CN109759586B - 一种内通道结构的无支撑分层切片方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内通道结构的无支撑分层切片方法，涉及金属增减材混合技术领域。本发明步骤如下：步骤1：确定参数；步骤2：开始预切片；根据参数对模型沿给定方向进行预切片；步骤3：添加分割平面；步骤4：重复步骤2和步骤3，当切片不再和模型有交点时，预切片过程结束，得到所有的分割平面；步骤5：确定优先级，按照优先级顺序分割模型获得子模块；步骤6：对各子模块外轮廓进行悬垂检查；步骤7：整个模型分割完毕，沿各个子模块的底面法向为方向进行再切片，完成对整个模型的分层切片。本方法在制造内通道零件的时候免于制造支撑结构，从而节省材料，提高制造效率。

Description

一种内通道结构的无支撑分层切片方法

技术领域

本发明涉及金属增减材混合技术领域，尤其涉及一种内通道结构的无支撑分层切片方法。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)也被我们称为3D打印技术，诞生于20世纪80年代，最早出现的是立体光固化成型技术(Stereo Lithography Apparatus，SLA)，使用的是光敏树脂；随后出现了熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling，FDM)，使用的是多是ABS工程塑料和聚乳酸(PLA)等塑料；接着出现了选区激光烧结成型技术(Selective Laser Sintering，SLS)和选区激光熔化成型技术(Selective LaserMelting，SLM)这两种基于铺粉式的金属增材技术；后来又出现了激光近净成型技术(LaserEngineered Net Shaping，LENS)和送丝电弧熔积增材制造技术(Wire Arc AdditiveManufacture，WAAM)等非铺粉式的金属增材技术，其中激光近净成型技术又有激光熔覆(Laser Cladding)等名称。本发明涉及的增材技术是基于非铺粉式的金属增材技术，主要有激光近净成型和送丝电弧熔积增材制造这两种技术。

目前来看，由于3D打印技术的成型原理，单纯的金属增材技术难以制造出表面质量令人满意的零件，通常需要借助传统的减材加工得到较高的表面精度，增减材混合成型整合了增材制造成型灵活和节省材料的优点以及减材加工表面精度高的优点，实现两种制造技术的优势互补，是一种很有潜力的制造技术。

3D打印技术理论上可以成型任意形状的零件，但实际上由于材料自身的重力和张力的原因，对于具有悬垂结构的部分，只能在一定限度内无支撑成型，对于超出限制的悬垂结构，为防止沉积材料的塌陷，需要添加支撑结构，以保证悬垂结构的顺利成型。制造支撑结构也是增材成型的一部分，成型结束后还需要对这部分支撑结构进行去除，如果零件内部存在支撑结构，特别是一些具有内腔结构的零件(如内通道零件)，这时支撑结构的去除会变得很麻烦，甚至变得不可能。所以，总的来说，支撑结构不仅耗费材料，延长制造时间，而且后续的处理也很繁琐，在增材制造的过程中应尽量避免支撑结构的产生。当前的3D打印技术通常只沿单一方向分层切片，无法根据实际情况做出改变，因而在遇到较大悬垂结构的时候，不可避免地会生成支撑结构。

关于模型的无支撑分层切片方法国内外已经有相关的研究，也提出了一些具体的方法，但这些方法都是针对模型的外部悬垂结构所做的研究，而针对内部悬垂结构，特别是内通道零件的无支撑分层切片的方法还没有相关研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种内通道结构的无支撑分层切片方法，本方法是面向增减材混合加工成型工艺在制造内通道零件的时候免于制造支撑结构，从而节省材料，提高制造效率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种内通道结构的无支撑分层切片方法，包括如下步骤：

步骤1：确定参数；包括设定切片厚度h、根据设备的加工能力得到此时单方向无支撑增材的极限悬垂角度θ_max、根据下式求出极限悬垂长度l_max；

其中

为搭接率，l为悬垂长度，l′为重叠部分长度，θ为悬垂角，h为切片层高，b为单道打印层宽度，

为最小搭接率；

步骤2：开始预切片；确定模型的底面和初始方向，根据参数对模型沿给定方向进行预切片，因设定的切片厚度为h所以每次切片间隔距离也为h；切片过程中实时计算相邻的上下两层的内轮廓的悬垂长度或者悬垂角度，当悬垂长度值或者悬垂角度值大于等于极限值时，记录上下层内轮廓上的对应点，停止切片；

