CN110235130A - 增材扫掠的楔形构建工具路径 - Google Patents
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Abstract
用于设计和制造增材制造(AM)模型的系统和方法。一种方法包括：基于断开角计算用于AM模型的楔形平面和初始工具路径。该方法包括：使用断开平面修整所述AM模型的多余的工具路径。该方法包括：沿第一层的法线构建所述工具路径并且基于下一层进行修整。该方法包括：在用于修整先前楔形的楔形平面的方向上构建所述工具路径的下一个楔形。该方法包括：存储所述工具路径。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月12日提交的申请号为62/557,413的美国临时专利申请的申请日的权益，该临时专利申请通过引用结合于此。
技术领域
本公开大致上涉及管理用于产品和其他项目的数据的计算机辅助设计、可视化、和制造系统(CAD和CAM系统)、产品生命周期管理(PLM)系统和类似的系统(统称为“产品数据管理”系统或PDM系统)，并特别涉及用于增材制造的这种系统。
背景技术
CAD和CAM系统用于设计和制造产品。但需要改进的系统。
发明内容
各个实施例包括由数据处理系统执行的用于设计和制造增材制造(additivemanufacturing，AM)模型的系统和方法。该方法包括：基于断开角计算用于增材制造(AM)模型的楔形平面和初始工具路径。该方法包括：使用断开平面修整所述AM模型的多余的工具路径。该方法包括：沿第一层的法线构建所述工具路径并且基于下一层进行修整。该方法包括：在用于修整先前楔形的楔形平面的方向上构建所述工具路径的下一个楔形。该方法包括：存储所述工具路径。
前面已经相当宽泛地概述了本公开的特征和技术优点，使得本领域技术人员可以更好地理解随后的详细描述。在下文中将描述形成权利要求的主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员将理解，他们可以容易地使用所公开的概念和具体实施例作为修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还将认识到，这种等同构造不脱离本公开以其最宽泛形式的精神和范围。
各个实施例还包括接收AM模型。各个实施例还包括接收用户输入以更新断开角度从而减少楔形的数量，并且作为响应，自动地调整工具路径。在一些实施例中，所述工具路径是关联的。各个实施例还包括根据所述AM模型或工具路径物理地制造实体零件。在一些实施例中，可以使用所述模型或工具路径制造实体零件而不需要支撑结构。各个实施例还包括：在执行该方法的其他步骤时根据所述AM模型或工具路径物理地制造实体零件，使得在所述工具路径中构建下一个楔形之前，制造并修整所述工具路径中的每一个计算的楔形。
在进行下面的详细描述之前，阐述本专利文件中使用的某些词语或短语的定义可能是有利的：术语“包括”和“包含”及其衍生词是指包括而不限于；术语“或”是包容性的，意为和/或；术语“与…相关联”和“与之相关联”及其衍生词可以意味着包括、包含在其中、与…互连、包含、包含在…中、连接至、与…连接、耦合至、与…耦合、与…通信、与…合作、交错、并置、接近、约束至或受…约束、具有、具有…属性等；以及术语“控制器”表示控制至少一个操作的任何设备、系统或系统的一部分，无论这种设备是以硬件、固件、软件还是其中至少两个的某种组合实施的。应当注意，与任何特定的控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。本专利文件中提供了对某些单词和短语的定义，并且本领域普通技术人员将理解，这些定义在许多(如果不是大多数)示例中适用于这些定义的单词和短语的先前和未来的使用。虽然一些术语可以包括各种各样的实施例，但是所附权利要求可以将这些术语明确地限制于特定实施例。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考以下描述并结合附图，在附图中，相同的数字表示相同的对象，并且其中：
图1示出了用于说明所公开的实施例的增材制造扫掠的增材形状的模型；
图2示出了根据所公开的实施例的增材制造扫掠的增材形状的模型上的楔形；
图3示出了根据所公开的实施例的方法的流程图；
图4示出了根据所公开的实施例，基于断开角来计算模型的楔形平面；
图5示出了根据所公开的实施例，使用断开平面来修整模型的多余工具路径；
图6示出了根据所公开的实施例，沿着第一层的法线构建模型的工具路径；
图7示出了根据所公开的实施例，在用于修整先前的楔形的楔形平面的方向上构建下一个楔形。
