CN109712240B - 一种适用于增材制造的曲面分层方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种适用于增材制造的曲面分层方法，该方法包括以下步骤：(1)确定待分层零件的生长方向及绘制生长线；(2)求解生长线与待分层零件的表面边界的交点，将得到的交点连接成线段，并求解出各线段的长度；(3)依据各线段的长度及单层厚度确定层数，进而采用等层厚分层方式或者变层厚分层方式对待分层零件进行分层，并记录下划分点的坐标值及确定每个划分点所在的层数；(4)将各层的划分点按照预定顺序保存起来，并求解出每一层的边界点，划分点与边界点构成各曲面层的点云，每一层的点云构成曲面层，由此完成曲面分层。本发明提高了效率，灵活性较好，且适用于任意形貌零件的曲面划分。

Description

一种适用于增材制造的曲面分层方法

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于增材制造的曲面分层方法。

背景技术

增材制造是一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反，通过增加材料，基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法，其关键技术之一是三维实体分层技术，目前增材制造所采用的分层方式大多是平面分层，即基于Z向或者多方向使用截平面进行分层，这种分层方式简单快捷，但只能用来制造形貌简单、无较大倾斜角的零件，当进行结构复杂零件制造时由于温度场分布不均、能量积累、容易产生表面塌陷、内部残余应力，造成零件表面精度不高，留有明显的台阶效应。

为了解决平面分层的诸多问题，本领域相关技术人员已经做了一些研究，其中有少量专利及文献提出了曲面分层增材制造，如专利CN107187056A公开了一种基于曲面分层的复杂零件3D打印方法及系统，其根据复杂零件的结构和曲面特征建立其三维模型，并进行结构轻量化拓扑优化设计和空间3D切片分层，生成用于3D打印的控制数据，根据控制数据进行打印参数设定后进行逐层3D打印，以得到复杂零件的3D打印件，该专利有利于实现连续纤维增强制造，有效提高了复杂零件的表面成型精度，减少了打印支撑。然而，该方法并没有给出具体的曲面分层策略，无法真正实现不同形貌零件的曲面分层增材制造，倘若采用不合适的曲面分层方法，依然会导致打印效率降低、成形质量差、力学性能不符合要求等问题。相应地，本领域存在着发展一种高效的适用于增材制造的曲面分层方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于增材制造的曲面分层方法，其基于现有增材制造中的分层方法，研究及设计了一种高效的适用于增材制造的曲面分层方法。所述曲面分层方法可以对任意形貌的零件进行曲面分层，依据该方法制造的零件表面质量更优、力学性能更佳，且制造效率更高。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于增材制造的曲面分层方法，该曲面分层方法包括以下步骤：

(1)构建待分层零件的三维模型，并确定待分层零件的生长方向及绘制生长线；

(2)求解所述生长线与待分层零件的表面边界的交点，将得到的交点连接成线段，并求解出各线段的长度；

(3)依据各线段的长度及单层厚度确定层数，进而采用等层厚分层方式或者变层厚分层方式对待分层零件进行分层，并记录下划分点的坐标值及确定每个划分点所在的层数；

(4)将各层的划分点按照预定顺序保存起来，并求解出每一层的边界点，所述划分点与所述边界点构成各曲面层的点云，每一层的点云构成曲面层，由此完成曲面分层。

进一步地，生长线的绘制包括以下步骤：

(11)求解待分层零件的最小包围盒；

(12)根据所述最小包围盒确定生长线的起始坐标值；

(13)根据精度要求绘制生长线。

进一步地，步骤(2)中，在求解交点时校验交点是否有效，若交点无效，则剔除该交点。

进一步地，在生长线上选择距离交点预定距离的两个点，并判断这两个点是否在实体内，如果有一个在实体内，则该交点为有效点，否则为无效点。

进一步地，如果交点数是2的倍数，则将相邻的两个交点连接成直线段；若出现有无数个交点的情况，则舍弃对应的生长线。

进一步地，采用等层厚进行分层时，依据各线段的长度l_n与单层厚度d的比值k，对k向上取整以得到层数m，接着将线段按照间隔d划分为m段，保留划分点的坐标值，并确定每个划分点所在的层数。

进一步地，采用变层厚方式进行分层时，给定单层厚度的最大值d_max和最小值d_min，依据各线段的长度l_n与单层最大层厚d_max的比值k_min，对k_min向上取整得到层数m_min；将各线段的长度l_n与单层最小层厚d_min的比值k_max，对k_max向上取整得到层数m_max。

