CN109954881A - 一种基于分区的变线宽和变层厚的3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法，属于3D打印技术领域。该方法将制品分为单元轮廓、区域轮廓和区域填充实体，采用单元轮廓线宽和单元轮廓层厚对单元轮廓进行多层打印成形，采用区域轮廓线宽和区域轮廓层厚对区域轮廓进行多层打印成形，再采用区域填充实体线宽和成形单元的单元层厚对区域填充实体进行一次性打印成形。本发明所提供方法特别适用于大尺寸、形状复杂制品的3D打印成形，实现了制品的高效高精度3D打印成形。

Description

一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
技术背景
3D打印技术是一种基于离散堆积思想打印制品的新型材料成形技术，其原理是先建立制品的三维模型，再将三维模型按照一定的层厚和线宽进行分层处理和路径规划处理，最后按照所规划的路径逐层打印出制品。根据3D打印技术的原理，线宽和层厚是影响制品的成形效率和打印精度的关键因素。
传统的3D打印方式通常按照不变的线宽和层厚打印制品。当线宽和层厚较小时，制品的打印精度较高，但成形效率较低；当线宽和层厚较大时，制品的成形效率较高，但打印精度较低。因此，在传统的3D打印技术中，制品的高成形效率和高打印精度常常难以兼顾。针对上述问题，目前主要的解决方法为：将制品分为轮廓和内部填充实体两部分，并对这两部分分别采用不同的线宽和层厚进行打印，即采用较小线宽和层厚对轮廓进行打印，采用较大线宽和层厚对内部填充实体进行打印。尽管上述变线宽和变层厚的3D打印方法能够在一定程度上兼顾制品的高成形效率和高打印精度，但是仍然存在以下问题：
(1)当采用较大线宽和层厚对含有较复杂形状的内部填充实体进行打印时，容易在形状复杂区域出现液态原料填充不满的问题，使制品内部产生孔洞缺陷，限制了该方法的适用范围；
(2)由于液态原料的粘度较小，当采用过大线宽和层厚对内部填充实体进行打印时，液态原料在凝固过程中容易出现侧边流淌的问题，破坏打印的进行，从而限制了线宽和层厚的提升范围；
(3)采用较大线宽和层厚对制品特别是金属制品的内部填充实体进行成形时，由于成形过程中热输入较大，会增大制品的残余应力，使制品产生变形和开裂等缺陷。
因此，开发适用范围广、线宽和层厚提升范围大以及制品残余应力小的变线宽和变层厚的3D打印新方法，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对采用变线宽和变层厚的3D打印方法对制品进行成形时存在的适用范围较窄、线宽和层厚提升范围较小以及制品的残余应力较大等问题，将分区的思想引入变线宽和变层厚的3D打印方法中，提出一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。该方法首先将制品沿竖直方向划分为多个成形单元，将成形单元划分为单元轮廓和单元填充实体，将单元填充实体沿水平方向采用分区的方法划分为多个打印区域，并将打印区域划分为区域轮廓和区域填充实体，采用较小线宽和层厚对单元轮廓进行多层打印成形，采用中等线宽和层厚对区域轮廓进行多层打印成形，再采用较大线宽和层厚对区域填充实体进行一次性打印成形，最终完成所有成形单元的打印，获得所需制品。该方法将制品分为多个打印区域进行成形，降低了制品的残余应力；将打印区域进一步分为区域轮廓和区域填充实体进行成形，并采用中等线宽和层厚对区域轮廓进行多层打印成形，利用了区域轮廓对区域填充实体成形时的约束作用，当线宽和层厚过大时，仍然可以避免液态原料在凝固过程中出现侧边流淌的问题，提升了线宽和层厚的调整范围；同时，在区域轮廓的约束作用下，采用较大线宽和层厚对区域填充实体进行一次性打印成形，充分利用了液态原料的流动性，使液态原料在形状复杂区域也能充分填充，提升了变线宽和变层厚的3D打印方法的适用范围。本发明的目的是提供一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法，特别适用于大尺寸、形状复杂制品的3D打印成形。
根据本发明的第一方面，提供一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法，所述方法将制品分为单元轮廓和由所述单元轮廓包围着的单元填充实体，再将所述单元填充实体分为区域轮廓和由所述区域轮廓包围着的区域填充实体，采用单元轮廓线宽和单元轮廓层厚对所述单元轮廓进行多层打印成形，采用区域轮廓线宽和区域轮廓层厚对所述区域轮廓进行多层打印成形，再采用区域填充实体线宽和成形单元的单元层厚对所述区域填充实体进行一次性打印成形，
其中，
所述单元轮廓线宽＜所述区域轮廓线宽＜所述区域填充实体线宽；
所述单元轮廓层厚＜所述区域轮廓层厚＜所述单元层厚。
进一步的，所述方法包括如下步骤：
第一步：构建所述制品的三维模型，将所述三维模型沿竖直方向进行所述成形单元划分；
第二步：将每个所述成形单元划分为所述单元轮廓和由所述单元轮廓包围着的所述单元填充实体两部分，将每个所述单元填充实体沿水平方向进行打印区域的划分，将每个所述打印区域划分为所述区域轮廓和由所述区域轮廓包围着的所述区域填充实体两部分；
第三步：将每个所述单元轮廓沿竖直方向进行单元轮廓层划分，将每个所述区域轮廓沿竖直方向进行区域轮廓层的划分；
