CN111299577A - 一种基于智能扫描路径规划的slm成形方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，并具体公开了一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法及产品。该方法包括：(a)对于待成形零件的三维模型切片，获得多个切片层和每个切片层中包括的零件轮廓信息；(b)对于每个切片层中，根据该切片层中的零件轮廓信息将该切片轮廓划分为多个区域，并获取每个区域的几何特征；(c)根据每个区域的几何特征，规划每个区域对应的激光扫描路径，设定每个区域的扫描顺序，以此获得每个切片层中所有区域的扫描顺序和激光扫描路径；(d)根据扫描顺序和扫描路径逐层加工待成形零件的切片层，获得所需的零件。通过本发明，解决在SLM成形时同一零件不同特征的工艺需求的差异性问题，提高成形零件的质量。

Description

一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法及产品

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法及产品。

背景技术

激光选区熔化(Selective LaserMelting，SLM)是近年来发展最为迅速的增材制造技术之一，其以金属粉末(如不锈钢、钛合金、铜合金等)为原料，依据所成形零件的每层截面路径规划信息，采用高功率激光逐层扫描，使扫描区域内的金属粉末熔化凝固成形，未扫描的区域仍处于离散状态，由此逐层堆积成形。该方法不受成形零件复杂度的限制，不需专门配套的工装模具，且成形制件力学效果好，精度高，具有良好的应用前景。

在SLM成形过程中，激光的参数对零件成形质量起到至关重要的作用，包含激光功率、光斑尺寸、扫描速度、扫描延时、扫描策略。其中扫描策略的不同将影响成形过程中的温度场分布情况，即若对同一零件的同一部位采用不同扫描策略，将对零件的力学性能、翘曲变形程度及尺寸精度等产生较大影响，因此扫描路径规划是否合理、优劣程度将直接影响到整个零件的宏观性能。

传统SLM工艺切片软件，在对零件规划扫描路径时，每一层所有部位所选用的扫描策略往往均是相同单一的，并未考虑到每层不同几何特征对激光扫描策略需求的差异性，适用于结构简单、无特殊结构、无强度要求的零件。目前已有众多相关专利，通过对每层切片进行分区，不同区域采取角度变换的扫描方式，以此减小热应力集中的可能性，但扫描方式本质未改变(如扫描间距、扫描路线)，无法通过识别局部特殊几何特征进行智能化优选扫描策略。如专利CN201711190187.6中提出了一种多分区扫描方式，将每层切片分为多个区域，每区域采用不同的角度平行线逐线扫描，可使激光扫描产生的应力更分散，降低翘曲变形的可能，但每个区域的扫描策略没有根本性变化，这对局部有特殊几何特征(如尖角、薄壁、点阵结构等)的部位仍会产生较大的热应力；专利CN201811632180.X中提出了一种分区蛇形扫描规划方法，有效避免大幅面、大光斑加工产生的热应力过大，但每个区域均采用这种蛇形扫描方式，不能依据特殊几何特征优选扫描方式。因此，设计一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，对解决零件每层几何特征的差异性问题、提高成形零件的质量具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法及产品，其中通过对每个切片层进行区域划分，并对每个区域内进行激光扫描路径的规划，实现单个切片层内不同区域的不同的激光扫描路径的加工，以此满足不同几何特征对扫描方式的不同需求，降低热应力集中可能性，提升成形零件质量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，该方法包括下列步骤：

(a)对于待成形零件的三维模型，将其进行切片，以此获得多个切片层和每个切片层中包括的零件轮廓信息；

(b)对于每个切片层中，根据该切片层中的零件轮廓信息将该切片轮廓划分为多个区域，并获取每个区域的几何特征；

(c)根据步骤(b)中获取的每个区域的几何特征，分别规划每个区域各自对应的激光扫描路径，设定每个区域的扫描顺序，以此获得每个切片层中所有区域的扫描顺序和激光扫描路径；

(d)根据步骤(c)中的扫描顺序和扫描路径逐层加工所述待成形零件的切片层，以此获得所需的零件。

进一步优选地，在步骤(b)中，获取每个区域的几何特征时，需将每个切片层中包括的零件轮廓信息转化为二维图像。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述几何特征包括区域面积，形状、长度和宽度。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述激光扫描路径为层状扫描、分区扫描、分块扫描、偏置扫描、螺旋扫描或纯边框扫描。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述分别规划每个区域各自对应的激光扫描路径按照下列方式进行确定：