进一步地，取线段长度最大的线段对应的层数的最小值m₁，找到层数最大值为m₁的线段，这两条线段的长度值形成一个区间，该区间的线段取层数为m₁，将线段等分为m₁段；再取层数最大值为m₁的线段的层数最小值m₂，对应的找到层数最大值为m₂的线段，这两条线段的长度值形成下一个区间，当前区间的线段取层数为m₂，对应地将线段等分为m₂段；依此类推，直到m＝1，保留划分点的坐标值，并确定每个划分点所在的层数。

进一步地，每个划分点所在层数的确定方法有两种：一种是从靠近生长线起始点的划分点开始；另一种是求出所有生长线最终确定的最大层数，并从靠近生长线终点的划分点开始。

进一步地，步骤(4)中，依次找到同一曲面层离边界最近的点的切线，该切线与零件边界的交点即为该层的边界点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于增材制造的曲面分层方法主要具有以下有益效果：

1.所述曲面分层方法可以对任意形貌的零件进行曲面分层，依据该方法制造的零件表面质量更优、力学性能更佳，且制造效率更高。

2.求解出每一层的边界点，所述划分点与所述边界点构成各曲面层的点云，如此避免了出现零件整体等于剥掉一层厚度为相邻生长线间隔的实体部分，造成零件精度有一定损失的现象发生，提高了分层精度。

3.在求解交点时校验交点是否有效，若交点无效，则剔除该交点，如此提高了分层的精度及效率，进一步提高了后续制备得到零件的精度。

4.若出现有无数个交点的情况，则舍弃对应的生长线，如此提高了效率及精度；此外，该曲面划分方法简单，易于实施，适用性较好。

附图说明

图1是本发明提供的适用于增材制造的曲面分层方法的流程图。

图2中的(a)图及(b)图分别是柱状零件的示意图及采用图1中的适用于增材制造的曲面分层方法对该柱状零件进行分层后得到的分层示意图。

图3中的(a)图及(b)图分别是叶片状零件的示意图及采用图1中的适用于增材制造的曲面分层方法对该叶片状零件进行分层后得到的分层示意图。

图4A至图4F是采用图1中的适用于增材制造的曲面封层方法对菱形零件进行分层的流程示意图，其中顺序为图4A→4B→4C→4D→4E→4F。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供的适用于增材制造的曲面分层方法，所述曲面分层方法包括以下步骤：

步骤一，构建待分层零件的三维模型。

步骤二，确定所述待分层零件的生长方向并绘制生长线。

具体地，依据零件的力学性能要求选定合适的生长方向，一般选择规则的形状，比如立方体形或者圆台形生长。其中生长线的绘制步骤如下：(1)依据所述三维模型求解出待分层零件的最小包围盒；(2)根据所述最小包围盒确定生长线的起始坐标值；(3)根据精度要求绘制一定密度的生长线。

步骤三，求解所述生长线与待分层零件的表面边界的交点，将得到的交点连成线段，并求出各线段的长度。

具体地，求解出生长线与零件表面边界的交点，并将交点连接成线段，同时求解出各线段的长度l_n；在求解交点的时候，需要校验交点是否有效，若交点无效，则剔除该交点。

其中，判断交点是否有效的方法是：在生长线上选取距离交点极小距离(一般设定为1毫米)的两个点，判断这两个点是否在实体内，如果有一个点在实体内，则该交点是有效点，否则是无效点。有效的点数是2或者2的倍数(大于一)，如果交点数大于2且是2的倍数，则间隔连接两点为直线段，即第一个点与第二个点相连，第三个点与第四个点相连，一直到最后两个点相连。本实施方式中，求解交点的特殊情况是有无数个交点，即生长线与实体边界重合，则判定舍弃该条生长线。

步骤四，依据线段的长度及单层厚度确定层数，进而采用等层厚分层方式或者变层厚分层方式对待分层零件进行分层，并记录下划分点的坐标值及确定每个划分点所在的层数。

具体地，采用等层厚进行分层时，依据各线段的长度l_n与单层厚度d的比值k，对k向上取整以得到层数m，接着将线段按照间隔d划分为m段，保留划分点的坐标值，并确定每个划分点所在的层数。采用变层厚方式进行分层时，给定单层厚度的最大值d_max和最小值d_min，依据各线段的长度l_n与单层最大层厚d_max的比值k_min，对k_min向上取整得到层数m_min；将各线段的长度l_n与单层最小层厚d_min的比值k_max，对k_max向上取整得到层数m_max。之后，取线段长度最大的线段对应的层数的最小值m₁，找到层数最大值为m₁的线段，这两条线段的长度值形成一个区间，该区间的线段取层数为m₁，将线段等分为m₁段；再取层数最大值为m₁的线段的层数最小值m₂，对应的找到层数最大值为m₂的线段，这两条线段的长度值形成下一个区间，该区间的线段取层数为m₂，对应地将线段等分为m₂段；依此类推，直到m＝1，保留划分点的坐标值，并确定每个划分点所在的层数。

