3.2)共M次，完成第N层截面的扫描；3≤M≤5。
4、二次重熔扫描
需要强调的一点是：每层截面完成第一次扫描后，根据需要可以选择二次扫描，二次扫描的相位角度与第一次相位角度垂直，方法与第一次相同，如图7所示；
本发明的扫描方法改善了金属零件激光选区熔化零件残余应力集中的现象，保证零件全致密的基础上，提高零件各表面的成形质量。

Claims (2)

1.一种用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)轮廓偏置
获取零件实体的第一层截面形状，将零件实体的外轮廓线向零件实体中心的方向偏置0.5-2mm，形成一个内轮廓线，从而将所述第一层截面形状分割成内轮廓区域和一个窄边外轮廓区域；所述零件实体由N个截面构成；
2)内轮廓区域内构建若干个泰森多边形；
在内轮廓区域内随机生成若干个离散控制点，构建三角网，生成若干个泰森多边形；
2.1)构建三角形网络；
2.1.1)在内轮廓区域，随机选取任意控制点P0；
2.1.2)以P0为圆心，以半径L做第一圆，在第一圆与内轮廓区域相交的区域选择一点P1；10mm≤L≤40mm；
2.1.3)以P1为圆心，以半径L做第二圆，在第二圆与内轮廓区域相交的区域选择一点P2，且P2与P0之间的距离≤10mm；
2.1.4)重复步骤2.1.3)，直至获得第Pn点，且Pn与Pn-2之间的距离≤10mm；
2.1.5)找出P0至Pn中每个点相邻的所有三角形，形成三角网络；
2.2)建立若干个泰森多边形；
2.2.1)对与每个控制点相邻的三角形按顺时针或逆时针方向排序，计算每个三角形的外接圆圆心，并记录；
2.2.2)根据每个控制点的相邻三角形，连接这些相邻三角形的外接圆圆心，即得到泰森多边形，对于三角网络边缘的泰森多边形，可作垂直平分线与内轮廓区域外轮廓相交，与内轮廓区域外轮廓一起构成泰森多边形；
3)扫描内轮廓区域；
采用任意相位角度α，以每一个泰森多边形为一个单元随机扫描；所述相位角度α的选取范围是：0～180°；
扫描时需遵循的原则是：
A、不能连续扫描相邻泰森多边形；
B、扫描每个泰森多边形时，扫描相位角度α可以以固定角度变化，也可随机变化；
每层截面完成第一次扫描后，采用与相位角度α垂直的相位角度β对每一个泰森多边形进行二次扫描；
扫描时需遵循的原则是：
A、不能连续扫描相邻泰森多边形；
B、扫描每个泰森多边形时，扫描相位角度β可以以固定角度变化，也可随机变化；
4)扫描窄边外轮廓区域；
利用逐行扫描方式对窄边外轮廓区域进行扫描且窄边外轮廓区域的工艺参数与内轮廓区域扫描工艺参数不同；
5)按照步骤1)-步骤4)的方式对零件实体每一层进行扫描，直到N-1层截面全部扫描完成；
6)第N层截面的扫描；
对第N层截面先执行步骤1)-2)一次，再重复执行步骤3)-4)共M次，完成第N层截面的扫描；3≤M≤5。
2.根据权利要求1所述的用于金属激光选区熔化成形工艺的扫描方法，其特征在于：执行步骤5)时相邻层间的扫描相位角可选择以固定角度变化，也可选择随机角度变化。
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