第四步：将每个所述单元轮廓层进行单元打印路径规划，将每个所述区域轮廓层进行区域打印路径规划，将每个所述区域填充实体进行区域成形路径规划；
第五步：根据所述单元打印路径以所述单元轮廓线宽和所述单元轮廓层厚对一个所述单元轮廓的每一个所述单元轮廓层进行逐层打印成形，获得一个所述单元轮廓；
第六步：根据所述区域打印路径以所述区域轮廓线宽和所述区域轮廓层厚对一个所述单元轮廓包围着的所有所述区域轮廓的每一个所述区域轮廓层进行逐层打印成形，获得一个所述单元轮廓包围着的所有所述区域轮廓；
第七步：根据所述区域填充实体的所述区域成形路径以所述区域填充实体线宽和所述单元层厚对一个所述单元轮廓包围着的所有所述区域填充实体分别进行一次性打印成形；
第八步：重复上述第五步、第六步和第七步，直到成形得到所述制品。
进一步的，所述单元轮廓线宽为0.05～50mm，所述区域轮廓线宽为0.1～100mm，所述区域填充实体线宽为0.5～500mm。
进一步的，所述单元轮廓层厚为0.01～10mm，所述区域轮廓层厚为0.02～20mm，所述成形单元的所述单元层厚为0.1～100mm。
进一步的，每个所述区域填充实体的所述区域填充实体线宽以及所述成形单元的所述单元层厚由所述制品不同区域的形状复杂程度决定，可以相同也可以不同。
进一步的，利用3D打印设备完成打印成形操作。
进一步的，所述3D打印设备装配有基于液体的能够改变流量的3D打印系统、基于激光束的能够改变束斑直径的3D打印系统、基于电子束的能够改变束斑直径的3D打印系统、基于等离子束的能够改变束斑直径的3D打印系统或能够实现不同线宽和层厚打印的3D打印系统中的至少一种。
根据本发明的第二方面，提供一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印系统，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如上任一方面所述的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一方面所述的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
本发明的有益效果包括：
1.基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法将制品分为单元轮廓、区域轮廓和区域填充实体，并分别采用不同的线宽和层厚对其成形，同时兼顾了线宽和层厚对制品的成形效率和打印精度的影响，能够大幅提升制品的成形效率和打印精度。
2.基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法将每层制品沿水平方向划分为多个打印区域进行打印成形，可以有效的减少制品特别是金属制品的残余应力，避免制品产生变形和开裂等缺陷。
3.基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法将打印区域分为区域轮廓和区域填充实体，并采用中等区域轮廓线宽和中等区域轮廓层厚对区域轮廓进行多层打印成形，充分利用了区域轮廓对区域填充实体成形时的约束作用，避免了区域轮廓和区域填充实体成形时液态原料出现侧边流淌的问题，提升了线宽和层厚的调整范围。
4.基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法采用较大区域实体线宽和较大单元层厚对区域填充实体进行一次性打印成形，充分利用了液态原料凝固前的流动性，使液态原料在区域轮廓的约束下向形状复杂区域充分填充，避免了制品内部出现孔洞缺陷，提升了变线宽和变层厚的3D打印方法的适用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法，属于3D打印技术领域。本发明将制品分为单元轮廓、区域轮廓和区域填充实体，采用较小单元轮廓线宽和较小单元轮廓层厚对单元轮廓进行多层打印成形，采用中等区域轮廓线宽和中等区域轮廓层厚对区域轮廓进行多层打印成形，再采用较大区域实体线宽和较大单元层厚对区域填充实体进行一次性打印成形。本发明的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法适用范围广，线宽和层厚提升范围大，且所打印制品具有残余应力小等优点。
实施例1：
纯铝叶片的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
S1：构建纯铝叶片的三维模型，将三维模型沿竖直方向按照1mm的单元层厚进行成形单元划分；
S2：将每个成形单元划分为单元轮廓和由单元轮廓包围着的单元填充实体两部分，将每个单元填充实体沿水平方向进行打印区域的划分，将每个打印区域划分为区域轮廓和由区域轮廓包围着的区域填充实体两部分；
S3：将每个单元轮廓沿竖直方向按照0.1mm的单元轮廓层厚进行单元轮廓层划分，将每个区域轮廓沿竖直方向按照0.2mm的区域轮廓层厚进行区域轮廓层划分；
S4：将每个单元轮廓层按照0.5mm的单元轮廓线宽进行单元打印路径规划，将每个区域轮廓层按照1mm的区域轮廓线宽进行区域打印路径规划，将每个区域填充实体按照5mm的区域填充实体线宽进行区域成形路径规划；
S5：利用3D打印设备根据单元轮廓层的单元打印路径以0.5mm的单元轮廓线宽和0.1mm的单元轮廓层厚对一个单元轮廓的每一个单元轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓；
