CN109501272A - 一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法及其增材制造方法 - Google Patents

一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法及其增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法及其增材制造方法，包括获取模型的三角面片信息，设定层厚，并依据层厚确定加工层在Z向的分层高度；依据分层高度与空面三角面片的Z向区间对比，并且得到该三角面片与其所在XY平的成形角度α；计算得到修改后的层厚为层厚系数与设定层厚的乘积；将所述修改后的层厚作为预设层厚，根据上述过程计算与其相应的修改后的层厚；当修改后的层厚和与其对应的预设层厚相等时，根据该层厚得到所述构件的分层高度以及相应的分层数。实现了对悬垂特征结构的增材制造过程，解决了现有的等厚加工对于悬垂角度较大的模型，其结构表面成形质量精度较差，粗糙度较高，易产生颗粒粘附及塌陷的问题。

Description

一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法及其增材制造 方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域；具体涉及一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法；还涉及一种增材制造方法。
背景技术
增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)是集计算机学、光学、材料学以及其他学科于一体并且将零件的三维CAD模型通过制造设备堆积成具有一定结构和功能的零件或原型的一种先进制造技术，也被称作快速原型技术(Rapid prototying)、3D打印技术(3Dprinting)等。在一台增材制造设备上可快速地制造出任意形状的零件，包括传统加工设备难以高效率、低成本制造的复杂结构的零件；不需要传统制造中的刀具、工装，产品结构越复杂，越能够体现增材制造的优越性，同样适合于单件、小批量产品的生产。目前增材制造技术已经广泛的应用于航空航天、汽车、机机械、生物医疗、艺术设计等领域。
随着增材制造技术的愈加成熟，用户及研究人员对成形件质量优劣愈加重视。对于较为复杂的构件，存在大量的典型悬垂结构，在不同的成形方式下，例如SLM、EBM等成形方式，采用传统的成形工艺参数对整件成形具有一定的局限性。等层厚加工对于悬垂角度较大的模型，其结构表面成形质量精度较差，粗糙度较高，易产生颗粒粘附及塌陷。
发明内容
本发明提供了一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法及其增材制造方法；实现了对悬垂特征结构的增材制造过程，解决了现有的等厚加工对于悬垂角度较大的模型，其结构表面成形质量精度较差，粗糙度较高，易产生颗粒粘附及塌陷的问题。
本发明的技术方案是：一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法，包括获取模型的三角面片信息，设定层厚，并依据层厚确定加工层在Z向的分层高度；依据分层高度与空面三角面片的Z向高度对比，并且得到该三角面片与其所在XY平的成形角度α；统计所有三角面片的成形角度α，0≤α≤90°；设定成形角度等级，按照角度等级统计成形角度α在每个等级所占的比例；按照成形角度占比在成形角度等级中的排序调整层厚系数，层厚系数取值为0.6-1；计算得到修改后的层厚为层厚系数与设定层厚的乘积；将所述修改后的层厚作为预设层厚，根据上述过程计算与其相应的修改后的层厚；当修改后的层厚和与其对应的预设层厚相等时，根据该层厚得到所述构件的分层高度以及相应的分层数。
本方法提出了针对打印模型悬垂特征结构的自适应分层成形优化方式。通过对模型的三角面片信息分析，识别当前层三角面片的整体信息情况，依据工艺试验获得的成形参数库，对层厚进行适当优化，并匹配适合的成形工艺，对于悬垂部位，进行合理化分区，针对悬垂实验研究悬垂部位采用统一填充方向方式质量较优的研究，对局部悬垂部位的分层方法进行了优化，从而提高了悬垂部位的成形质量。
可选的，按照成形角度α将成形角度等级从小到大分为2-10个等级。
可选的，成形角度占比从第一等级开始排列，若某个等级的成形角度占比超过20％，该等级越大，则层厚系数越大；若所有等级的成形角度占比均不超过20％，则层厚系数为1。
按照成形角度划分成形角度等级，其中成形角度等级数量越多，则其计算复杂度越高，悬垂特征结构的表面打印效果越好。
可选的，成形角度等级划分为三个等级，其中第一等级的成形角度范围是0-20°，第二等级的成形角度范围是20-40°，第三等级的成形角度范围是40-90°。
