CN110976872A - 一种扫描方法及扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种扫描方法及扫描装置，涉及增材制造技术领域，本发明提供的一种扫描方法包括步骤：建立待成形零件的三维模型，划分三维模型以形成至少一层切片层，并划分每一个切片层以形成至少一个扫描区域；建立至少两种扫描方式，每一种扫描方式均包括起光点、扫描轨迹和闭光点，每一种扫描方式的起光点和闭光点的位置不同；根据每一个切片层的高度选择至少两种扫描方式，以形成零件。本发明提供的扫描装置采用上述扫描方法形成零件。采用本发明可以避免扫描过程中出现局部缺量、漏光的现象。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种扫描方法及扫描装置。
背景技术
在增材制造过程中，利用计算机建立三维模型，通过切分软件对该三维模型进行切片分层形成至少一层切片层，并划分每一个切片层形成至少一个扫描区域，之后对每一扫描区域进行扫描路径规划，根据扫描路径扫描打印以形成最终零件。
但是，传统的扫描方式是通过单一的扫描路径对切片层中的扫描区域进行扫描，扫描区域在扫描过程中容易出现局部缺量、漏光的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种扫描方法及扫描装置，可以避免局部缺量、漏光的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种扫描方法，包括以下步骤：
建立待成形零件的三维模型，划分三维模型以形成至少一层切片层，并划分每一个切片层以形成至少一个扫描区域；
建立至少两种扫描方式，每一种扫描方式均包括起光点、扫描轨迹和闭光点，每一种扫描方式的起光点和闭光点的位置不同；
根据每一个切片层的高度选择至少一种扫描方式，以形成零件。
采用上述技术方案，通过建立至少两种起光点和闭光点位置不同的扫描方式，对每个切片层根据此时零件的高度，匹配与之相适配的扫描方式，即该扫描方式的的起光点与零件的高度相适配，避免扫描区域在扫描过程中出现局部缺量、漏光的现象，提高零件质量。
可选的，扫描方式为以起光点开始进行不连续边缘扫描，形成第一扫描轨迹；对第一扫描轨迹形成的熔道间隙进行反向不连续边缘回填扫描，形成第二扫描轨迹。
采用上述技术方案，形成的第一扫描轨迹以及回填形成的第二扫描轨迹构成一条完整的扫描路径，采用这种扫描方式进行后续的激光扫描形成需要的结构，有利于散热，避免热应力集中。
可选的，扫描方式包括四种；
第一种扫描方式的起光点P的坐标为（0，0），闭光点Q的坐标为（x1，y1）；
第二种扫描方式的起光点P的坐标为（0，y1），闭光点Q的坐标为（x1，0）；
第三种扫描方式的起光点P的坐标为（x2，0），闭光点Q的坐标为（x2-x1，y1）；
第四种扫描方式的起光点P的坐标为（x2-x1，0），闭光点Q的坐标为（x2，y1）；
其中，x1为扫描间距，y1为扫描宽度，x2为扫描长度。
采用上述技术方案，根据需要切片层的高度，选择不同起光点的坐标扫描方式进行扫描，并且上述四种扫描方式适用于不同形状的结构的形成；同时避免扫描区域中的零件边沿部位在扫描过程中，局部缺量、漏光的现象，使各扫描区域中零件边沿部位均匀扫描，使零件打印过程中各扫描区域中的应力均匀分布。
可选的，形成零件的方式为激光扫描，激光扫描的搭接方式为负搭接，搭接率为20%至40%。
进一步地，负搭接采用如下方法：第一扫描轨迹的扫描步长和第二扫描轨迹的扫描步长相等，且均是熔道宽度的1.2倍至1.3倍。
进一步地，扫描区域至少为两个时，扫描区域之间的分区间距相等。
采用上述技术方案，当扫描区域之间的分区间距相等时，有利于进行等间距扫描，使零件内部质量一致。
进一步地，分区间距与扫描间距相等。
采用上述技术方案，当分区间距与扫描间距相等时，实现均匀的等间距扫描，使分区搭接率与扫描搭接率一致，进而使零件内部质量一致。
本发明还提供一种扫描装置，包括：
设计模块，用于建立待成形零件的三维模型，划分三维模型以形成至少一层切片层，并划分每一个切片层以形成至少一个扫描区域；
规划模块，用于建立至少两种扫描方式，每一扫描方式均包括起光点、扫描轨迹和闭光点，每一扫描方式的起光点和闭光点的位置不同；