图8示出了从使用本文公开的方法设计的模型制造出的零件的示例；
图9示出了从使用本文公开的方法设计的模型制造出的零件的横截面的示例；
图10示出了从使用本文公开的方法设计的模型制造出的零件的其他示例；
图11示出了具有样条曲线的模型的示例，所述样条曲线可由系统用于引导如本文所公开的方法；
图12A和图12B示出了根据所公开的实施例，使用精加工轨迹(finish pass)的模型1200和1250；
图13A和图13B示出了根据所公开的实施例，使用精加工轨迹的模型1200和1250；
图14示出了根据所公开的实施例的最终楔形上的路径修整；
图15示出了根据所公开的实施例，确定最终断开平面；
图16示出了根据所公开的实施例，确定最终断开平面；和
图17示出了可以在其中实施实施例的数据处理系统的框图。
详细描述
下面讨论的附图和用于描述本专利文件中的本公开的原理的各个实施例仅仅是示例性的，而不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的设备中实施。将参考示例性的而非限制性的实施例描述本公开的众多创新的教导。
当沉积材料时，材料沉积的速度对于确保不变的沉积体积是至关重要的。在机器上实现良好运动并提供良好速度的一种方法是在单个方向上构建材料，例如通过锁定一个或两个自由度轴。然而，在扫掠(swept)的增材形状上，这将导致需要构建支撑结构的工具路径，这在时间和材料方面都是昂贵的。“工具路径(toolpath)”指的是在制造过程(由数据处理系统控制的物理制造过程或在数据处理系统中建模/模拟的物理制造过程)中增材制造设备的沉积工具所跟随以构建连续层的路径。
图1示出了在使用常规技术制造时需要大量支撑结构的增材制造扫掠的增材形状的模型100。如果使用标准沉积技术从基部102开始制造，为了成功的制造，实际上整个模型(例如在基部102右侧的模型的所有部分以下)会需要支撑结构。
为了构建具有最大单向沉积的这种形状，系统可以以楔形分解该部分并在每个楔形上形成平面工具路径。所公开的实施例包括构建非恒定弯曲形状的系统和方法。该系统可以沿给定的样条对增材几何结构进行切片，并在每个层上构建平面图案。
图2示出了根据所公开的实施例的增材制造扫掠的增材形状的模型200上的楔形210。每个楔形210可以使用平面工具路径单独制造，这些楔形一起成为由模型200表示的整个零件。
这种方法非常繁琐并且不是最佳的，因为楔形的创建需要经验方法来找到最合适的位置以将扫掠的形状分成楔形并且避免“平面”工具路径跨越多个区域。
所公开的实施例提供了用于设计和创建增材扫掠的楔形构建工具路径的改进的系统和方法，该系统和方法用于增材制造加工，并且特别是金属沉积增材制造。
图3示出了根据所公开的实施例的方法的流程图，该方法可以例如由CAD、CAM、PLM或PDM数据处理系统执行，这些数据处理系统在下文一般被称为“系统”。关于其他附图示出了图3的方法的一些方面。
所述系统可以基于断开角计算用于增材制造模型的楔形平面和初始工具路径(305)。作为该步骤的一部分，所述系统可以接收模型，例如通过从存储器加载该模型、从其他装置或过程接收该模型、通过与用户交互接收该模型、或者以其他方式接收该模型。在某些情况下，所述系统可以与用户交互以接收输入，所述输入例如是在增材制造模型中将要创建的增材特征、路径将从其开始的基础面或基底平面、或者用于工具路径生成的参考中心曲线或样条。
在各个实施例中，所述基础面可以是单个面或多个连接面。该基础面可用于指明图案创建开始的位置。例如，可以在管道的中间选择一个面以在中途开始图案。该面/片优选地应该是平面的。
所述中心曲线或样条可以是单个曲线或多个连接的曲线。中心曲线的几何结构可以定义路径生成。中心曲线的方向定义了路径的方向。
图4示出了基于断开角410来计算模型400的楔形平面405。用户界面415允许系统接收用户输入，以指明切片轴线(在该示例中，“曲线的切线”)和切片角度(在该示例中为20.0000°)，根据该切片轴线和切片角度计算楔形平面。也可以指明输出轴线(在该示例中为“垂直于水平面”)。可以沿着基于所述切片角度的中心曲线/样条来创建楔形。工具路径420由多层线条表示，这些线条显示了工具如何沿每个楔形中的工具路径沉积材料。
回到图3的方法，所述系统可以在开始下一个楔形之前使用断开平面来修整多余的工具路径(310)。
图5示出了使用断开平面来修整模型500的多余的工具路径。应注意的是，在该图中，每个楔形断开部作为两个楔形之间的边界，并且还限定了用于相应的楔形的断开平面505。在该示例中，断开平面505用于修整楔形510的多余的工具路径。断开平面505限定了楔形515的沉积平面(应注意的是，所示出的楔形515的层位于断开平面505的平面中)。可以沿着由用户手动输入或由系统计算的曲线计算断开平面505，这取决于实施方式。手动方法可以为高级用户提供对用于计算的曲线的控制。相比之下，曲线的自动创建可以改善用于计算的曲线并且避免用户的交互。