对于每个区域而言，当该区域的面积大于预设面积最大阈值时，采用分块扫描；

当该区域的面积小于预设面积最小阈值时，采用纯边框扫描；

当该区域的面积介于预设面积最大阈值和最小阈值之间时，判断该区域的形状，当该区域为环状结构，采用偏置扫描；当该区域为圆形结构，采用螺旋扫描；否则，判断该区域的长度和宽度，当该区域的长度和宽度均小于预设长度和宽度阈值时，采用层状扫描，否则采用分区扫描。

进一步优选地，在步骤(d)中，逐层加工所述切片层时，需调整相邻切片层的激光扫描线的偏转角度，以此降低不同切片层扫描过程中的激光重叠的可能性，减少零件缺陷。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用上述所述的成形方法获得的产品。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，具备以下有益效果：

1.本发明通过对待成形零件进行分层以及分区域的规划路径，依据零件不同部位的集合特征选择最优激光扫描路径，当单个区域的面积较大时，通过分区或分块扫描，有效避免扫描矢量过程导致的温度梯度，当面积较小时，采用纯边框扫描，有效避免边框扫描于填充扫描重复进行的热量集中，以此提高成形零件的成形精度；

2.本发明通过采用不同区域不同扫描路径的方法，考虑到了同一零件不同特征在SLM成形时工艺需求的差异性，对于不同切环轮廓采用不同的路径规划算法，从而提高了成形零件的质量；

3、本发明提供的成形方法，考虑到了同一零件不同特征在SLM成形时工艺需求的差异性，对于不同切环轮廓采用不同的路径规划算法，从而提高了成形零件的质量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于智能扫描路径规划的SLM成形方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的待成形零件的三维立体图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的加工零件模型的侧视图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的前500层每层的切环轮廓及路径规划结果；

图5是传统方法后500层每层切环轮廓及路径规划结果；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的后500层每层切环轮廓及路径规划结果；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的500层中第n层与n+1层路径规划结果。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-长方体结构对应的切环轮廓，2-长条结构对应的切环轮廓，3-薄壁蜂窝结构对应的切环轮廓，4-点阵结构对应的切环轮廓，5-空心长方体结构对应的切环轮廓，6-圆柱结构对应的切环轮廓，7-“环中环”结构对应的切环轮廓，8-小体积长方体结构对应的切环轮廓；

11-长方体结构，21-长条结构，31-薄壁蜂窝结构，41-点阵结构，51-空心长方体结构，61-圆柱结构，71-“环中环”结构，81-小体积长方体结构。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供的一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，其步骤如下：

S1，对零件三维模型文件(如STL格式文件)进行分层切片处理，即按照固定层厚将其进行切分，获得每一层的切环轮廓；

S2，对每一层切环轮廓进行算法分析，提取出面积、长宽、重心、形状等几何特征；

S3，依据每一层切环轮廓不同部位的几何特征，在激光路径算法库中为其智能化选取最合适的路径规划算法，进行激光扫描策略的路径规划，生成加工文件；

S4，根据加工文件数据，控制SLM打印设备运行，成形零件。

进一步，步骤S1中三维模型文件格式包含STL、OBJ、AMF、3MF等，能够储存三维模型的数据信息。

进一步，步骤S2中提取各个切环轮廓相关特征时，将每层切环轮廓处理为二维图片格式，使用OpenCV相关算法提取几何特征。

进一步，步骤S2中所提取的相关特征包括切环的面积、长宽、重心、形状等。

进一步，在步骤S3中，所述分别规划每个区域各自对应的激光扫描路径按照下列方式进行确定：

对于每个区域而言，当该区域的面积大于预设面积最大阈值时，采用分块扫描；

当该区域的面积小于预设面积最小阈值时，采用纯边框扫描；

当该区域的面积介于预设面积最大阈值和最小阈值之间时，判断该区域的形状，当该区域为环状结构，采用偏置扫描；当该区域为圆形结构，采用螺旋扫描；否则，判断该区域的长度和宽度，当该区域的长度和宽度均小于预设长度和宽度阈值时，采用层状扫描，否则采用分区扫描。

进一步，步骤S3中的SLM扫描路径规划策略包括层状扫描、分区扫描、分块扫描、偏置扫描、螺旋扫描、纯边框扫描等，对应的SLM扫描路径规划策略如下：

(1)层状扫描：预设一条固定角度的直线，并以固定间距上下平移该直线，不断求其在切环轮廓内截下的线段，直至填充切环轮廓内所有部分，此时所有在切环轮廓内的线段即构成了激光扫描路径；