扫描模块，用于根据每一切片层的高度选择至少一种扫描方式，以形成零件。
优选地，扫描方式为以起光点开始进行不连续边缘扫描，形成第一扫描轨迹；对第一扫描轨迹形成的熔道间隙进行反向不连续边缘回填扫描，形成第二扫描轨迹。
优选地，扫描方式包括四种；
第一种扫描方式的起光点P的坐标为（0，0），闭光点Q的坐标为（x1，y1）；
第二种扫描方式的起光点P的坐标为（0，y1），闭光点Q的坐标为（x1，0）；
第三种扫描方式的起光点P的坐标为（x2，0），闭光点Q的坐标为（x2-x1，y1）；
第四种扫描方式的起光点P的坐标为（x2-x1，0），闭光点Q的坐标为（x2，y1）；
其中，x1为扫描间距，y1为扫描宽度，x2为扫描长度。
本发明提供的扫描装置具有与本发明提供的扫描方法相同的技术效果，在此不再赘述。
附图说明
图1是本发明涉及的扫描方法的流程示意图；
图2是本发明涉及的扫描方法中第一种扫描方式的示意图；
图3是本发明涉及的扫描方法中第二种扫描方式的示意图；
图4是本发明涉及的扫描方法中第三种扫描方式的示意图；
图5是本发明涉及的扫描方法中第四种扫描方式的示意图；
图6是本发明涉及的扫描区域扫描完成效果示意图。
其中：L1为第一扫描轨迹，L2为第二扫描轨迹，x1为扫描间距，y1为扫描宽度，x2为扫描长度，P为起光点，Q为闭光点，D为熔道宽度，S1为第一扫描轨迹的扫描步长，S2为第二扫描轨迹的扫描步长，H1为第一分区间距，H2为第二分区间距。
具体实施方式
下面结合附图说明根据本发明的具体实施方式。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
增材制造技术是通过增加材料、基于三维CAD模型数据，采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。
增材制造的工艺方法有很多种，主要分为基于送粉方式和铺粉方式的制造方法。基于铺粉方式的制造方法包括选区激光熔化技术，其加工过程为：先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后通过切分软件对该三维模型进行切片分层形成至少一层切片层，并划分每一个切片层形成至少一个扫描区域得到数据，之后对每一扫描区域进行扫描路径规划，之后将这些数据导入增材制造设备，铺粉装置按照预定粉末层厚度在成形缸表面铺设一层粉末，设备按照扫描路径控制激光选择性地熔化各层粉末材料，逐步堆叠成三维零件。
目前的扫描方式是通过单一的扫描路径对切片层中的扫描区域进行扫描，但是扫描区域中的零件边沿部位在扫描过程中容易出现局部缺量、漏光的问题，扫描不均匀，进而导致各分区应力分布不均匀，打印零件的质量差。
为了解决每个扫描区域出现局部缺量、漏光，打印的零件的质量差的问题，本发明提供一种扫描方法及扫描装置。
下面将以一个具体的实现方式详细说明：
如图1所示，本发明提供一种扫描方法，包括以下步骤：
步骤一：建立待成形零件的三维模型，划分三维模型以形成至少一层切片层，并划分每一个切片层以形成至少一个扫描区域；
作为一种可能的实现方式，利用现有技术中的任意一种三维软件建立待成形零件的三维模型。
步骤二：建立至少两种扫描方式，每一种扫描方式均包括起光点、扫描轨迹和闭光点，每一种扫描方式的起光点和闭光点的位置不同。
作为一种可能的实现方式，扫描方式为以起光点开始进行不连续边缘扫描，形成第一扫描轨迹。对第一扫描轨迹形成的熔道间隙进行反向不连续边缘回填扫描，形成第二扫描轨迹。
如图2至图4所示，作为一种可能的实现方式，扫描方式为以起光点开始进行蛇形扫描，以形成第一扫描轨迹L1。对第一扫描轨迹L1形成的熔道间隙进行反向蛇形回填扫描，形成第二扫描轨迹L2，至此形成完整的扫描轨迹。
通过沿一定方向顺序设置不同起光点，使扫描区域边缘呈连续直线，没有遗漏的扫描线段。进而使零件打印过程中各扫描区域内部受热均匀，打印沉积分布均匀。在本示例中，不连续边缘扫描方式为蛇形扫描，当然，不连续边缘扫描方式还可以是其他适于实用的扫描方式。
需要说明的是，除了上述描述的扫描方式外，还有其他的扫描方式。举例说明，以起光点开始进行正向扫描，形成的扫描轨迹为不规则形状（例如：三角形）时，反向回填扫描的起点不是正向扫描形成的扫描轨迹的结束处，但是反向回填扫描形成的轨迹的扫描步长与正向扫描形成的扫描轨迹的扫描步长相等。