S6：利用3D打印设备根据区域轮廓层的区域打印路径以1mm的区域轮廓线宽和0.2mm的区域轮廓层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓的每一个区域轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓；
S7：利用3D打印设备根据区域填充实体的区域成形路径以5mm的区域实体线宽和1mm的单元层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域填充实体分别进行一次性打印成形；
S8：重复S5、S6和S7，直到成形得到纯铝叶片。
实施例2：
铝合金异形管的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
S1：构建铝合金异形管的三维模型，将三维模型沿竖直方向按照1～5mm的单元层厚进行成形单元划分；
S2：将每个成形单元划分为单元轮廓和由单元轮廓包围着的单元填充实体两部分，将每个单元填充实体沿水平方向进行打印区域的划分，将每个打印区域划分为区域轮廓和由区域轮廓包围着的区域填充实体两部分；
S3：将每个单元轮廓沿竖直方向按照0.2mm的单元轮廓层厚进行单元轮廓层划分，将每个区域轮廓沿竖直方向按照0.5mm的区域轮廓层厚进行区域轮廓层划分；
S4：将每个单元轮廓层按照1mm的单元轮廓线宽进行单元打印路径规划，将每个区域轮廓层按照2.5mm的区域轮廓线宽进行区域打印路径规划，将每个区域填充实体按照5mm的区域填充实体线宽进行区域成形路径规划；
S5：利用3D打印设备根据单元轮廓层的单元打印路径以1mm的单元轮廓线宽和0.2mm的单元轮廓层厚对一个单元轮廓的每一个单元轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓；
S6：利用3D打印设备根据区域轮廓层的区域打印路径以2.5mm的区域轮廓线宽和0.5mm的区域轮廓层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓的每一个区域轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓；
S7：利用3D打印设备根据区域填充实体的区域成形路径以5mm的区域实体线宽和1～5mm的单元层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域填充实体分别进行一次性打印成形；
S8：重复S5、S6和S7，直到成形得到铝合金异形管。
实施例3：
铜合金齿轮的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
S1：构建铜合金齿轮的三维模型，将三维模型沿竖直方向按照20mm的单元层厚进行成形单元划分；
S2：将每个成形单元划分为单元轮廓和由单元轮廓包围着的单元填充实体两部分，将每个单元填充实体沿水平方向进行打印区域的划分，将每个打印区域划分为区域轮廓和由区域轮廓包围着的区域填充实体两部分；
S3：将每个单元轮廓沿竖直方向按照1mm的单元轮廓层厚进行单元轮廓层划分，将每个区域轮廓沿竖直方向按照2mm的区域轮廓层厚进行区域轮廓层划分；
S4：将每个单元轮廓层按照5mm的单元轮廓线宽进行单元打印路径规划，将每个区域轮廓层按照10mm的区域轮廓线宽进行区域打印路径规划，将每个区域填充实体按照20～100mm的区域填充实体线宽进行区域成形路径规划；
S5：利用3D打印设备根据单元轮廓层的单元打印路径以5mm的单元轮廓线宽和1mm的单元轮廓层厚对一个单元轮廓的每一个单元轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓；
S6：利用3D打印设备根据区域轮廓层的区域打印路径以10mm的区域轮廓线宽和2mm的区域轮廓层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓的每一个区域轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓；
S7：利用3D打印设备根据区域填充实体的区域成形路径以20～100mm的区域实体线宽和20mm的单元层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域填充实体分别进行一次性打印成形；
S8：重复S5、S6和S7，直到成形得到铜合金齿轮。
实施例4：
纯铜随形冷却模具的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
S1：纯铜随形冷却模具的三维模型，将三维模型沿竖直方向按照0.1～10mm mm的单元层厚进行成形单元划分；
S2：将每个成形单元划分为单元轮廓和由单元轮廓包围着的单元填充实体两部分，将每个单元填充实体沿水平方向进行打印区域的划分，将每个打印区域划分为区域轮廓和由区域轮廓包围着的区域填充实体两部分；
S3：将每个单元轮廓沿竖直方向按照0.01mm的单元轮廓层厚进行单元轮廓层划分，将每个区域轮廓沿竖直方向按照0.05mm的区域轮廓层厚进行区域轮廓层划分；
