CN113042754B - 金属微滴3d打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法 - Google Patents

金属微滴3d打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法，属于3D打印技术领域。基于轻质点阵结构的结构特征与几何尺寸，依据微滴3D打印逐点离散制造的工艺特点，将轻质点阵的连续几何模型离散化为适用于均匀微滴3D打印的离散液滴模型，再通过矩阵的齐次坐标变换对离散液滴模型进行空间阵列化，按照特征沉积策略排布液滴坐标，协同优化液滴搭接点结合情况，从而完成轨迹规划并最终输出数控打印程序。本方法有效地提高了轻质点阵夹芯板打印轨迹规划方法的轨迹精度，同时具备高稳定性、高可调性和高适配性，可实现不同结构尺寸的金属微滴3D打印轻质点阵夹芯板的打印轨迹快速规划。

Description

金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板的特征沉积轨迹规划方法，特别涉及微滴3D打印金字塔型轻质点阵夹芯板的特征沉积打印轨迹规划方法。
背景技术
随着航空航天技术进步，飞行器结构朝着轻质化和多功能集成化方向发展，以更好适应极端的工作环境。航空用轻质结构中，三维轻质点阵夹芯板结构是由节点、杆、板等按照一定规则周期性排列的三维多孔夹芯板结构，具有轻质、高比强度、高比刚度、高能减震、散热等性能，并可根据需求嵌入功能元件，实现隐身、吸波、散热等多功能化要求，是一种新型的多功能工程结构，在航空航天、交通能源等领域具有广泛的应用前景。然而，轻质点阵结构由于其自身结构固有的复杂性，此类结构对现有制造方法提出了挑战。
金属增材制造方法常用来制备金属轻质点阵夹芯板结构。SLS(激光选域烧结)技术制备的轻质点阵结构疏松多孔，表面粗糙度和力学性能较差；SLM(激光选域熔融)技术成型轻质点阵综合力学性能较好，但由于其工艺限制，工艺要求杆单元与水平面夹角必须保持30°以上，且由于其制造温度过高，存在热应变或残余应力等缺陷。
均匀金属微滴喷射3D打印技术，是一种新型的快速成型技术。该技术具有喷射材料范围广、无约束自由成形和无需昂贵专用设备等优点，在微小复杂金属件制备、电路打印与电子封装以及结构功能一体化零件制造等领域具有广泛应用前景，可以制备出大尺寸、高精度的轻质点阵夹芯板结构。现有的均匀金属微滴3D打印轨迹规划方法为STL模型切片法，该种方法适用于大型实体零件的轨迹规划，规划枝状结构零件时易受STL模型精度与切片算法的影响，可能出现液滴错层或不搭接等情况，因此不适用于轻质点阵夹芯板的高精度轨迹规划。
文献“D.K.K.Jayabal,″3D Printing Support-Less Engineered LatticeStructures Via Jetting of Molten Aluminum Droplets.″Order No.22619058,Rochester Institute of Technology,Ann Arbor,2019.”，公开了一种轻质点阵打印轨迹规划方法，该文使用结构计算方法生成微滴3D打印轻质点阵结构打印轨迹。首先对模型尺寸与打印参数进行定义，然后通过Visual Basic语言编写程序，通过起点位置与沉积间隔逐点相加的方法计算出每颗液滴的打印坐标，输出为Excel表格，最后根据逐层打印顺序导出G代码，从而完成轻质点阵打印轨迹规划。该轨迹规划方法为逐层沉积法，轨迹空行程多，打印效率较低，且会累积运动平台的回程误差，导致精度较低；同时规划过程繁琐，需要借助Excel进行中间处理；未对点阵结构搭接处交点液滴的优化，点阵搭接处强度低，难以生成多胞元、高精度的微滴3D打印轻质点阵夹芯板结构打印轨迹。
中国发明专利“CN200910021831.6”公开了一种微滴3D打印轨迹规划方法，首先根据零件的数字模型，运用层面算法提取出零件每层的几何信息和材料信息，其次生成每层层面对应的基板运动轨迹，完成轨迹规划方法。然而，该轨迹规划方法需先根据轻质点阵夹芯板的结构设计出STL模型，再进行切片与填充路径规划，轨迹规划过程中的路径数据由底层切片引擎计算，无法在规划中实时调节液滴沉积位置，且在打印由单颗液滴构成的枝状结构时精度较低，易产生错层或不搭接等情况。