步骤3：添加分割平面；在单方向无支撑增材达到极限时，改变建造方向并选定一个新的建造底面；通过下层内轮廓里最大悬垂长度或者最大悬垂角度对应的点，以该点的沿管道方向的切向作为法向量形成分割平面，使平面垂直于过该点的轴向切线，然后以该平面作为新的底面，沿该平面的法向量为切片方向继续按照上述间隔h进行切片；

步骤4：重复步骤2和步骤3，当切片不再和模型有交点时，整个预切片过程结束，得到所有的分割平面；

步骤5：确定优先级，按照优先级顺序分割模型获得子模块；按照分割平面出现的顺序确定优先级，最先出现的分割平面优先级最低，最后出现的分割平面优先级最高，从最高优先级的分割平面开始，沿平面分割模型，获得一个子模块和剩余模型，再沿着次优先级平面分割剩余模型，得到第二个子模块和剩余模型，按照优先级顺序分割剩余模型，直到整个模型被划分完毕，获得n个子模块；

步骤6：对各子模块外轮廓进行悬垂检查；由于步骤5获得的子模块外表面都是平面，因此只检查子模块底面以及和底面接触的侧面之间的角度是否超过极限悬垂角度，如果存在，标记与底面悬垂角度大于等于极限值的侧面及其和底面的交线，经过这些交线以平行于底面的向量为法向，添加分割平面，按照步骤5对子模块的进行分割，检查完所有子模块之后，获得n+m个子模块；

步骤7：整个模型分割完毕，沿各个子模块的底面法向为方向以h为间隔进行再切片，完成对整个模型的分层切片。

所述的分割平面视作为建造底面，当建造完一个子模块后，通过对底座的旋转和移动使添加的底面与增材沉积头保持垂直，进行下一个子模块的建造；建造过程由于阶梯效应底面必须经过减材加工，以获得平整的表面，才能进行增材制造。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种内通道结构的无支撑分层切片方法，本发明用于解决内通道的无支撑增材成型问题，使得激光近净成型等类似的金属增材技术可以无需支撑结构成型内通道结构这类形状较为复杂且具有内部大悬垂的结构，能提高制造的效率，同时减少材料的浪费，在一定程度上也能降低成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的内通道结构的无支撑分层切片方法流程图；

图2为本发明第一实施例提供的第一次添加分割平面图；

图3为本发明第一实施例提供的第二次添加分割平面图；

图4为本发明第一实施例提供的预切片结束示意图，其中，4-1为子模块1，4-2为子模块2，4-3为子模块3，4-4为子模块4，4-5为子模块5，4-6为子模块6，4-7为子模块7；

图5为本发明第一实施例提供的子模块3的再分割过程图，其中，5-1为大悬垂侧面，5-2为分割平面，5-3为内部通道，5-4为子模块底面；

图6为本发明第一实施例提供的所有子模块再分割完成示意图；

图7为本发明第一实施例提供的各子模块建造方向示意图，其中7-1为建造方向；

图8为本发明第二实施例提供的模型预切片分割情况示意图，其中，8-1为分割面1,8-2为分割面2，8-3为分割面3，8-4为分割面4，8-5为分割面5，8-6为分割面6，8-7为分割面7，8-8为分割面8，8-9为分割面9；

图9为本发明第二实施例提供的对外部悬垂过大的各子模块再分割示意图；

图10为本发明第三实施例提供的预切片分割情况示意图，其中，10-1为分割面1，10-2为分割面2，10-3为分割面3，10-4为分割面4，10-5为分割面5，10-6为分割面6，10-7为分割面7，10-8为分割面8，10-9为分割面9，10-10为分割面10，10-11为分割面11，10-12为分割面12，10-13为分割面13；

图11为本发明第三实施例提供的对外部悬垂过大的各子模块再分割示意图。

具体实施方式

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。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的方法如下所述。

实施例1

本发明提供一种内通道结构的无支撑分层切片方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：确定参数；包括设定切片厚度h、根据设备的加工能力得到此时单方向无支撑增材的极限悬垂角度θ_max、根据相关的关系求出极限悬垂长度l_max；由此可以得到添加分割平面的依据：当上下两层内轮廓之间的最大悬垂长度或者最大悬垂角大于极限值时，此时需要添加分割平面。

