CN112548116B - 利用熔丝3d打印技术的打印路径优化方法及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法及3D打印方法，该打印路径优化方法包括：将待打印的目标制件的三维数模进行分层切片处理并生成初始打印路径；识别初始打印路径中包含的小角度转角路径；在转角顶点处生成过渡打印路径，其被定义为自转角顶点开始的小角度转角的角平分线的反向延长线段或者与反向延长线段的夹角在预设角度偏差范围内的过渡线段；生成优化转角路径以替代小角度转角路径，其中优化转角路径依次由转角前路径、过渡打印路径及其反向路径、以及转角后路径组成。根据本发明的利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法及3D打印方法，能够改善熔丝3D打印制件的转角打印质量和外形，并降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印的技术领域，尤其涉及一种利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法及熔丝3D打印方法。
背景技术
3D打印技术是一种基于离散-堆积原理，以合金粉末或丝材为原料采用逐层熔化堆积的方法由三维数模直接制造复杂形状零件的技术，尤其适合钛合金、高温合金等材料的加工零件的成形，特别是以常规方法加工成形较为困难的零件的成形。3D打印技术因其技术优势在诸如飞机研制和定型阶段发挥着不可替代的作用。
其中，以金属丝材为原料的熔丝3D打印技术具有成形尺寸大、成形效率高、综合成本低等优点，在诸如民用飞机大型承力结构件的制造上具有非常大的应用潜力和潜在优势。
然而，与粉末3D打印技术相比，熔丝3D打印技术的成形精度较低，尤其是在打印小角度转角结构(诸如不超过120°的转角的结构)或具有小角度转角结构的零部件时，3D打印设备的运动机构减速、微震等因素容易造成小角度转角处的打印原材料积累过多且转角处热源停留时间过长、热影响区大等问题，这可能进一步致使最终加工成形的零部件出现在转角处的组织性能不均匀、性能不佳的缺陷。为此，目前较为常用的解决方案一般是将小角度转变为圆弧角，通过增大3D打印设备的运动机构的转角来减少运动机构减速等所造成的转角积料现象。
然而，上述将小角度转变为圆弧角的解决方案在改善转角打印质量的同时，也会改变制件的原始外形，打印制得的制件外形会由小角度转角变为圆弧角。这可能造成制件外形和期望的外形存在差异，并且所需的原材料丝材用量也将提高而导致生产成本增加，这将弱化熔丝3D打印技术的成本优势。
因此，亟需提供一种新的利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法及相关的3D打印方法，以至少部分缓解或改善现有技术存在的上述缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的熔丝3D打印方案可能造成制件性能不佳、不均匀或者制件外形和期望外形存在差异、生产成本相对较高的缺陷，提出一种新的利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法及3D打印方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法，其特点在于，所述打印路径优化方法包括以下步骤：
将待打印的目标制件的三维数模进行分层切片处理以获取多层切片，并针对每层切片生成初始打印路径；
识别所述初始打印路径中包含的小角度转角路径，其中所述小角度转角路径具有小角度转角、转角前路径、转角后路径及其转角顶点；
在所述小角度转角路径的所述转角顶点处生成过渡打印路径，所述过渡打印路径被定义为自所述转角顶点开始的所述小角度转角的角平分线的反向延长线段或者与所述反向延长线段的夹角在预设角度偏差范围内的过渡线段；
生成所述小角度转角处的优化转角路径，并以所述优化转角路径替代每层切片的所述小角度转角路径，其中所述优化转角路径依次由所述转角前路径、所述过渡打印路径及其反向路径、以及所述转角后路径组成。
根据本发明的一种实施方式，所述预设角度偏差范围被定义为-10°至+10°的角度范围。
根据本发明的一种实施方式，所述小角度转角定义为不超过120°的夹角。
根据本发明的一种实施方式，所述过渡打印路径的长度不小于熔丝3D打印所用丝材的直径的三倍。
根据本发明的一种实施方式，所述过渡打印路径的长度不超过熔丝3D打印所用丝材的直径的五倍。
根据本发明的一种实施方式，至少部分所述小角度转角路径中包含的所述转角前路径和所述转角后路径为直线段或近似直线段。
根据本发明的一种实施方式，所述打印路径优化方法还包括以下步骤：
对于采用所述优化转角路径进行替代后所生成的每层切片的优化打印路径，将其中包含的所述过渡打印路径及其反向路径定义为熔丝3D打印中停止送丝及熔丝操作的片段。
本发明还提供了一种熔丝3D打印方法，其特点在于，所述熔丝3D打印方法包括如上所述的打印路径优化方法，并且还包括以下步骤：