可选的，第一等级的成形角度占比超过20％，则层厚系数取值为0.8；第一等级的成形角度占比不超过20％，且第二等级的成形角度占比超过20％，则层厚系数取值为0.9；第一等级和第二等级的成形角度占比均不超过20％，则层厚系数取值为1。
根据现有的需求，将成形角度等级划分为三个等级，并且根据成形角度在每个等级中的占比，确定层厚系数。
本发明的还提供了一种增材制造方法。
一种增材制造方法，该方法针对具有悬垂特征结构的零件；对于悬垂特征结构采用本发明上述的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法进行悬垂特征结构的分层，并且按照分层进行增材制造过程。
可选的，按照分层进行增材制造过程的具体过程是：确定的分层高度与模型三角面片进行对比，若其存在相交线，则计算分层高度在该三角面片上的截取线段，该截取线段为当前分层轮廓线段的组成部分；为所述轮廓线段增加所在三角面片的成形角度值，并确定该轮廓线段为悬垂线段；对所述轮廓线段进行首尾相接形成新闭环，得到该分层的新的轮廓线段；然后按照新的轮廓线段对该分层进行填充；按照上述过程对所有分层进行填充，最后完成悬垂特征结构的填充。
该增材制造方法适用于对具有悬垂特征结构的零件，并且针对零件的悬垂特征结构采用本发明提供的分层方法以及相应的填充方法实现零件的增材制造，解决了现有的零件中，其悬垂特征结构的表面成形质量精度差，粗糙度较高，易产生颗粒粘附及塌陷的问题。
附图说明
图1为本发明分层方法的流程示意图；
图2为本发明悬垂特征结构进行增材制造的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法，如图1所示，其实施过程如下：
步骤S1，将模型的STL格式文件进行数据处理，提取得到模型的三角面片信息，并且将三角面片的矢量信息转化为该三角面片在Z向的夹角值；上述Z向的夹角值即为三角面片与其所在的XY平面的成形角度α。
步骤S2，依据初始层厚d，获取当前分层高度值H。
步骤S3，统计所有的三角面片的成形角度α，及其对应的分层高度H；其中0≤α≤90°。
步骤S4，按照成形角度α的范围设定成形角度等级，具体的从0-90°共设定3个等级，第一等级为0-20°，第二等级为20-40°，第三等级为40-90°；并且统计所有三角面片的成形角度α在每个等级的所占比例。
步骤S5，按照成形角度α在每个等级所占比例进行排序，并且根据其排序调整层厚系数K，层厚系数K的取值范围为0.6-1。
假设在步骤S4中的到的第一等级的成形角度α的占比超过20％，则K取0.8；第一等级的成形角度α的占比不超过20％，且第二等级的成形角度α的占比超过20％，则K取0.9；第一等级和第二等级的成形角度α的占比均不超过20％，则K取1。
步骤S6，计算修改后的层厚D＝d*K。
步骤S7，若修改后的层厚D≠d，则将修改后的层厚D作为初始层厚d，重复步骤S2-S6；若修改后的层厚D＝d，则根据该层厚得到模型中悬垂特征部件的分层高度及相应的分层数。
优选的，在步骤S4中，根据材料的不同以及成模型的需求，成形角度等级可划分为2-10个等级。
优选的，步骤S5中各个成形角度等级占比节点20％为一种实施例的方式，根据成形角度等级的个数，以及材料及模型加工工艺的不同可以选择不同的等级数量和相应的占比百分比节点。
本发明还提供了一种增材制造方法，该方法针对具有悬垂特征结构的零件，并且对于该零件的悬垂特征结构采用本发明的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法对悬垂特征结构进行分层，并且按照分层进行增材制造过程，对悬垂特征结构的增材制造过程可采用现有的填充方式进行填充，也可以采用如图2所示的方法过程进行填充：
首先根据本发明的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法对零件的悬垂特征结构进行分层，并且相应的得到分层数、层厚和层高等数据。
通过确定的层高与模型的三角面片进行对比，当盖层与三角面片之间存在相交线时，计算该层高在该三角面片上的截取线段，该截取线段为当前层轮廓线段的一部分。
然后为上述轮廓线段进行悬垂属性定义，具体的，将轮廓线段所在的三角面片的成形角度α的值赋给该轮廓线段，用于确定该轮廓线段是否为具有悬垂线段，即具有悬垂属性的线段。
根据模型轮廓的特有属性，将当前层的轮廓线段进行首尾相接，形成闭环，同时每个闭环的轮廓线段均具有其悬垂特性。
获取所有分层的轮廓线段后对其内部进行填充，完成对悬垂特征结构的填充。
优选的，填充形式的不同，主要取决与使用成形材料及成形工艺，不同的成形工艺在模型外围所表现的形式各不相同，其中主要以下几种形式：垂直轮廓线朝外、垂直轮廓线朝内、平行轮廓线朝内和平行轮廓线朝外。形成填充轨迹时，设定判定指令，当内部优于外部时，对填充线段进行悬空识别，当两顶点均悬空时，从线段内部向两端生成扫描线；当外部优于内部时，从两端向内部扫描。