相关的关系式为：

其中

为搭接率，l为悬垂长度，l′为重叠部分长度，θ为悬垂角，h为切片层高，b为单道打印层宽度，

为最小搭接率；

本实施例采用一段弯曲模型，切片厚度h＝1mm，单道打印层宽度b＝2mm，最小搭接率

最大悬垂长度l_max＝0.4mm，最大悬垂角θ_max＝21.8°；

步骤2：开始预切片；确定模型的底面和初始方向，根据参数对模型沿给定方向进行预切片，每次切片间隔距离为h；切片过程中实时计算相邻的上下两层的内轮廓的悬垂长度或者悬垂角度，当悬垂长度值或者悬垂角度值大于等于极限值时，记录上下层内轮廓上的对应点，停止切片；

本实施例中初始切片方向为底面的法向方向(一般为竖直向上)，切片间隔为h。第一次切片，上层和底层内轮廓之间的最大悬垂长度或者最大悬垂角度小于极限值；进行第二次切片，上述值仍然小于极限值；进行第三次切片，继续上述操作。当进行到第十三次切片时，此时上下层内轮廓之间最大悬垂长度或者最大悬垂角度大于等于极限值，单方向无支撑增材达到极限，停止切片，需要改变方向，如图2所示。

步骤3：添加分割平面；在单方向无支撑增材达到极限时，改变建造方向并选定一个新的建造底面；通过下层内轮廓里最大悬垂长度或者最大悬垂角度对应的点，以该点的沿管道方向的切向作为法向量形成分割平面，使平面垂直于过该点的轴向切线，因现实无法达到平面完全垂直与过该点的轴向切线，所以实际操作时只能使得平面尽量垂直于过该点的轴向切线，然后以该平面作为新的底面，沿该平面的法向量为切片方向继续按照上述间隔h进行切片；

法向量通常情况下取该处沿管道方向的切向；

实际上由于设备的干涉等情况分割平面的法向可能无法取到对应点沿管道方向的切向值，可以通过相关的计算进行调整，如有可能发生的碰撞干涉，比如打印头和底座的碰撞干涉计算等；

本实施例中添加分割平面后，以分割平面法向为切片方向，间隔h继续进行切片，判断相邻两层的最大悬垂长度或者最大悬垂角度是否大于等于极限值，当沿新方向进行第十次切片的时候，上述值大于等于极限值，于下层轮廓的对应点添加一个分割平面，如图3所示。

步骤4：重复步骤2和步骤3，当切片不再和模型有交点时，整个预切片过程结束，得到所有的分割平面；

步骤5：确定优先级，按照优先级顺序分割模型获得子模块；按照分割平面出现的顺序确定优先级，最先出现的优先级最低，最后出现的优先级最高，从最高优先级的分割平面开始，沿平面分割模型，获得一个子模块和剩余模型，再沿着次优先级平面分割剩余模型，得到第二个子模块和剩余模型，按照优先级顺序分割剩余模型，直到整个模型被划分完毕，获得n个子模块；如图4所示，共获得7个子模块；

步骤6：对各子模块外轮廓进行悬垂检查；由于步骤5获得的子模块外表面都是平面，因此只检查子模块底面以及和底面接触的侧面之间的角度是否超过极限悬垂角度，如果存在，标记与底面悬垂角度大于等于极限值的侧面及其和底面的交线，经过这些交线以平行于底面的向量为法向，添加分割平面，按照步骤5对子模块的进行分割，检查完所有子模块之后，获得n+m个子模块；

本实施例中子模块3、4、5都存在悬垂过大的情况，如图5所示，子模块3标记与底面悬垂角度大于等于极限值的侧面及其和底面的交线，过这些交线，以平行于底面的向量为法向，添加分割平面。同样按照步骤5的方法进行子模块的分割。子模块4、5按同样的方法进行分割，最后得到整个模型的分割结果，如图6所示，分割出10个子模块，分别为Part1-Part10；

步骤7：整个模型分割完毕，沿各个子模块的底面法向为方向以h为间隔进行再切片，完成对整个模型的分层切片。本实施例中各个子模块及其建造方向如图7所示，图中的箭头指向即为其建造方向。