作为一种可能的实现方式，建立的四种扫描方式如图2所示，第一种扫描方式的起光点P的坐标为（0，0），闭光点Q的坐标为（x1，y1）。
如图3所示，第二种扫描方式的起光点P的坐标为（0，y1），闭光点Q的坐标为（x1，0）。
如图4所示，第三种扫描方式的起光点P的坐标为（x2，0），闭光点Q的坐标为（x2-x1，y1）。
如图5所示，第四种扫描方式的起光点P的坐标为（x2-x1，0），闭光点Q的坐标为（x2，y1）。
其中，x1为扫描间距，y1为扫描宽度，x2为扫描长度。
在一种示例中，当扫描间距x1为5mm，扫描宽度y1为40mm，扫描长度x2为160mm时；
此时，第一种扫描方式的起光点P的坐标为（0，0），闭光点Q的坐标为（5，40）。
第二种扫描方式的起光点P的坐标为（0，40），闭光点Q的坐标为（5，0）。
第三种扫描方式的起光点P的坐标为（160，0），闭光点Q的坐标为（155，40）。
第四种扫描方式的起光点P的坐标为（155，0），闭光点Q的坐标为（160，40）。
起光点P的位置与闭光点Q的位置相关，当起光点P的位置坐标发生变化时，闭光点Q的位置坐标会相应的随着变化。
作为一种可能的实现方式，采用激光扫描的方式形成零件。激光扫描的搭接方式为负搭接，搭接率为20%至40%。
通过采用负搭接的扫描方式，相邻的熔道之间的熔道间隙较大，熔道与熔道之间不相接，避免了高温熔道相接触时能量集中的问题，有利于散热，减小热应力集中形成的开裂，并且在回填扫描时所熔当前层更易与底层形成冶金熔合，从而提高沉积的粉末融熔效果。
作为一种可能的实现方式，负搭接采用如下方法：第一扫描轨迹的扫描步长S1和第二扫描轨迹的扫描步长S2相等，且均是熔道宽度（光斑直径）D的1.2倍至1.3倍。
当然，不限于采用负搭接的扫描方式，也可以采用正搭接，根据实际情况进行设定。
在一种示例中，第一扫描轨迹的扫描步长S1和第二扫描轨迹的扫描步长S2相等，且均是10mm。当然，扫描步长不限于10mm，只要符合实际需要即可。
作为一种可能的实现方式，激光扫描的工艺参数如下：激光功率为5000W至8000W，熔道宽度D为6mm至10mm，扫描速度为800mm/min至1200mm/min。
在一种示例中，熔道宽度D为8 mm，当然激光扫描的工艺参数可以根据实际需要进行调整，只要可以满足实际需要即可。
作为一种可能的实现方式，扫描区域至少为两个时，扫描区域之间的分区间距相等。
当扫描区域之间的分区间距相等时，有利于进行等间距扫描，使零件内部质量一致。
在一种示例中，将利用现有的任意一种三维软件建立形成的待成形零件的三维模型进行划分，以形成十个切片层，并将每一切片层划分形成四个扫描区域。当然，切片层以及切片层中划分的扫描区域的数量可以根据实际情况进行设定。
在此，需要指出的是本步骤为现有技术中的常规操作，为本领域技术人员所熟知，并非本发明的主要技术特征所在。因此在本说明书中，只对其进行简要地介绍，以便本领域普通技术人员能够容易地实施本发明。
每一个切片层分区形成了四个扫描区域，如图6所示，四个扫描区域呈田字形排列，扫描区域之间的分区间距分别是第一分区间距H1，第二分区间距H2，并且均为4 mm至6mm。当然，对切片层的划分，以及分区间距之间的大小可以根据实际情况进行设定。
作为一种可能的实现方式，分区间距与扫描间距相等。
当分区间距与扫描间距相等时，实现均匀的等间距扫描，使分区搭接率与扫描搭接率一致，进而使零件内部质量一致。
在一种示例中，扫描间距为扫描步长的一半，在实施例中，扫描间距x1为5mm，所以第一分区间距H1，第二分区间距H2也为5mm。
步骤三：根据每一个切片层的高度选择至少一种扫描方式，以形成零件。
作为一种可能的实现方式，针对一个待成形零件，当建立了步骤二中提供的四种扫描方式后，对应地，需要建立四套扫描指令，每一套扫描指令对应一种扫描方式，例如，第一种扫描方式对应第一套扫描指令，第二种扫描方式对应第二套扫描指令，第三种扫描方式对应第三套扫描指令，第四种扫描方式对应第四套扫描指令。
每一切片层均对应设置切片层指令，并且每一切片层指令中均包含上述四套扫描指令。
实际应用时，通过切片层指令定位到待扫描的切片层，根据该切片层的预设高度匹配不同的扫描指令，调用不同的扫描方式，即采用不同的扫描方式扫描打印该切片层。由于在扫描打印该切片层过程中，会根据在先形成的切片层的高度调用不同的扫描指令，进行再次扫描打印，直至零件边沿部位扫描打印均匀，因此，能够避免零件边沿部位出现局部缺量、漏光的现象。