Claims (7)

1.一种用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法，其特征在于，包括
获取模型的三角面片信息，设定层厚，并依据层厚确定加工层在Z向的分层高度；
依据分层高度与空面三角面片的Z向高度对比，并且得到该三角面片与其所在XY平面的成形角度α；
统计所有三角面片的成形角度α，0≤α≤90°；
设定成形角度等级，按照角度等级统计成形角度α在每个等级所占的比例；
按照成形角度占比在成形角度等级中的排序调整层厚系数，层厚系数取值为0.6-1；
计算得到修改后的层厚为层厚系数与设定层厚的乘积；
将所述修改后的层厚作为预设层厚，根据上述过程计算与其相应的修改后的层厚；
当修改后的层厚和与其对应的预设层厚相等时，根据该层厚得到所述构件的分层高度以及相应的分层数。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法，其特征在于，按照成形角度α将成形角度等级从小到大分为2-10个等级。
3.根据权利要求2所述的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法，其特征在于，成形角度占比从第一等级开始排列，若某个等级的成形角度占比超过20％，该等级越大，则层厚系数越大；若所有等级的成形角度占比均不超过20％，则层厚系数为1。
4.根据权利要求2所述的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法，其特征在于，所述成形角度等级划分为三个等级，其中第一等级的成形角度范围是0-20°，第二等级的成形角度范围是20-40°，第三等级的成形角度范围是40-90°。
5.根据权利要求4所述的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法，其特征在于，第一等级的成形角度占比超过20％，则层厚系数取值为0.8；第一等级的成形角度占比不超过20％，且第二等级的成形角度占比超过20％，则层厚系数取值为0.9；第一等级和第二等级的成形角度占比均不超过20％，则层厚系数取值为1。
6.一种增材制造方法，该方法针对具有悬垂特征结构的零件；其特征在于，对于悬垂特征结构采用如权利要求1-5任意一项所述的用于增材制造中悬垂特征结构的分层方法进行悬垂特征结构的分层，并且按照分层进行增材制造过程。
7.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述按照分层进行增材制造过程的具体过程是：
确定的分层高度与模型三角面片进行对比，若其存在相交线，则计算分层高度在该三角面片上的截取线段，该截取线段为当前分层轮廓线段的组成部分；
为所述轮廓线段增加所在三角面片的成形角度值，并确定该轮廓线段为悬垂线段；
对所述轮廓线段进行首尾相接形成新闭环，得到该分层的新的轮廓线段；
然后按照新的轮廓线段对该分层进行填充；
按照上述过程对所有分层进行填充，最后完成悬垂特征结构的填充。
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