所述的每个分割平面都是一个新的建造底面，当建造完一个子模块后，通过旋转和移动使得新的底面与增材沉积头保持垂直，进行下一部分的建造。建造过程由于阶梯效应底面必须经过减材加工，以获得平整的表面，才能进行增材制造。

所述阶梯效应：打印的实质是层叠制造，是将实体离散成一系列的平面层(当然也可以是曲面层，这里是指一般情况下的3D打印)，通过这些层来逼近原来的实体，层厚越小，逼近程度越好，但实际情况下由于层的厚度不可能无限小，而是有一定的厚度，所以由这些具有一定厚度的层堆叠起来的实体与实际的实体不可避免地会产生误差，阶梯效应可以通过一些措施减小，但无法消除。

实施例2

步骤1：确定参数；包括设定切片厚度h、根据设备的加工能力得到此时单方向无支撑增材的极限悬垂角度θ_max、根据相关的关系求出极限悬垂长度l_max；

相关的关系式为：

其中

为搭接率，l为悬垂长度，l′为重叠部分长度，θ为悬垂角，h为切片层高，b为单道打印层宽度，

为最小搭接率；

本实施例采用二段弯曲模型，切片厚度h＝0.5mm，单道打印层宽度b＝1mm，最小搭接率

最大悬垂长度l_max＝0.15mm，最大悬垂角θ_max＝16.7°；

步骤2：开始预切片；确定模型的底面和初始方向，根据参数对模型沿给定方向进行预切片，每次切片间隔距离为h；切片过程中实时计算相邻的上下两层的内轮廓的悬垂长度或者悬垂角度，当悬垂长度值或者悬垂角度值大于等于极限值时，记录上下层内轮廓上的对应点，停止切片；

步骤3：添加分割平面；在单方向无支撑增材达到极限时，改变建造方向并选定一个新的建造底面；通过下层内轮廓里最大悬垂长度或者最大悬垂角度对应的点，以该点的沿管道方向的切向作为法向量形成分割平面，使平面垂直于过该点的轴向切线，然后以该平面作为新的底面，沿该平面的法向量为切片方向继续按照上述间隔h进行切片；

步骤4：重复步骤2和步骤3，当切片不再和模型有交点时，整个预切片过程结束，得到所有的分割平面；如图8所示，共获得9个分割面；

步骤5：确定优先级，按照优先级顺序分割模型获得子模块；按照分割平面出现的顺序确定优先级，最先出现的优先级最低，最后出现的优先级最高，从最高优先级的分割平面开始，沿平面分割模型，获得一个子模块和剩余模型，再沿着次优先级平面分割剩余模型，得到第二个子模块和剩余模型，按照优先级顺序分割剩余模型，直到整个模型被划分完毕，获得n个子模块；

步骤6：对各子模块外轮廓进行悬垂检查；由于步骤5获得的子模块外表面都是平面，因此只检查子模块底面以及和底面接触的侧面之间的角度是否超过极限悬垂角度，如果存在，标记与底面悬垂角度大于等于极限值的侧面及其和底面的交线，经过这些交线以平行于底面的向量为法向，添加分割平面，按照步骤5对子模块的进行分割，检查完所有子模块之后，获得n+m个子模块；如图9所示共获得13个子模块，分别为Part1-Part13；

步骤7：整个模型分割完毕，沿各个子模块的底面法向为方向以h为间隔进行再切片，完成对整个模型的分层切片。

实施例3

步骤1：确定参数；包括设定切片厚度h、根据设备的加工能力得到此时单方向无支撑增材的极限悬垂角度θ_max、根据相关的关系求出极限悬垂长度l_max；

相关的关系式为：

其中

为搭接率，l为悬垂长度，l′为重叠部分长度，θ为悬垂角，h为切片层高，b为单道打印层宽度，

为最小搭接率；

本实施例采用三段弯曲模型，切片厚度h＝0.8mm，单道打印层宽度b＝1.6mm，最小搭接率

最大悬垂长度l_max＝0.288mm，最大悬垂角θ_max＝19.8°；

步骤2：开始预切片；确定模型的底面和初始方向，根据参数对模型沿给定方向进行预切片，每次切片间隔距离为h；切片过程中实时计算相邻的上下两层的内轮廓的悬垂长度或者悬垂角度，当悬垂长度值或者悬垂角度值大于等于极限值时，记录上下层内轮廓上的对应点，停止切片；