S4：将每个单元轮廓层按照0.05mm的单元轮廓线宽进行单元打印路径规划，将每个区域轮廓层按照0.25mm的区域轮廓线宽进行区域打印路径规划，将每个区域填充实体按照0.5～50mm的区域填充实体线宽进行区域成形路径规划；
S5：利用3D打印设备根据单元轮廓层的单元打印路径以0.05mm的单元轮廓线宽和0.01mm的单元轮廓层厚对一个单元轮廓的每一个单元轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓；
S6：利用3D打印设备根据区域轮廓层的区域打印路径以0.25mm的区域轮廓线宽和0.05mm的区域轮廓层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓的每一个区域轮廓层进行逐层打印成形，获得一个单元轮廓包围着的所有区域轮廓；
S7：利用3D打印设备根据区域填充实体的区域成形路径以0.5～50mm的区域实体线宽和0.1～10mm的单元层厚对一个单元轮廓包围着的所有区域填充实体分别进行一次性打印成形；
S8：重复S5、S6和S7，直到成形得到纯铜随形冷却模具。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机、计算机、服务器、空调器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法，其特征在于，所述方法将制品分为单元轮廓和由所述单元轮廓包围着的单元填充实体，所述单元填充实体分为区域轮廓和由所述区域轮廓包围着的区域填充实体，采用单元轮廓线宽和单元轮廓层厚对所述单元轮廓进行多层打印成形，采用区域轮廓线宽和区域轮廓层厚对所述区域轮廓进行多层打印成形，再采用区域填充实体线宽和成形单元的单元层厚对所述区域填充实体进行一次性打印成形，
其中，
所述单元轮廓线宽＜所述区域轮廓线宽＜所述区域填充实体线宽；
所述单元轮廓层厚＜所述区域轮廓层厚＜所述单元层厚。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步：构建所述制品的三维模型，将所述三维模型沿竖直方向进行所述成形单元划分；
第二步：将每个所述成形单元划分为所述单元轮廓和由所述单元轮廓包围着的所述单元填充实体两部分，将每个所述单元填充实体沿水平方向进行打印区域的划分，将每个所述打印区域划分为所述区域轮廓和由所述区域轮廓包围着的所述区域填充实体两部分；
第三步：将每个所述单元轮廓沿竖直方向进行单元轮廓层划分，将每个所述区域轮廓沿竖直方向进行区域轮廓层的划分；
第四步：将每个所述单元轮廓层进行单元打印路径规划，将每个所述区域轮廓层进行区域打印路径规划，将每个所述区域填充实体进行区域成形路径规划；
第五步：根据所述单元打印路径以所述单元轮廓线宽和所述单元轮廓层厚对一个所述单元轮廓的每一个所述单元轮廓层进行逐层打印成形，获得一个所述单元轮廓；
第六步：根据所述区域打印路径以所述区域轮廓线宽和所述区域轮廓层厚对一个所述单元轮廓包围着的所有所述区域轮廓的每一个所述区域轮廓层进行逐层打印成形，获得一个所述单元轮廓包围着的所有所述区域轮廓；
第七步：根据所述区域填充实体的所述区域成形路径以所述区域填充实体线宽和所述单元层厚对一个所述单元轮廓包围着的所有所述区域填充实体分别进行一次性打印成形；
第八步：重复上述第五步、第六步和第七步，直到成形得到所述制品。
3.根据权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，所述单元轮廓线宽为0.05～50mm，所述区域轮廓线宽为0.1～100mm，所述区域填充实体线宽为0.5～500mm。
4.根据权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，所述单元轮廓层厚为0.01～10mm，所述区域轮廓层厚为0.02～20mm，所述成形单元的单元层厚为0.1～100mm。
5.根据权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，每个所述区域填充实体的所述区域填充实体线宽以及所述成形单元的单元层厚根据所述制品不同区域的形状复杂程度为相同的或不同的。
6.根据权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，利用3D打印设备完成打印成形操作。
7.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印设备装配有基于液体的能够改变流量的3D打印系统、基于激光束的能够改变束斑直径的3D打印系统、基于电子束的能够改变束斑直径的3D打印系统、基于等离子束的能够改变束斑直径的3D打印系统或能够实现不同线宽和层厚打印的3D打印系统中的至少一种。
8.一种基于分区的变线宽和变层厚的3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：
处理器和用于存储可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行根据权利要求1至7任一项所述的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1至7任一项所述的基于分区的变线宽和变层厚的3D打印方法。
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