返回图3的方法，所述系统可以沿第一层(Z轴)的法线构建工具路径并且基于下一层进行修整(315)。在一些情况下，“沉积轴”可以完全独立于断开平面并且可以被独立地控制，以改善整个沉积过程，特别是对于填充轨迹和精加工轨迹，其可以改善沉积质量。所述沉积轴线指的是沉积头如何定位以进行材料沉积。它可以与切片轴线对齐或者采用不同的对齐方式，例如与AM形状对齐(壁对齐)。在许多情况下，沉积轴线与正在制造的形状对齐，以确保良好的材料沉积和表面光洁度。然而，在一些情况下，可能牺牲具有5轴运动的壁对齐方式，以使用更稳定的方法，例如3+2轴运动。
图6示出了沿着第一层605的法线构建模型600的工具路径。在该示例中，第一层605是水平的，并且工具路径被构建为在垂直方向(垂直于第一层)上的连续的水平层610。系统基于下一层修整第一楔形，例如沿着将定义下一个楔形的第一层的断开平面(由620处的线所示)进行修整。所述断开平面也被称为下一个楔形的“楔形平面”。类似地，第一层605位于模型600的第一楔形的“楔形平面”上。对于每个楔形，所述系统可以基于切片角度以基本上平面的方式构建将要应用的工具路径。
可以使用可以由用户定义的一些其他参数来构建工具路径，所述参数例如层图案、图案方向、层厚度、路径悬垂、最小或最大步距、切割角度等。可以定义相对于增材形状的沉积取向，例如垂直于水平面(其中在每个楔形水平面处的沉积轴线是恒定的)、固定矢量(其中相同的工具轴线用于整个运动，并且可以由用户定义)、或者从曲线对齐倾斜(其中沉积轴线是基于计算中心曲线上每层处的对齐点)。
回到图3的方法，所述系统可以在用于修整先前楔形的楔形平面的方向上构建整个下一个楔形(320)。
图7示出了在用于修整先前楔形的楔形平面的方向上构建下一个楔形。在该示例中，模型700的“下一个楔形”710由沿着被用于修整第一楔形730的楔形平面(由720处的线示出)的后续层构建。
返回到图3的方法，所述系统可以接收用户输入，以更新断开角度(例如，图4中的410)，以减少楔形的数量，并且作为响应，自动地调整工具路径(325)。所述工具路径是关联的，允许用户更新设计模型。
如本文所公开的方法产生了非常平滑的工具路径(运动)和所制造零件的优异表面。所述工具路径和模型可以由系统存储，并且可以传输到其他设备或过程，或以其他方式处理。根据需要，可以重复各个步骤，以处理如本文所述的整个工具路径和楔形。
系统可以根据模型和/或工具路径物理地制造实体零件(330)。该零件可以在该过程中进行制造，其中该零件的部分或楔形被构建然后被修整，并且然后以不同的角度重复用于制造下一个楔形部分的过程。
在一些实施例中，结合自动壁对准策略，可以使用恒定体积沉积方法来创建零件或模型。
图8示出了从使用本文公开的方法设计的模型制造的零件800的示例。
图9示出了从使用本文公开的方法设计的模型制造的零件900的横截面的示例，其可用于检查楔形截面处的孔隙率。
图10示出了从使用本文公开的方法设计的模型制造的零件1005和1010的其他示例。
图11示出了具有样条曲线1105的模型1100，该样条曲线可以由系统使用来引导如本文所公开的过程。
在各个实施例中，可以优化最后的楔形平面，以避免修整工具路径并获得更好的顶部表面。此外，当楔形内的两个水平面平行且不需要修整时，系统可以在零件周围执行螺旋沉积轨迹(“精加工轨迹”)，从而可以产生更好的表面光洁度。
图12A和12B示出了根据所公开的实施例，仅使用填充和精加工轨迹策略(外轮廓工具路径)的模型1200和1250。
图12A示出了使用螺旋轨迹策略检测方法的过程。在该示例中，示出了用于模型1200的精加工轨迹1202。在区域1204中，没有修整路径，并且系统可以使用从一个水平面到另一个水平面的螺旋精加工轨迹。在模型1200弯曲的区域1206中，存在修整路径，并且系统可以使用标准的修整轨迹策略。
图12B示出了不使用螺旋轨迹策略检测方法的过程。在该示例中，示出了用于模型1250的精加工轨迹1252。在整个模型1250的区域1256中，存在修整路径，并且系统可以使用标准的修整轨迹策略。
图13A和13B示出了根据所公开的实施例，仅使用精加工轨迹策略(外轮廓工具路径)的模型1300和1350。
图13A示出了使用螺旋轨迹策略检测方法的过程。在该示例中，示出了用于模型1300的精加工轨迹1302。在区域1304中，没有修整路径，并且系统可以使用从一个水平面到另一个水平面的螺旋精加工轨迹。在模型1300弯曲的区域1306中，存在修整路径，并且系统可以使用标准的修整轨迹策略。
