CN110918988A - 一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法 - Google Patents

一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，具体公开了一种激光扫描路径规划方法，包括以下步骤：建立待成型零件的三维模型并进行切片处理，规划每个切片层的填充扫描路径和轮廓扫描路径，轮廓扫描路径包括轮廓扫描线和偏置扫描线；任一切片层的偏置扫描线的规划步骤包括：设定填充扫描路径与切片层的轮廓的夹角的阈值A，识别切片层的轮廓上的每一点与填充扫描路径的夹角，夹角不大于阈值A的点集合成子轮廓；将子轮廓向待成型零件的实体方向偏置距离d，生成偏置扫描线。本发明还公开了采用上述激光扫描路径规划方法的增材制造方法。可避免主体与轮廓间未熔合孔洞的产生。

Description

一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法。
背景技术
增材制造（又称“3D打印”）是近年来迅速发展起来的高端数字化快速制造技术，引领大批量制造模式向个性化制造模式发展，可生成任何形状、性能优异、多种材料复合的零件，广泛应用于航空航天、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域。随着技术的发展，市场对增材制造生产的期望也越来越高，要求不断提高金属材料增材制造装备的效率、精度、可靠性。
激光选区熔化成形技术（SLM）是最具有发展潜力的增材制造技术之一，其基于“化整为零”—“聚零为整”的思想，先将数字化三维零件模型进行切片离散及扫描路径规划，得到可控制激光束扫描的切片轮廓信息，然后通过逐层累加的形式直接制造出三维实体。切片的几何信息和扫描路径对零件的性能、质量和尺寸精度有极大的影响。同时受零件结构和材料本身特性的因素，同种材料不同结构和不同材料相同结构的零件表面质量均存在很差差异。
在增材制造，逐层成型零件时，主体与轮廓之间容易形成未熔合孔洞的缺陷，从而影响零件表面质量。
发明内容
为了解决现有技术中主体与轮廓之间容易形成未熔合孔洞的问题，提供一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法。
本发明提供一种激光扫描路径规划方法，包括以下步骤：
建立待成型零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，获得若干切片层，规划每个所述切片层的填充扫描路径和轮廓扫描路径，所述轮廓扫描路径包括轮廓扫描线和偏置扫描线；
任一所述切片层的所述偏置扫描线的规划步骤包括：设定所述填充扫描路径与所述切片层的轮廓的夹角的阈值A，识别所述切片层的轮廓上的每一点与所述填充扫描路径的夹角，夹角不大于所述阈值A的点集合成子轮廓；将所述子轮廓向待成型零件的实体方向偏置距离d，生成所述偏置扫描线。
采用上述技术方案，通过增加偏置扫描线，可充分的覆盖激光扫描时填充扫描路径产生的填充扫描熔道和轮廓扫描线产生的轮廓扫描熔道之间形成的未熔合孔洞，从而消除主体与轮廓间存在的孔洞的缺陷。本发明增加偏置扫描线，可避免轮廓多次扫描引起的“台阶效应”、氧化现象，降低零件轮廓位置的粉末球化和飞溅的概率；仅在局部位置增加一条偏置扫描线来覆盖孔洞风险高的位置，无需整条轮廓线的多次扫描，大大提高零件表面质量，同时简化表面处理工艺，提高生产效率和产品合格率。尤其是液体流动性差、湿润性差的金属材料，以及复杂、曲面、薄壁等结构的零件，主体与轮廓间孔洞缺陷频发，轮廓线多次扫描，往往更容易降低产品表面质量，采用本发明技术方案，可有效提高产品表面质量，提高产品合格率。
进一步的，所述阈值A大于零且小于等于45°。
填充扫描路径与切片层的轮廓的夹角小于等于45°（阈值A为45°）时，存在主体与轮廓间形成孔洞的风险，将夹角小于等于45°的部分轮廓均归入子轮廓，设置偏置扫描线，可最大程度的避免未熔合孔洞的产生。
进一步的，所述阈值A为15°。
填充扫描路径与切片层的轮廓的夹角小于等于15°时，主体与轮廓间有较大的未熔合孔洞的风险，该范围内设置偏置扫描线，既可以避免孔洞的风险，提高零件表面质量，又可以较大程度的避免扫描线冗杂。
进一步的，所述偏置距离d大于零且小于0.1mm。