例如：通过三维软件建立待成形零件的三维模型后，将建立的三维模型划分为十个切片层，每一切片层对应一个预设高度H3，将每一切片层划分形成四个扫描区域。四个扫描区域呈田字形排列，扫描区域之间的分区间距分别是第一分区间距H1，第二分区间距H2，优选第一分区间距H1与第二分区间距H2相等。
在实际应用中，每个扫描区域采用的扫描方式相同，即采用同一种扫描方式将四个扫描区域扫描完成为一个切片层的第一次扫描完成。由于扫描区域之间的分区间距相等，有利于进行等间距扫描，使零件内部质量一致。
在实际应用中，当要打印第一切片层时，使用第一切片层指令。由于每一切片层指令中均包含有四套扫描指令，所以根据要打印零件的第一切片层的高度，可以使用上述四套扫描指令中的第一套扫描指令对第一切片层进行扫描打印。经扫描打印后第一切片层的高度为H4，若预设高度H3大于第一切片层高度H4，则再次使用第一切片层指令。
此时可以应用第一切片层指令中的第二套扫描指令对第一切片层进行扫描，以此类推，四套扫描指令循环使用直至第一切片层高度H4与预设高度H3相等或者第一切片层高度H4大于预设高度H3，以此方式完成对第一切片层的扫描打印。
下一切片层扫描时调用上一切片层结束时的下一个扫描指令。例如：当第一切片层扫描打印完成后，进行第二切片层扫描打印。若第一切片层扫描打印完成时的结束指令为第二套扫描指令，则第二切片层扫描时调用第二切片层的第三套扫描指令进行扫描，采用上述方式开始后续切片层的扫描打印，进而实现待成形零件的打印成形。
当然，对于待成形零件的扫描区域的扫描方式的选择不限于上述方式，还可以采用其他的方式选择扫描方式只要可以实现零件的打印成形即可。
本发明还提供一种扫描装置，包括：设计模块、规划模块和扫描模块。
设计模块，用于建立待成形零件的三维模型，划分三维模型以形成至少一层切片层，并划分每一个切片层以形成至少一个扫描区域。
通过设计模块先在计算机中利用任意一种三维软件建立待成形零件的三维模型。之后划分三维模型以形成切片层，切片层的数量根据实际情况进行设定。对划分形成的每一个切片层再次划分以形成扫描区域，扫描区域的数量根据实际情况进行设定。为后续激光扫描，形成零件做准备。
规划模块，用于建立至少两种扫描方式，每一扫描方式均包括起光点、扫描轨迹和闭光点，每一扫描方式的起光点和闭光点的位置不同。
作为一种可能的实现方式，扫描方式为以起光点开始进行不连续边缘扫描，形成第一扫描轨迹。对第一扫描轨迹形成的熔道间隙进行反向不连续边缘回填扫描，形成第二扫描轨迹。
在一种示例中，通过采用蛇形扫描的方式，以起光点开始进行蛇形扫描，以形成第一扫描轨迹L1。对第一扫描轨迹L1形成的熔道间隙进行反向蛇形回填扫描，形成第二扫描轨迹L2，至此形成完整的扫描轨迹。使零件打印过程中各扫描区域内部受热均匀，打印沉积分布均匀。当然，在本发明中不限于是蛇形扫描的方式，还可以是其他适于实用的方式。
下面介绍四种扫描方式，在一种示例中；
第一种扫描方式的起光点P的坐标为（0，0），闭光点Q的坐标为（x1，y1）；
第二种扫描方式的起光点P的坐标为（0，y1），闭光点Q的坐标为（x1，0）；
第三种扫描方式的起光点P的坐标为（x2，0），闭光点Q的坐标为（x2-x1，y1）；
第四种扫描方式的起光点P的坐标为（x2-x1，0），闭光点Q的坐标为（x2，y1）；
其中，x1为扫描间距，y1为扫描宽度，x2为扫描长度。
在本示例中，扫描间距x1为5mm，扫描宽度y1为40mm，扫描长度x2为160mm，对应的四种扫描路径中的起光点和闭光点的坐标位置会发生变化。当然，起光点和闭光点的位置坐标不限于上述实施方式显示的内容。
扫描模块，用于根据每一切片层的高度选择至少两种扫描方式，以形成零件。
由于形成了扫描区域，同时也规划了扫描方式，根据每一个切片层的高度选择合适的扫描方式，已形成想要的结构，进行使最后形成的零件的质量符合要求。
本发明提供的扫描装置具有与本发明提供的扫描方法相同的技术效果，在此不再赘述。