图13B示出了不使用螺旋轨迹策略检测方法的过程。在该示例中，示出了用于模型1350的精加工轨迹1352。在整个模型1350的区域1356中，存在修整路径，并且系统可以使用标准的修整轨迹策略。
图14示出了根据所公开的实施例的最终楔形上的路径修整。在该示例中，模型1400已经如上所述那样被建模或制造。在这种情况下，如1402所示，路径在最终楔形处被中断和修整。
图15示出了根据所公开的实施例确定最终断开平面。在该示例中，模型1500具有最终楔形平面1504。在一些实施例中，当可用时，系统可以使用最后的楔形平面1504来确定最终楔形的参考断开平面1502(使得断开平面1502平行于楔形平面1504)，而不是计算的断开平面1506。如该图所示，当使用计算的断开平面1506时，工具路径1508相对于最后的楔形平面1504偏移，这可能导致不期望的表面。
图16示出了根据所公开的实施例确定最终断开平面。在该示例中，模型1600具有最终楔形平面1604。在该示例中，系统已使用最后的楔形平面1604来确定最终楔形的参考断开平面1602，而不是计算的断开平面1606。如该图所示，当使用平行于楔形平面1604的断开平面1602时，工具路径1608相对于最后的楔形平面1604对齐，从而提供改进的最终表面。
图17示出了可以在其中实现实施例的数据处理系统1700的框图，例如是由软件特别地配置或以其他方式执行如本文所述的过程的PDM系统，并且特别是如本文所述的多个互连和通信的系统中的每一个。所描绘的数据处理系统包括连接到二级高速缓存/桥接器1704的处理器1702，二级高速缓存/桥接器1704又连接到本地系统总线1706。本地系统总线1706可以是例如外围部件互连(PCI)架构总线。在所描绘的示例中还连接到本地系统总线的是主存储器1708和图形适配器1710。图形适配器1710可以连接到显示器1711。
其他外围设备，例如局域网(LAN)/广域网/无线(例如，WiFi)适配器1712也可以连接到本地系统总线1706。扩展总线接口1714将本地系统总线1706连接到输入/输出(I/O)总线1716。I/O总线1716连接到键盘/鼠标适配器1718、磁盘控制器1720和I/O适配器1722。磁盘控制器1720可以连接到存储器1726，存储器1726可以是任何合适的机器可用或机器可读存储介质，包括但不限于非易失性、硬编码类型介质，例如只读存储器(ROM)或可擦除电可编程只读存储器(EEPROM)、磁带存储器和用户可记录类型的介质，例如软盘、硬盘驱动器和光盘只读存储器(CD-ROM)或数字通用光盘(DVD)，以及其他已知的光学、电气、或磁存储设备。
I/O适配器1722可以被连接，以与增材制造(AM)工具1728通信并且控制增材制造工具1728，其可以包括用于执行本文所公开的方法(包括物理地制造零件)的任何硬件或软件元件。
在所示示例中还连接到I/O总线1716的是音频适配器1724，扬声器(未示出)可以连接到音频适配器1724用以播放声音。键盘/鼠标适配器1718为指点设备(未示出)提供连接，所述指点设备例如为鼠标、轨迹球、跟踪指针、触摸屏等。
本领域普通技术人员将理解，图17中描绘的硬件可以针对特定实施方式而变化。例如，除了所描述的硬件之外或者代替所描述的硬件，也可以使用其他外围设备，例如光盘驱动器等。所描绘的示例仅出于解释的目的而提供，并不意味着暗示关于本公开的架构限制。
根据本公开的实施例的数据处理系统包括采用图形用户界面的操作系统。该操作系统允许多个显示窗口同时在图形用户界面中呈现，每个显示窗口提供到不同应用程序或同一应用程序的不同实例的接口。用户可以通过指点设备操纵图形用户界面中的光标。可以改变光标的位置和/或产生诸如点击鼠标按钮之类的事件以启动所需的响应。
如果进行适当修改，可以使用各种商业操作系统之一，例如Windows的版本(其是位于华盛顿州雷蒙德市的微软公司的产品)。根据本公开的描述来修改或创建操作系统。
LAN/WAN/无线适配器1712可以连接到网络1730(不是数据处理系统1700的一部分)，其可以是本领域技术人员已知的任何公共或私有数据处理系统网络或包括有互联网的网络的组合。数据处理系统1700可以通过网络1730与服务器系统1740通信，服务器系统1740也不是数据处理系统1700的一部分，但是例如可以实现为单独的数据处理系统1700。
任何避免支撑结构并且在相同操作中分开工具路径以避免改变待沉积材料的量的多轴线增材制造操作将能够使用本文所公开的技术。这样的过程可以包括构建然后修整，并以不同的角度重复。
当然，本领域技术人员将认识到，除非由操作顺序明确指出或要求，否则上述过程中的某些步骤可以省略、同时或顺序地执行、或以不同次序执行。