偏置扫描线的偏置距离不宜过大，否则在激光扫描时，偏置扫描线与填充扫描路径重叠过多，容易导致激光扫描层凸起、不平整的问题。偏置距离d在零至0.1mm范围内，偏置扫描线激光扫描后生成的偏置扫描熔道均可对存在孔洞风险的位置进行覆盖，消除孔洞风险。
进一步的，所述偏置距离d为0.06mm。
0.06mm为偏置扫描线的的最佳偏置距离，既可消除主体与轮廓间未熔合孔洞的风险，又可兼顾激光扫描层平整度。
进一步的，所述三维模型的第一层所述切片层的填充扫描路径与基准之间的夹角为0-67°，第n层所述切片层的填充扫描路径与第n+1层所述切片层的填充扫描路径之间的偏置角度为67°，n为大于或等于2的自然数。
采用上述技术方案，切片层与切片层之间设置一定的偏置角度，可以有效消除扫描层热应力聚集，同时提高扫描平整度，提高零件成型质量。
本发明还提供一种增材制造方法，利用上述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；采用激光选区熔化的方法，逐层成型待成型零件。
采用上述技术方案，将上述激光扫描路径规划方法应用于激光选区熔化增材制造方法中，可提高激光选区熔化技术的应用范围。
本发明还提供一种增材制造方法，利用上述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；用同轴送粉的方式，按照规划的所述扫描路径对待成型零件各切片层进行激光扫描沉积，逐层成型待成型零件。
采用上述技术方案，将上述激光扫描路径规划方法应用于同轴送粉增材制造方法中，可提高同轴送粉技术的应用范围。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
1、本发明通过增加偏置扫描线，消除了激光扫描时填充扫描熔道和轮廓扫描熔道间形成的未熔合孔洞，消除主体与轮廓间存在的孔洞的缺陷。本发明增加偏置扫描线，可避免轮廓多次扫描引起的“台阶效应”、氧化现象，降低零件轮廓位置的粉末球化和飞溅的概率，大大提高零件表面质量，同时简化表面处理工艺，提高生产效率和产品合格率。
2、尤其是液体流动性差、湿润性差的金属材料，以及复杂、曲面、薄壁等结构的零件，主体与轮廓间孔洞缺陷频发，采用本发明的技术方案，可有效提高产品表面质量，提高产品合格率。拓展了金属材料的应用领域。
附图说明
图1是本发明的偏置扫描线示意图；
图2是本发明的偏置扫描线的局部放大图；
图3是本发明的激光扫描路径示意图。
图中，1-偏置扫描线，2-子轮廓，3-填充扫描路径，4-轮廓扫描线，5-孔洞，6-填充扫描熔道，7-轮廓扫描熔道，8-偏置扫描熔道，d-偏置距离。
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。
本发明提供的一个实施方式，涉及一种激光扫描路径规划方法，包括以下步骤：
建立待成型零件的三维模型，对三维模型进行切片处理，获得若干切片层，规划每个切片层的填充扫描路径3和轮廓扫描路径，轮廓扫描路径包括轮廓扫描线4和偏置扫描线1；
任一切片层的偏置扫描线1的规划步骤包括：设定填充扫描路径3与切片层的轮廓的夹角的阈值A，识别切片层的轮廓上的每一点与填充扫描路径3的夹角，夹角不大于阈值A的点集合成子轮廓2；将子轮廓2向待成型零件的实体方向偏置距离d（如图2所示），生成偏置扫描线1。
需要进一步说明的是，可先对切片层进一步分区，然后规划每一分区的填充扫描路径3，但对于薄壁零件或其他不适宜分区的零件结构，也可以不进行切片层分区，直接对切片层进行填充扫描路径3的规划。
本发明对进行待成型零件的三维模型建立和切片等操作的工具不做限定，可采用任一种能完成三维建模和切片等操作的工具即可。
对每一切片层均进行偏置扫描线1的规划，且每个切片层的偏置扫描线1，根据该切片层的具体轮廓形状设置，根据该切片层的轮廓确定改成的阈值A ，然后根据阈值A和轮廓规划偏置扫描线1，因此每个切片层的偏置扫描线1不尽相同，若填充扫描路径3与切片层的轮廓的夹角均较大于阈值A，则该切片层也可不设置偏置扫描线1。
偏置扫描线1为线段，其形状走形状与对应位置的轮廓相同，一个切片层可以有多段偏置扫描线1，如图1所示，也可以仅有一段，也可以没有偏置扫描线1。
阈值A 是指有形成未熔合孔洞5风险的情况下，填充扫描路径3切片层的轮廓的夹角，小于等于该阈值A，填充扫描熔道6与轮廓扫描熔道7之间，也就是激光扫描时切片层的主体与轮廓间容易形成未熔合孔洞5，如图3所示。偏置扫描线1扫描时产生的偏置扫描熔道8则可以覆盖、熔覆易出现未熔合孔洞5的区域。
在上述实施方式的基础上，进一步的，阈值A大于零且小于等于45°。