综上所述，通过建立至少两种起光点和闭光点的位置不同的扫描方式，对每个切片层根据此时零件的高度，匹配与之相适配的扫描方式，即该扫描方式的的起光点与零件的高度相适配。避免扫描区域中的零件边沿部位在扫描过程中出现局部缺量、漏光的现象，确保各扫描区域中零件边沿部位均匀扫描，以使零件打印过程中各扫描区域中的应力均匀分布，在提高零件打印表面质量的同时提升零件内部质量，提高零件力学性进而延长使用寿命。同时还可以根据待成形零件特征及各扫描区域特征，设定不同的扫描步长，保证零件的成形质量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立待成形零件的三维模型，划分所述三维模型以形成至少一层切片层，并划分每一个所述切片层以形成至少一个扫描区域；
建立至少两种扫描方式，每一种所述扫描方式均包括起光点、扫描轨迹和闭光点，每一种所述扫描方式的起光点和闭光点的位置不同；
根据每一个所述切片层的高度选择至少一种所述扫描方式，以形成零件。
2.根据权利要求1所述的扫描方法，其特征在于，所述扫描方式为以所述起光点开始进行不连续边缘扫描，形成第一扫描轨迹；对所述第一扫描轨迹形成的熔道间隙进行反向不连续边缘回填扫描，形成第二扫描轨迹。
3.根据权利要求2所述的扫描方法，其特征在于，所述扫描方式包括四种；
第一种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（0，0），所述闭光点Q的坐标为（x1，y1）；
第二种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（0，y1），所述闭光点Q的坐标为（x1，0）；
第三种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（x2，0），所述闭光点Q的坐标为（x2-x1，y1）；
第四种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（x2-x1，0），所述闭光点Q的坐标为（x2，y1）；
其中，x1为扫描间距，y1为扫描宽度，x2为扫描长度。
4.根据权利要求2所述的扫描方法，其特征在于，所述形成零件的方式为激光扫描，所述激光扫描的搭接方式为负搭接，搭接率为20%至40%。
5.根据权利要求4所述的扫描方法，其特征在于，所述负搭接采用如下方法：所述第一扫描轨迹的扫描步长和所述第二扫描轨迹的扫描步长相等，且均是熔道宽度的1.2倍至1.3倍。
6.根据权利要求3所述的扫描方法，其特征在于，所述扫描区域至少为两个时，所述扫描区域之间的分区间距相等。
7.根据权利要求6所述的扫描方法，其特征在于，所述分区间距与所述扫描间距相等。
8.一种扫描装置，其特征在于，包括：
设计模块，用于建立待成形零件的三维模型，划分所述三维模型以形成至少一层切片层，并划分每一个所述切片层以形成至少一个扫描区域；
规划模块，用于建立至少两种扫描方式，每一所述扫描方式均包括起光点、扫描轨迹和闭光点，每一所述扫描方式的起光点和闭光点的位置不同；
扫描模块，用于根据每一所述切片层的高度选择至少一种所述扫描方式，以形成零件。
9.根据权利要求8所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描方式为以所述起光点开始进行不连续边缘扫描，形成第一扫描轨迹；对所述第一扫描轨迹形成的熔道间隙进行反向不连续边缘回填扫描，形成第二扫描轨迹。
10.根据权利要求9所述的扫描装置，其特征在于，所述扫描方式包括四种；
第一种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（0，0），所述闭光点Q的坐标为（x1，y1）；
第二种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（0，y1），所述闭光点Q的坐标为（x1，0）；
第三种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（x2，0），所述闭光点Q的坐标为（x2-x1，y1）；
第四种所述扫描方式的所述起光点P的坐标为（x2-x1，0），所述闭光点Q的坐标为（x2，y1）；
其中，x1为扫描间距，y1为扫描宽度，x2为扫描长度。
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