基于所得到的每层切片的所述优化打印路径，进行熔丝3D打印操作，其中在所述过渡打印路径及其反向路径停止送丝及熔丝操作。
根据本发明的一种实施方式，所述熔丝3D打印操作采用的丝材为Ti-6Al-4V合金丝材。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法及3D打印方法，能够在针对小角度转角结构进行熔丝3D打印时，减少3D打印设备的运动机构在转角附近的减速和微震，以改善或者说减轻转角积料以及转角处热源停留时间长等方面的不利影响，改善熔丝3D打印制件的转角打印质量和外形，并降低生产成本。
附图说明
图1为根据本发明的优选实施方式的利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法的流程示意图。
图2示意性地示出了根据本发明的优选实施方式的利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法的一个应用实例中的部分打印制件外形及优化打印路径。
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
根据本发明的较佳实施方式的一种利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法，该打印路径优化方法尤其适用于利用熔丝3D打印技术打印小角度结构或包含小角度结构的零部件。在此所称的小角度，可理解为不超过120度的转角。
参考图1所示，该打印路径优化方法包括以下步骤：
将待打印的目标制件的三维数模进行分层切片处理以获取多层切片，并针对每层切片生成初始打印路径；
识别初始打印路径中包含的小角度转角路径，其中该小角度转角路径具有小角度转角、转角前路径、转角后路径及其转角顶点；
在该小角度转角路径的转角顶点处生成过渡打印路径，过渡打印路径被定义为自转角顶点开始的该小角度转角的角平分线的反向延长线段或者与反向延长线段的夹角在预设角度偏差范围内的过渡线段；
生成该小角度转角处的优化转角路径，并以优化转角路径替代每层切片的该小角度转角路径，其中优化转角路径依次由转角前路径、过渡打印路径及其反向路径、以及转角后路径组成。
可以理解的是，在上述方法中，首先针对每层切片生成初始打印路径，后续步骤通常均针对每层切片中的各个小角度转角路径进行相应的处理，并最终分别以与之对应的优化转角路径进行替换，从而形成整体上对每一层切片的优化打印路径。
根据本发明的一些优选实施方式，打印路径优化方法还包括以下步骤：
对于采用优化转角路径进行替代后所生成的每层切片的优化打印路径，将其中包含的过渡打印路径及其反向路径定义为熔丝3D打印中停止送丝及熔丝操作的片段。由此，可有效减少或者消除熔丝3D打印过程中不必要的或者不期望的热源停留，因而可有助于改善制件在转角处的性能。
根据本发明的一些优选实施方式，该小角度转角定义为不超过120°的夹角，更优选地被定义为不超过90°的夹角，以及进一步优选地被定义为不超过40°的夹角。
应理解的是，尤其对于不超过90°甚至不超过40°的小转角而言，转角处通常将发生十分显著的3D打印设备的运动机构减速、微震现象，这将进而导致较为显著的转角处热源停留时间过长、热影响区大等问题，最终导致加工成形的零部件在转角附近的性能不佳。与之相比，根据本发明的上述实施方式的解决方案通过引入适当的过渡打印路径，使得3D打印设备及其运动机构在制件打印过程中和小转角相关的移动过程或移动路径中，将不会直接沿着小转角移动，而会在整个移动路径的中段部分以该过渡打印路径作为中转或者说过渡，这有助于改善上述问题，并且对于不超过90°甚至不超过40°的小转角而言，相关改善效果将是尤为显著的。
例如，以80°的小转角而言，根据本发明的上述方法所优化引入的该过渡打印路径将使得3D打印设备的运动机构可以以诸如两个大约为140°的大转角运动路径部分取代原先需要完成的一个80°的小转角路径，该两个大转角分别对应于转角前路径至过渡打印路径的转角以及过渡打印路径的反向路径至转角后路径的转角。
由此，3D打印设备的运动机构的移动路径将仅经过较大的转角而不必经过较小的转角，较大的转角对于3D打印设备的运动机构的移动而言是较为有利的，运动机构在转角处的减速、微震现象将得到显著的缓解甚至消除，从而有助于大幅改善加工成形的零部件在转角附近的多方面性能。
应理解的是，为了达成上述效果所优化设计的过渡打印路径可以在一定范围内有所偏斜而不必须是该小角度转角的角平分线的反向延长线段。例如，在以上描述的80°的小转角的例子中，通过引入该过渡打印路径形成的两个大转角运动路径也可以分别大约为138°和142°，或者是135°和145°等等，基于这样的过渡打印路径及与之相应的两个大转角，也可以取得和以上举例说明的以诸如两个大约为140°的大转角运动路径部分取代原先需要完成的一个80°的小转角路径的示例大体上相当的有益效果。即，其同样可大幅改善加工成形的零部件在转角附近的多方面性能。
优选地，该预设角度偏差范围一般可被定义为-10°至+10°的角度范围。