每个划分点所在层数的确定方法有两种，一种是从靠近生长线起始点的划分点开始，第一个划分点标注为1，直到m-1，生长线与零件边界的交点所在层数分别为0及m；另一种是求出所有生长线最终确定的最大层数m_max，从靠近生长线终点的划分点开始，第一个点标注为m_max-1，直到m_max-m+1，生长线与零件边界的交点所在层数为m_max及m_max-m。此外，当一条生长线上有多条交线段时，后续的交线段的划分点所在的层数要在前一条交线段划分点的层数基础上增加或减少。

步骤五，将各层的划分点按照预定顺序保存起来，并求解出每一层的边界点，所述划分点及所述边界点构成各曲面层的点云，每一层的点云构成曲面层，由此完成曲面分层。

具体地，求取各层的边界点是为了避免出现零件整体等于剥掉一层厚度为相邻生长线间隔的实体部分，造成零件精度有一定损失的现象发生。求取边界点时，依次找到同一曲面层离边界最近的点的切线，该切线与零件边界的交点即为该层的边界点。

步骤六，对各曲面层进行路径填充，进而生成控制数据，并根据所述控制数据进行增材制造。

具体地，对各曲面层进行路径填充，填充方法可参照平面填充的各种方法，比如光栅路径、Z字形路径、轮廓路径、螺旋路径、中轴变换路径等，并生成控制数据，进而根据所述控制数据进行实体增材制造。所采用的增材制造方式包括但不限于电弧增材制造WAAM、激光增材制造(选择性激光烧结SLS、选择性激光熔化SLM)、熔融沉积成型FDM等。

请参阅图2，第一步，构建零件的三维模型，使用UG等三维建模软件建立零件的三维模型，然后导出3D打印常用数据格式STL格式的模型文件。第二步，确定零件的生长方向并绘制生长线，依据零件的力学性能要求选定圆柱形生长方向，即Z向生长，生长线的绘制步骤如下：(1)求出零件的最小包围盒，分别找出X、Y、Z方向的最大值和最小值，分别为：X_max＝200mm、X_min＝0mm、Y_max＝200mm、Y_min＝0mm、Z_max＝380mm、Z_min＝0mm；(2)依据所述包围盒的最值确定生长线的起止点坐标值，起始点Z值为Z_min(0mm)，终止点Z值为Z_max(380mm)，生长线圆柱底面圆的圆心为((X_max+X_min)/2，(Y_max+Y_min)/2，Z_min)，即(100mm，100mm，0mm)，半径为(X_max-X_min)/2，即100mm，圆柱高为(Z_max-Z_min)，即380mm；(3)根据精度要求绘制一定密度的生长线，零件的精度要求为±1mm，则将圆柱底面的圆等分为间距为1mm的点作为各生长线的起始点，得到63408个点；圆柱的顶面等分为间隔为1mm的点作为各生长线的终止点，得到63408个点，起始点和终止点连接的直线段即为生长线，有63408条生长线。第三步，求出各生长线与零件表面边界的交点，将交点连成线段，并求出各线段的长度l_n。具体地，零件各生长线的交点情况分为两种情况：2个交点和无数交点(生长线与边界重合)，(1)两个交点：第一个交点l₁(与起始点重合)，第二个交点l₂，线段的长度l_n＝l₂.z-l₁.z(两个交点的Z坐标值的差)；(2)无数个交点，说明该生长线与零件边界重合，舍弃。第四步，依据各线段的长度l_n与单层最大层高d_max(3mm)的比值k_min，对k_min向上取整得到层数m_min；将各线段的长度l_n与单层最小层高d_min(2mm)的比值k_max，对k_max向上取整得到层数m_max，零件中，由于各线段中最小的m_max(300/2＝150mm)大于各线段中最大的m_min(380/3＝126.66，向上取整为127)，此为特殊情况，可取层数m为138(127与150的平均值取整)；将各线段等距划分为138段，保存划分点的坐标值，并确定每个划分点所在的层数。其中，层数的确定方式为：从靠近生长线起始点的交点(零件中即为起始点)开始，第一个点标注为0，第二个点标注为1，直到第138个点标注为138。然后，寻找边界点，方法是：依次找到同一曲面层离边界最近的点的切线，切线与零件边界的交点即为该层的边界点，将边界上的点保存到该层的点数据中，构成完整的该层点数据。第五步：将各层的点按一定顺序保存起来，每一层的点云构成曲面层，由此完成曲面分层。保存的顺序遵照一定的规则，并与填充策略有关，比如采用Z字形的填充策略，则按照Z字形的方向依次保存该层的各个点。第六步：对各曲面层进行路径填充，零件采用的填充方法为Z字形填充，并生成控制数据，选择电弧增材制造的方式进行零件的实体制造。