(2)分区扫描：与层状扫描相似，对切环轮廓内线段进行倾斜分区，区与区之间按顺序组成扫描路径；

(3)分块扫描：与层状扫描相似，对切环轮廓内线段进行矢量分块，块与块之间按顺序组成扫描路径；

(4)偏置扫描：将切环外轮廓按照固定间距不断向内缩进，直到与切环内轮廓重合，此过程中产生的多个轮廓即为扫描路径；

(5)螺旋扫描：以切环轮廓重心为起点，螺旋状向外展开，直至与切环外轮廓重合，获得路径即为扫描路径；

(6)纯边框扫描：仅扫描切环轮廓；

进一步，步骤S3中，对于每层某些局部特殊复杂的几何特征，为达到零件最佳成形质量，可将不同扫描策略相互结合共同使用。

进一步，步骤S3进行扫描路径规划时，层与层间激光扫描线偏转角度不断调整，从而降低不同层扫描过程中的激光重叠的可能性，减少零件应力集中、翘曲变形等缺陷。

进一步，步骤S3算法生成的扫描路径由多个路径点构成，将其存储于vector容器中，按照扫描先后顺序排布，构成扫描路径，该扫描路径即为SLM零件成形过程中的激光扫描路径。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

图2为本发明实例零件加工模型图；图3为本发明实例的切环轮廓示意图，零件尺寸200mm*100mm*20mm，以层厚0.02mm进行切片，共切1000层，前500层切片轮廓均为矩形，后500层同一层的不同区域轮廓几何特征不同；图4为本发明前500层切环轮廓及路径规划结果；图5为传统方法后500每层切环轮廓及路径规划结果，对所有几何特征均采用同一种策略，即分区扫描策略进行路径规划；图6为本发明后500每层切环轮廓及路径规划结果，可根据不同几何特征智能化优选路径规划策略；图7为本发明后500层中第n层与n+1层路径规划结果，第n+1层与第n层同一区域扫描角度发生变化，减少热应力集中。以图2中的加工零件实例为例，通过传统的方法进行加工时，所有几何特征的激光路径规划都是相同重复而单一的，如图5所示，无法满足不同几何特征之间的不同规划策略需求，导致零件整体成形质量下降。

本实例中，步骤S2，将通过分层切片获取的切环轮廓转化为二维图片形式，使用OpenCV相关算法来进行处理，提取包括面积、长宽、重心、形状等几何特征在内的切环轮廓。将每层切片数据转化为二维图片格式，经算法分析寻求其几何特征，从而有针对性地优选扫描路径规划策略。

本实例中，步骤S3，SLM激光扫描路径规划策略包括层状扫描、分区扫描、分块扫描、偏置扫描、螺旋扫描、纯边框扫描等，且对于每层某些局部特殊复杂的几何特征，为达到零件最佳成形质量，智能化将不同扫描策略相互结合共同使用，上述SLM扫描路径规划策略如下：

本实例中，步骤S3，有针对性地智能优选SLM扫描路径规划策略。如图4所示为前500层切片，每层切环轮廓均为大面积矩形，智能优选分块扫描的策略对其进行路径规划，首先对整个矩形均匀矢量分块，随后随机对每块进行路径填充规划，其中斜线即表示所规划的激光扫描路径。需注意的是，扫描路径的生成并非按照各块顺序逐个填充，而是对块随机抽取进行扫描路径填充，从而减小零件成形过程中积累的热应力。

如图6中为后500层切片，存在多类别的切环轮廓，针对几何特征不同，智能优选路径规划策略：

本实施例中，预设面积最小阈值为0.1S，预设面积最大阈值为2S，S是待成形零件单个切片层的截面面积，预设长度阈值为L，预设宽度阈值为W。

对于长方体结构11，其对应的切环轮廓1，切环轮廓1的面积大于预设面积最大阈值2S，属于大面积矩形切环轮廓，采用分块扫描方式进行路径规划，随机选取块进行路径填充，斜线即表示所规划的激光扫描路径；

对于长条结构21，其对应的切环轮廓2，切环轮廓2面积介于0.1S至2S之间，为简单矩形结构，且长度超过预设长度阈值L，宽度小于预设宽度阈值W，因此采用分区扫描方式进行路径规划，避免扫描矢量过长导致成形质量下降，斜线即表示所规划的激光扫描路径；