根据本发明的一些优选实施方式，至少部分该小角度转角路径中包含的转角前路径和转角后路径为直线段或近似直线段。即，至少部分小角度转角路径，转角不包含明显的圆弧角。可理解的是，在此所称的近似直线段是指该线段中的首尾部分的延伸方向的变化不超出例如5°。
根据本发明的一些优选实施方式，过渡打印路径的长度不小于熔丝3D打印所用丝材的直径的三倍。并且优选地，过渡打印路径的长度不超过熔丝3D打印所用丝材的直径的五倍。
采用该优选配置的过渡打印路径，能够在如上所述地改善转角处打印质量的同时，改善或者说减轻过渡路径过长致使打印机构热量散失或者说降温过多，而不利于后续打印
根据一些具体的应用实例，所应用的丝材为直径3mm的Ti-6Al-4V合金丝材。该种Ti-6Al-4V合金丝材可诸如具有如下的质量百分比：
Al：6.10％；V：4.08％；Fe：0.15％；O：0.11％；C：0.011％；N：0.01％；H：0.0008％；Y：0.002％，其余为Ti。
本申请的发明人在该应用实例中采用相同的3D打印设备测试了根据现有技术的方法以及根据本发明的上述优选实施方式的方法进行熔丝3D打印所制得的制件的性能差异。图2示意性地示出了应用实例中的部分打印制件的外形及示例性的优化打印路径，其中AO为转角前路径、OX为过渡打印路径、XO为过渡打印路径的反向路径、OB为转角后路径。其中，在虚线框所包括的过渡打印路径部分，需停止送丝及熔丝操作。
其中，根据本发明的上述优选实施方式的方法中将该过渡打印路径的长度设置为9mm，切片层厚设置为0.5mm，制件中涉及的小转角结构的夹角约为40°-60°。
上述应用实例的测试结果表明，相比于现有技术的方法，根据本发明的上述优选实施方式的方法进行熔丝3D打印，打印过程中运动机构在小角度结构转角处的减速、震动情况得到显著改善，打印制得的制件的转角积料问题、制件转角处的打印质量和相关性能均得到明显改善。一些测试结果表明，在其他条件不变的情况下，仅仅通过如上所述的打印路径优化，就使得打印制件的屈服强度由843MPa提高到875MPa，抗拉强度由950MPa提高至986MPa。
根据本发明的上述优选实施方式的利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法及3D打印方法，能够在针对小角度转角结构进行熔丝3D打印时，减少3D打印设备的运动机构在转角附近的减速和微震，以改善或者说减轻转角积料以及转角处热源停留时间长等方面的不利影响，改善熔丝3D打印制件的转角打印质量和外形，并降低生产成本。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用熔丝3D打印技术的打印路径优化方法，其特征在于，所述打印路径优化方法包括以下步骤：
将待打印的目标制件的三维数模进行分层切片处理以获取多层切片，并针对每层切片生成初始打印路径；
识别所述初始打印路径中包含的小角度转角路径，其中所述小角度转角路径具有小角度转角、转角前路径、转角后路径及其转角顶点；
在所述小角度转角路径的所述转角顶点处生成过渡打印路径，所述过渡打印路径被定义为自所述转角顶点开始的所述小角度转角的角平分线的反向延长线段或者与所述反向延长线段的夹角在预设角度偏差范围内的过渡线段；
生成所述小角度转角处的优化转角路径，并以所述优化转角路径替代每层切片的所述小角度转角路径，其中所述优化转角路径依次由所述转角前路径、所述过渡打印路径及其反向路径、以及所述转角后路径组成。
2.如权利要求1所述的打印路径优化方法，其特征在于，所述预设角度偏差范围被定义为-10°至+10°的角度范围。
3.如权利要求1所述的打印路径优化方法，其特征在于，所述小角度转角定义为不超过120°的夹角。
4.如权利要求1所述的打印路径优化方法，其特征在于，所述过渡打印路径的长度不小于熔丝3D打印所用丝材的直径的三倍。
5.如权利要求4所述的打印路径优化方法，其特征在于，所述过渡打印路径的长度不超过熔丝3D打印所用丝材的直径的五倍。
6.如权利要求1所述的打印路径优化方法，其特征在于，至少部分所述小角度转角路径中包含的所述转角前路径和所述转角后路径为直线段或近似直线段。
7.如权利要求1-6中任一项所述的打印路径优化方法，其特征在于，所述打印路径优化方法还包括以下步骤：
对于采用所述优化转角路径进行替代后所生成的每层切片的优化打印路径，将其中包含的所述过渡打印路径及其反向路径定义为熔丝3D打印中停止送丝及熔丝操作的片段。
8.一种熔丝3D打印方法，其特征在于，所述熔丝3D打印方法包括如权利要求1-7中任意一项所述的打印路径优化方法，并且还包括以下步骤：
基于所得到的每层切片的所述优化打印路径，进行熔丝3D打印操作，其中在所述过渡打印路径及其反向路径停止送丝及熔丝操作。
9.如权利要求8所述的熔丝3D打印方法，其特征在于，所述熔丝3D打印操作采用的丝材为Ti-6Al-4V合金丝材。
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