需要进一步说明的是，阈值A为45°时，需要识别切片层的轮廓上，所有夹角小于45°的点，集合为子轮廓2。
在上述实施方式的基础上，进一步的，阈值A为15°。
需要进一步说明的是，阈值A为15°时，需要识别切片层的轮廓上，所有夹角小于15°的点，集合为子轮廓2。
在上述实施方式的基础上，进一步的，偏置距离d大于零且小于0.1mm。
需要说明的是，偏置扫描线1的最大偏置距离d小于0.1mm，偏置距离d可以是0~0.1mm间的任意数值，可以是0.01mm、0.06mm或0.08mm等等。
在偏置扫描线1有多段时，每一段偏置扫描线1的偏置距离d可以相同，也可以不同，也可以将一段偏置扫描线1分割为数段后，对每段设置不同的偏置距离d，以便于更好的消除未熔合孔洞5。
在上述实施方式的基础上，进一步的，偏置距离d为0.06mm。
0.06mm为偏置扫描线1的的最佳偏置距离d，即可消除主体与轮廓间未熔合孔洞5的风险，又可兼顾激光扫描层平整度。
在上述实施方式的基础上，进一步的，三维模型的第一层切片层的填充扫描路径3与基准之间的夹角为0-67°，第n层切片层的填充扫描路径3与第n+1层切片层的填充扫描路径3之间的偏置角度为67°，n为大于或等于2的自然数。
在设置第一层切片层填充扫描路径3与基准之间夹角时，可根据零件的具体情况设置0~67°间的任意数值，均可以达到平衡热应力，提高平整度的目的。
本发明的另一实施方式，还提供一种增材制造方法，利用上述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；采用激光选区熔化的方法，逐层成型待成型零件。
需要说明的是，进行增材制造时，激光扫描路径的规划采用本发明上述的任一种方法，其他激光选区熔化的技术手段和参数可任意选择，能完成产品成型即可。
本发明的另一实施方式，还提供一种增材制造方法，利用上述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；用同轴送粉的方式，按照规划的扫描路径对待成型零件各切片层进行激光扫描沉积，逐层成型待成型零件。
需要说明的是，进行增材制造时，激光扫描路径的规划采用本发明上述的任一种方法，其他同轴送粉的技术手段和参数可任意选择，能完成产品成型即可。
以下为本发明提供的具体实施例
实施例1
一种激光扫描路径规划方法，包括以下步骤：
（1）建立待成型零件的三维模型，对三维模型进行切片处理，获得若干切片层；
（2）规划每个切片层的填充扫描路径3和轮廓扫描路径。
三维模型的第一层切片层的填充扫描路径3与基准之间的夹角67°，第n层的填充扫描路径3与第n+1层的填充扫描路径3之间的偏置角度为67°，n为大于或等于2的自然数。
轮廓扫描路径包括轮廓扫描线4和偏置扫描线1；任一切片层的偏置扫描线1的规划步骤包括：设定填充扫描路径3与切片层的轮廓的夹角的阈值A=45°，识别切片层的轮廓上的每一点与填充扫描路径3的夹角，夹角不大于阈值A的点集合成子轮廓2；将子轮廓2向待成型零件的实体方向偏置距离d=0.01mm，生成偏置扫描线1。
在本实施例中，采用上述的激光扫描路径规划方法进行扫描路径的规划，然后输出激光扫描路径控制程序，并导入打印机中，激光束按照设定的扫描路径控制程序逐层打印，完成待成型零件的增材制造。
采用激光选区熔化的增材制造方法，逐层成型待成型零件。
本实施例中，待成型零件为圆柱形金属块，原料粉末为18Ni300金属粉末，增材制造设备选择AVI-M250。
对本实施例制造的圆柱形金属块，查看圆柱形金属块不同横向截面金相照片，发现主体与轮廓间均无未熔合孔洞5，零件表面质量高。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同点仅在于：阈值A=10°，偏置距离d=0.08mm；三维模型的第一层切片层的填充扫描路径3与基准之间的夹角67°。采用同轴送粉的方式进行增材制造，设备选择TSC-S4510。
对本实施例制造的圆柱形金属块，查看圆柱形金属块不同横向截面金相照片，发现主体与轮廓间均无未熔合孔洞5，零件表面质量高。
实施例3
本实施与实施例1基本相同，不同点仅在于：阈值A=15°，偏置距离d=0.06mm。三维模型的第一层切片层的填充扫描路径3与基准之间的夹角67°。