对于薄壁蜂窝结构31，其对应的切环轮廓3，切环轮廓3面积介于0.1S至2S之间，属于环状切环轮廓，采用偏置扫描方式进行路径规划，可获得更好的边缘光滑度及尺寸精度，内部折线即表示所规划的激光扫描路径；

对于点阵结构41，其对应的切环轮廓4，切环轮廓4面积小于预设面积最小阈值0.1S，属于极小面积切环轮廓，采用纯边框扫描的方式来进行扫描路径规划，可降低成形难度，提高成形精度，外部曲线即表示所规划的激光扫描路径；

对于空心长方体结构51，内为柱状支撑，其对应的切环轮廓5可分三部分进行路径规划，四角的矩形部分面积介于0.1S至2S之间，且长宽均小于预设阈值L、W，因此采用层状扫描方式成形；支撑中较大的圆环采用层状扫描的方式，成形简单且效果好，圆环横线即表示所规划的激光扫描路径；极小的圆环面积已经小于预设面积最小阈值0.1S，需要采用纯边框扫描的方式来，确保能够顺利完整成形，外部圆环即表示所规划的激光扫描路径；

对于圆柱结构61，其对应的切环轮廓6，切环轮廓6面积介于0.1S至2S之间，且为圆形结构，采用螺旋扫描的方式进行扫描路径规划，可获得更好的成形精度，内部螺旋线即表示所规划的激光扫描路径；

对于“环中环”结构71，其对应的切环轮廓7，切环轮廓7为两个同心的环状结构，且两个环状区域面积均介于0.1S至2S之间，因此采用偏置扫描的方式进行路径规划，内部同心圆环线即表示所规划的激光扫描路径；

对于小体积长方体结构81，其对应的切环轮廓8，切环轮廓8面积介于0.1S至2S之间，为矩形形状轮廓，且长宽均小于预设阈值L、W，因此采用层状扫描的方式进行路径规划即可，计算简单且成形质量良好；

本实例中，步骤S3，如图7所示，每层扫描时记录当前层(第n层)扫描角度等参数，在完成当前层扫描后，调整偏转角度及间距，再对下一层(第n+1)进行路径规划，减小成形过程中的热应力集中及变形。

本实例中，步骤S3算法生成的扫描路径由多个路径点构成，将其存储于vector容器中，按照扫描先后顺序排布，构成扫描路径，该扫描路径即为SLM零件成形过程中的激光扫描路径。

通过上述方法最终智能得出每层SLM扫描路径，考虑到了不同切片层几何特征不同在SLM成形时工艺需求的差异性，对切环轮廓采用不同的路径规划算法，从而提高成形零件的质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对于待成形零件的三维模型，将其进行切片，以此获得多个切片层和每个切片层中包括的零件轮廓信息；

(b)对于每个切片层中，根据该切片层中的零件轮廓信息将该切片轮廓划分为多个区域，并获取每个区域的几何特征；

(c)根据步骤(b)中获取的每个区域的几何特征，分别规划每个区域各自对应的激光扫描路径，设定每个区域的扫描顺序，以此获得每个切片层中所有区域的扫描顺序和激光扫描路径；

(d)根据步骤(c)中的扫描顺序和扫描路径逐层加工所述待成形零件的切片层，以此获得所需的零件。

2.如权利要求1所述的一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，获取每个区域的几何特征时，需将每个切片层中包括的零件轮廓信息转化为二维图像。

3.如权利要求1所述的一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述几何特征包括区域面积，形状、长度和宽度。

4.如权利要求1所述的一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述激光扫描路径为层状扫描、分区扫描、分块扫描、偏置扫描、螺旋扫描或纯边框扫描。

5.如权利要求4所述的一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述分别规划每个区域各自对应的激光扫描路径按照下列方式进行确定：

对于每个区域而言，当该区域的面积大于预设面积最大阈值时，采用分块扫描；

当该区域的面积小于预设面积最小阈值时，采用纯边框扫描；

当该区域的面积介于预设面积最大阈值和最小阈值之间时，判断该区域的形状，当该区域为环状结构，采用偏置扫描；当该区域为圆形结构，采用螺旋扫描；否则，判断该区域的长度和宽度，当该区域的长度和宽度均小于预设长度和宽度阈值时，采用层状扫描，否则采用分区扫描。

6.如权利要求1所述的一种基于智能扫描路径规划的SLM成形方法，其特征在于，在步骤(d)中，逐层加工所述切片层时，需调整相邻切片层的激光扫描线的偏转角度，以此降低不同切片层扫描过程中的激光重叠的可能性，减少零件缺陷。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的成形方法获得的产品。

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