请参阅图3及图4A-图4F，图3中的叶片状零件的处理方式与图2中的柱状零件的处理方式相同；图4A-图4F显示了菱形零件的曲面分层流程示意图，在求得生长线与零件边界的交点后，判断点1是无效点，点2是有效点，点2是生长线与边界的第三个交点，它与第四个交点构成当前生长线上的第二条线段，区别于第一条线段3；对于同一条生长线上有多条交线段的情况，第二条及其之后的交线段的划分点4应当在其前一条交线段的基础上确定所在层数，图中相邻两个划分点的间隔即为层厚5。

本发明提供的适用于增材制造的曲面分层方法，所述曲面分层方法依据实际情况选择等层厚分层方式或者变层厚分层方式，且对划分点的有效性进行判断，同时剔除无效的生长线，如此提高了效率及分层精度，且使得依据该方法制备的零件表面质量更优、力学性能更佳，灵活性较好，适用性较强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)构建待分层零件的三维模型，并确定待分层零件的生长方向及绘制生长线；

(2)求解所述生长线与待分层零件的表面边界的交点，将得到的交点连接成线段，并求解出各线段的长度；

(3)依据各线段的长度及单层厚度确定层数，进而采用等层厚分层方式或者变层厚分层方式对待分层零件进行分层，并记录下划分点的坐标值及确定每个划分点所在的层数；

(4)将各层的划分点按照预定顺序保存起来，并求解出每一层的边界点，所述划分点与所述边界点构成各曲面层的点云，每一层的点云构成曲面层，由此完成曲面分层；其中，生长线的绘制包括以下步骤：

(11)求解待分层零件的最小包围盒；

(12)根据所述最小包围盒确定生长线的起止坐标值；

(13)根据精度要求绘制生长线，起始点与终止点连接的线段即为生长线。

2.如权利要求1所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：步骤(2)中，在求解交点时校验交点是否有效，若交点无效，则剔除该交点。

3.如权利要求2所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：在生长线上选择距离交点预定距离的两个点，并判断这两个点是否在实体内，如果有一个在实体内，则该交点为有效点，否则为无效点。

4.如权利要求2所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：如果交点数是2的倍数，则将相邻的两个交点连接成直线段；若出现有无数个交点的情况，则舍弃对应的生长线。

5.如权利要求1-4任一项所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：采用等层厚进行分层时，依据各线段的长度l_n与单层厚度d的比值k，对k向上取整以得到层数m，接着将线段按照间隔d划分为m段，保留划分点的坐标值，并确定每个划分点所在的层数。

6.如权利要求5所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：采用变层厚方式进行分层时，给定单层厚度的最大值d_max和最小值d_min，依据各线段的长度l_n与单层最大层厚d_max的比值k_min，对k_min向上取整得到层数m_min；将各线段的长度l_n与单层最小层厚d_min的比值k_max，对k_max向上取整得到层数m_max。

7.如权利要求6所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：取线段长度最大的线段对应的层数的最小值m₁，找到层数最大值为m₁的线段，这两条线段的长度值形成一个区间，该区间的线段取层数为m₁，将线段等分为m₁段；再取层数最大值为m₁的线段的层数最小值m₂，对应的找到层数最大值为m₂的线段，这两条线段的长度值形成下一个区间，当前区间的线段取层数为m₂，对应地将线段等分为m₂段；依此类推，直到m＝1，保留划分点的坐标值，并确定每个划分点所在的层数。

8.如权利要求1-4任一项所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：每个划分点所在层数的确定方法有两种：一种是从靠近生长线起始点的划分点开始；另一种是求出所有生长线最终确定的最大层数，并从靠近生长线终点的划分点开始。

9.如权利要求1-4任一项所述的适用于增材制造的曲面分层方法，其特征在于：步骤(4)中，依次找到同一曲面层离边界最近的点的切线，该切线与零件边界的交点即为该层的边界点。

Images