对本实施例制造的圆柱形金属块，查看圆柱形金属块不同横向截面金相照片，发现主体与轮廓间均无未熔合孔洞5，零件表面质量高。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同点仅在于：阈值A=20°，偏置距离d=0.04mm。三维模型的第一层切片层的填充扫描路径3与基准之间的夹角67°。
对本实施例制造的圆柱形金属块，查看圆柱形金属块不同横向截面金相照片，发现主体与轮廓间均无未熔合孔洞5，零件表面质量高。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同点仅在于：阈值A=30°，偏置距离d=0.03mm。三维模型的第一层切片层的填充扫描路径3与基准之间的夹角67°。
对本实施例制造的圆柱形金属块，查看圆柱形金属块不同横向截面金相照片，发现主体与轮廓间均无未熔合孔洞5，零件表面质量高。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同点仅在于：阈值A=40°，偏置距离d=0.02mm。三维模型的第一层切片层的填充扫描路径3与基准之间的夹角67°。
对本实施例制造的圆柱形金属块，查看圆柱形金属块不同横向截面金相照片，发现主体与轮廓间均无未熔合孔洞5，零件表面质量高。
对比例1
本对比例的激光扫描路径规划方法为：去除实施例1中的偏置扫描线1。
本对比例的增材制造方法与实施例1相同。
本对比例制造的圆柱形金属块，查看圆柱形金属块不同横向截面金相照片，发现主体与轮廓间均有未熔合孔洞5，零件表面质量粗糙。
对比例2
本对比例的激光扫描路径规划方法与实施例1基本相同，不同之处在于：偏置扫描线1是将整个轮廓扫描线4向待成型零件实体方向偏置距离d生成。
本对比例的增材制造方法与实施例1相同。
本对比例制造的圆柱形金属块，零件表面有明显的“台阶效应”和氧化现象，同时零件周围金属粉末有明显球化现象。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种激光扫描路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立待成型零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，获得若干切片层，规划每个所述切片层的填充扫描路径和轮廓扫描路径，所述轮廓扫描路径包括轮廓扫描线和偏置扫描线；
任一所述切片层的所述偏置扫描线的规划步骤包括：
设定所述填充扫描路径与所述切片层的轮廓的夹角的阈值A，识别所述切片层的轮廓上的每一点与所述填充扫描路径的夹角，夹角不大于所述阈值A的点集合成子轮廓；
将所述子轮廓向待成型零件的实体方向偏置距离d，生成所述偏置扫描线。
2.根据权利要求1所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述阈值A大于零且小于等于45°。
3.根据权利要求2所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述阈值A为15°。
4.根据权利要求1~3任一项所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述偏置距离d大于零且小于0.1mm。
5.根据权利要求4所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述偏置距离d为0.06mm。
6.根据权利要求1所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述三维模型的第一层所述切片层的所述填充扫描路径与基准之间的夹角为0-67°，第n层所述切片层的所述填充扫描路径与第n+1层所述切片层的所述填充扫描路径之间的偏置角度为67°，n为大于或等于2的自然数。
7.一种增材制造方法，其特征在于，
利用权利要求1~6任一项所述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；
采用激光选区熔化的方法，逐层成型待成型零件。
8.一种增材制造方法，其特征在于，
利用权利要求1~6任一项所述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；
采用同轴送粉的方式，按照规划的所述扫描路径对待成型零件各切片层进行激光扫描沉积，逐层成型待成型零件。
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