步骤3：添加分割平面；在单方向无支撑增材达到极限时，改变建造方向并选定一个新的建造底面；通过下层内轮廓里最大悬垂长度或者最大悬垂角度对应的点，以该点的沿管道方向的切向作为法向量形成分割平面，使平面垂直于过该点的轴向切线，然后以该平面作为新的底面，沿该平面的法向量为切片方向继续按照上述间隔h进行切片；

步骤4：重复步骤2和步骤3，当切片不再和模型有交点时，整个预切片过程结束，得到所有的分割平面；，如图10所示，获得13个分割面；

步骤5：确定优先级，按照优先级顺序分割模型获得子模块；按照分割平面出现的顺序确定优先级，最先出现的优先级最低，最后出现的优先级最高，从最高优先级的分割平面开始，沿平面分割模型，获得一个子模块和剩余模型，再沿着次优先级平面分割剩余模型，得到第二个子模块和剩余模型，按照优先级顺序分割剩余模型，直到整个模型被划分完毕，获得n个子模块；

步骤6：对各子模块外轮廓进行悬垂检查；由于步骤5获得的子模块外表面都是平面，因此只检查子模块底面以及和底面接触的侧面之间的角度是否超过极限悬垂角度，如果存在，标记与底面悬垂角度大于等于极限值的侧面及其和底面的交线，经过这些交线以平行于底面的向量为法向，添加分割平面，按照步骤5对子模块的进行分割，检查完所有子模块之后，获得n+m个子模块；如图11所示，共获得16个子模块，分别为Part1-Part16；

步骤7：整个模型分割完毕，沿各个子模块的底面法向为方向以h为间隔进行再切片，完成对整个模型的分层切片。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种内通道结构的无支撑分层切片方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：确定参数；包括设定切片厚度h、根据设备的加工能力得到此时单方向无支撑增材的极限悬垂角度θ_max、根据下式求出极限悬垂长度l_max；

其中

为搭接率，l为悬垂长度，l′为重叠部分长度，θ为悬垂角，h为切片层高，b为单道打印层宽度，

为最小搭接率；

步骤2：开始预切片；确定模型的底面和初始方向，根据参数对模型沿给定方向进行预切片，因设定的切片厚度为h所以每次切片间隔距离也为h；切片过程中实时计算相邻的上下两层的内轮廓的悬垂长度或者悬垂角度，当悬垂长度值或者悬垂角度值大于等于极限值时，记录上下层内轮廓上的对应点，停止切片；

步骤3：添加分割平面；在单方向无支撑增材达到极限时，改变建造方向并选定一个新的建造底面；通过下层内轮廓里最大悬垂长度或者最大悬垂角度对应的点，以该点的沿管道方向的切向作为法向量形成分割平面，使平面垂直于过该点的轴向切线，然后以该平面作为新的底面，沿该平面的法向量为切片方向继续按照上述间隔h进行切片；

所述的分割平面视作为建造底面，当建造完一个子模块后，通过对底座的旋转和移动使添加的底面与增材沉积头保持垂直，进行下一个子模块的建造；建造过程由于阶梯效应底面必须经过减材加工，以获得平整的表面，才能进行增材制造；

步骤4：重复步骤2和步骤3，当切片不再和模型有交点时，整个预切片过程结束，得到所有的分割平面；

步骤5：确定优先级，按照优先级顺序分割模型获得子模块；按照分割平面出现的顺序确定优先级，最先出现的分割平面优先级最低，最后出现的分割平面优先级最高，从最高优先级的分割平面开始，沿平面分割模型，获得一个子模块和剩余模型，再沿着次优先级平面分割剩余模型，得到第二个子模块和剩余模型，按照优先级顺序分割剩余模型，直到整个模型被划分完毕，获得n个子模块；

步骤6：对各子模块外轮廓进行悬垂检查；由于步骤5获得的子模块外表面都是平面，因此只检查子模块底面以及和底面接触的侧面之间的角度是否超过极限悬垂角度，如果存在，标记与底面悬垂角度大于等于极限值的侧面及其和底面的交线，经过这些交线以平行于底面的向量为法向，添加分割平面，按照步骤5对子模块的进行分割，检查完所有子模块之后，获得n+m个子模块；

步骤7：整个模型分割完毕，沿各个子模块的底面法向为方向以h为间隔进行再切片，完成对整个模型的分层切片。

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