CN110508810A - 基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法，包括：区分零件模型单层截面轮廓边界中的薄壁区域，对薄壁区域和非薄壁区域分别规划扫描路径；所述薄壁区域为在单层截面轮廓进行多边形的约束Delaunay三角剖分后轮廓边所在三角形的高小于阈值的三角形区域。

Description

基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种金属增材制造技术，特别是一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法。
背景技术
近年来，激光选区熔化技术得到了广泛关注与快速发展，在航空、航天、模具、医疗等领域展现出广阔的应用前景与技术优势。其通过专用软件对零件三维模型进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。
激光选区熔化技术理论上可以成形任意复杂结构的零件，但在实际加工中仍然受到一些几何特征结构的限制，其中最为典型的为薄壁特征结构。如激光扫描方向设置不合理，容易形成过短或者过长的扫描路径。当扫描路径过短时，在激光加工过程中需要不断的加速减速、更换扫描方向，影响加工效率，且过短的扫描线容易造成热积累，导致局部温度过大；而过长的扫描线又容易在加工过程中产生变形、翘曲等缺陷，影响零件的成形质量甚至导致加工的失败。
近年来，国内外学者对薄壁结构的成形质量开展了大量研究，从层厚、扫描路径(扫描方向、扫描线长度、扫描间距等)、激光加工参数(激光功率、扫描速度、离焦量等)等方面分析了对薄壁结构成形质量的影响，得到了成形薄壁结构较优的扫描路径和工艺参数。受限于商业软件和商业设备的严重封装，目前大多数实验研究都是基于单一的薄壁模型进行分析处理，而针对复杂形貌的模型，单一、简单的扫描路径和工艺参数难以保证零件的最终成形质量，因此通过识别并划分出薄壁区域，进行局部加工参数优化，是保证零件成形质量的有效方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法，包括：区分零件模型单层截面轮廓边界中的薄壁区域，对薄壁区域和非薄壁区域分别规划扫描路径；所述薄壁区域为在单层截面轮廓进行多边形的约束Delaunay三角剖分后轮廓边所在三角形的高小于阈值的三角形区域。
进一步地，本方法具体包括以下步骤：
步骤1，输入零件三维模型的所有切片数据，并确定薄壁的判定宽度W；
步骤2，对每一层的切片轮廓进行多边形的约束Delaunay三角剖分；
步骤3，对于包含切片轮廓边的约束Delaunay三角形，求取该三角形中以轮廓边为底时的高h，若h小于W时，则该轮廓边标记为薄壁边；
步骤4，遍历当前层的切片轮廓，结合薄壁轮廓边的标记信息，从实体区域中提取出薄壁区域；
步骤5，分别对薄壁区域和非薄壁区域规划扫描路径，并分配工艺参数。
进一步地，所述各薄壁区域扫描方向相互垂直。
进一步地，所述各薄壁区域内经行平行线扫描路径规划。
进一步地，所述各薄壁区域内相邻扫描路径方向相同或相反。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明以切片轮廓为对象，识别并提取薄壁区域，分别对薄壁区域和非薄壁区域进行扫描路径规划，避免单一扫描方式在薄壁区域内生成不合适的扫描路径；(2)本发明利用薄壁区域和非薄壁区域的结构特点分配合适的工艺参数，避免造成局部热积累乃至产生热变形，保证零件尤其零件薄壁部分的成形质量。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法薄壁区域提取流程图。
图2位本发明一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法扫描路径规划示意图。
图3为本发明一种零件模型尺寸示意图。
具体实施方式
结合图1至图3，一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法，包括以下步骤：
步骤1，输入零件三维模型并进行切层处理，得到所有切片数据。如图3所示模型包围盒尺寸为18mm*18mm，其中四个薄壁的厚度为1.41mm，设定的薄壁判断宽度W为2mm。
步骤2，对每一层的切片轮廓进行多边形的约束Delaunay三角剖分。
步骤3，对于包含切片轮廓边的约束Delaunay三角形，求取该三角形中以轮廓边为底时的高h，若h小于W时，则该轮廓边标记为薄壁边并标记；如图1所示的四个薄壁中剖分得到的8个三角形以轮廓边为底求取的高均为1.41mm，将三角形中的轮廓边均标记为薄壁边。
步骤4，遍历当前层的切片轮廓，结合薄壁轮廓边的标记信息，从实体区域中提取出薄壁区域。实体区域就是零件在这层切片中需要进行扫描路径规划的区域，最终可以形成固体，得到实际的模型。
步骤5，分别对薄壁区域和非薄壁区域规划扫描路径，并分配工艺参数。工艺参数主要是指激光功率和激光扫描速度。例如针对TiAl4V粉末材料，为薄壁区域分配的激光功率为160W、扫描速度为800mm/s，而为非薄壁区域分配的激光功率为180W、扫描速度为1250mm/s。扫描路径可以为：所述各薄壁区域扫描方向相互垂直；所述各薄壁区域内经行平行线扫描路径规划；所述各薄壁区域内相邻扫描路径方向相同或相反。扫描路径一般不需要连接，就是一段一段的线段，扫描完当前线段后，跳转到下一线段开始扫描；但是不同的区域之间可以利用一些优化方法减少跳转长度，比如蚁群算法。
步骤6，遍历整个零件模型的切片信息，输出模型的加工信息(包括扫描路径和工艺参数)。

Claims (5)

1.一种基于薄壁特征识别的激光增材制造工艺路径规划方法，其特征在于，包括：
区分零件模型单层截面轮廓边界中的薄壁区域，对薄壁区域和非薄壁区域分别规划扫描路径；
所述薄壁区域为在单层截面轮廓进行多边形的约束Delaunay三角剖分后轮廓边所在三角形的高小于阈值的三角形区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，输入零件三维模型的所有切片数据，并确定薄壁的判定宽度W；
步骤2，对每一层的切片轮廓进行多边形的约束Delaunay三角剖分；
步骤3，对于包含切片轮廓边的约束Delaunay三角形，求取该三角形中以轮廓边为底时的高h，若h小于W时，则该轮廓边标记为薄壁边；
步骤4，遍历当前层的切片轮廓，结合薄壁轮廓边的标记信息，从实体区域中提取出薄壁区域；
步骤5，分别对薄壁区域和非薄壁区域规划扫描路径，并分配工艺参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述各薄壁区域扫描方向相互垂直。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述各薄壁区域内经行平行线扫描路径规划。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述各薄壁区域内相邻扫描路径方向相同或相反。
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