本文所描述的各种技术、过程、元件和实施例可以在未明确描述的其他实施例中进行组合。美国专利公开文献US2016/0263833和US2016/0263832通过引用并入本文，并且这些申请中描述的技术、过程和其他方面可以与本文公开的技术在更进一步的实施例中组合。
本领域技术人员将认识到，为了简单和清楚起见，本文未描绘或描述适用于本公开的所有数据处理系统的完整结构和操作。相反，仅描绘和描述了对于本公开而言是独特的或者对于理解本公开所必需的数据处理系统的那些部分。数据处理系统1700的其余构造和操作可以符合本领域中已知的各种当前实施方式和实践中的任何一种。
重要的是要注意，尽管本公开包括在完全功能性的系统的背景中的描述，但是本领域技术人员将理解，本公开的至少部分的机制能够以包含在机器可用、计算机可用或任何各种形式的计算机可读介质内的指令的形式进行分布，并且不管用于实际实现分布的指令或信号承载介质或存储介质特定类型，本公开同样适用。机器可用/可读或计算机可用/可读介质的示例包括：非易失性、硬编码类型介质，诸如只读存储器(ROM)或可擦除电可编程只读存储器(EEPROM)，以及用户可记录类型介质，诸如软盘磁盘、硬盘驱动器和光盘只读存储器(CD-ROM)或数字通用磁盘(DVD)。
尽管已经详细描述了本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，可以对本文公开内容进行各种改变、替换、变化和改进，而并不脱离以最宽泛的形式下的本公开的精神和范围。
本申请中的描述均不应理解为暗示任何特定元件、步骤或功能是必须被包含在权利要求范围内的必要元件：申请专利的主题的范围仅由所允许的权利要求限定。此外，这些权利要求都不旨在援引法条35USC§112(f)，除非确切的词语“用于…装置”后面跟着分词。权利要求中的这些术语的使用，例如(但不限于)“机制”、“模块”、“设备”、“单元”、“组件”、“元件”、“构件”、“装置”、“机器”、“系统”、“处理器”或“控制器”应理解并且旨在指代相关领域的技术人员已知、由权利要求本身的特征进一步修改或增强的结构，并且并不旨在援引法条35USC§112(f)。
Claims (9)
1.一种由数据处理系统(1700)执行的方法，包括：
基于断开角(410)计算(305)用于增材制造(AM)模型(400)的楔形平面(405)和初始工具路径(420)；
使用断开平面(505)修整(310)所述AM模型的多余的工具路径(420)；
沿第一层(605)的法线构建(315)所述工具路径(420)并且基于下一层(620)进行修整；
在用于修整先前楔形的楔形平面(1504)的方向上构建(320)所述工具路径(420)的下一个楔形；和
存储所述工具路径(420)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括接收(305)所述AM模型。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，还包括：接收用户输入，以更新所述断开角度(410)从而减少楔形的数量，并且作为响应，自动地调整所述工具路径(420)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述工具路径(420)是关联的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括：根据所述AM模型(400)或者工具路径(420)物理地制造实体零件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，能够使用所述AM模型(400)或者工具路径(420)制造实体零件，而不需要支撑结构。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：在执行所述方法的其他步骤时，根据所述AM模型(400)或者所述工具路径(420)物理地制造(330)实体零件，使得在构建所述工具路径(420)中的下一个楔形之前，制造并修整所述工具路径中的每一个计算的楔形。
8.一种数据处理系统，包括：
处理器；和
可访问的存储器，所述数据处理系统被特别配置以执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。
9.一种非暂时性计算机可读介质，其编码有可执行指令，所述可执行指令在被执行时，使得一个或多个数据处理系统执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。
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