发明内容
要解决的技术问题
为了克服现有轨迹规划方法对金属微滴3D打印轻质点阵夹芯板结构一体化成型制备的不足，本发明提供一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法。
技术方案
本发明提供的一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法，该方法基于C#语言编写，依据金属微滴3D打印离散沉积成型的工艺特点，将点阵结构的数学模型转变为适用于微滴3D打印的离散化液滴模型，通过齐次三维坐标与变换矩阵相乘实现点阵的空间阵列化，并修正枝状结构中的交点位置问题，使用特征沉积规划法进行轨迹规划，有效增加轨迹的精度与效率，最终输出微滴3D打印数控代码，实现复杂轻质点阵夹芯板结构打印轨迹高精度、自动、快速生成。本发明不受轻质点阵夹芯板结构复杂度、阵列尺寸与沉积步距的限制，严格根据点阵几何尺寸逐点计算液滴坐标，同时有效减少空行程，避免了回程误差，可以有效解决现有技术方法难以进行高精度轻质点阵夹芯板轨迹规划方法的问题，实现轻质点阵夹芯板结构的微滴3D打印高精度轨迹规划。
一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：确定轻质点阵几何模型与液滴尺寸，包含夹芯板高度H，六面体中心高度h，底面对角线长度的二分之一d；六面体中心到8个顶点的顶点支柱长度l，顶点支柱与底面的夹角α，柱截面半径r，液滴直径d，以及轻质点阵在空间中沿X、Y、Z三轴的阵列数量；
步骤2：离散化处理，将整体模型离散化为点阵结构和夹芯板结构，并将离散化的结构特征编号，再通过逐点沉积扫描方法，将实体模型离散化为液滴点模型，得到形如(xi,yj,zk,1)的齐次三维液滴坐标；
步骤3：对交点位置的液滴坐标进行修正，计算顶端液滴之间的距离，当出现重叠现象，即液滴坐标完全相等时，将点阵结构液滴数量减1；当出现团聚现象，即液滴间距小于融合间距时，将点阵结构顶点液滴步距改为融合间距；
步骤4：对液滴模型进行空间阵列化，依据步骤1中的点阵阵列数量，将液滴齐次坐标与平移变换矩阵与对称变换矩阵相乘，实现模型在空间中的重复阵列，具体公式如下：
设离散化后的其次三维液滴坐标为P＝(xi,yj,zk,1)，变换矩阵为T，变换公式为：
P′＝P·T (1)
平移变换的变换矩阵为
Figure BDA0002964872720000041
其中，l,m,n分别为点P沿X轴、Y轴、Z轴方向的平移量；
对称变换的变换矩阵为
Figure BDA0002964872720000042
步骤5：按照特征沉积规划策略，将液滴坐标按照步骤2中结构特征由先到后顺序排列，确保打印轨迹按照特征顺序进行沉积，且层与层之间的液滴不发生干涉；
步骤6：将液滴坐标按照数控程序格式输出，完成打印轨迹规划。
优选地：采用基于C#语言编写。
一种金属轻质点阵夹芯板构型，采用上述的金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法得到。
有益效果
本发明提出的一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法，该方法基于轻质点阵结构的结构特征与几何尺寸，依据微滴3D打印逐点离散制造的工艺特点，将轻质点阵的连续几何模型离散化为适用于均匀微滴3D打印的离散液滴模型，再通过矩阵的齐次坐标变换对离散液滴模型进行空间阵列化，按照特征沉积策略排布液滴坐标，协同优化液滴搭接点结合情况，从而完成轨迹规划并最终输出数控打印程序。本方法有效地提高了轻质点阵夹芯板打印轨迹规划方法的轨迹精度，同时具备高稳定性、高可调性和高适配性，可实现不同结构尺寸的金属微滴3D打印轻质点阵夹芯板的打印轨迹快速规划；本发明不受点阵空间阵列与尺寸的影响，有效解决了背景技术中微滴3D打印轨迹规划方法难以生成高精度的轻质点阵夹芯板打印轨迹的问题。
具体表现在：
1.利用特征沉积法进行轨迹规划，能够有效减少空行程，提高了打印速度，也避免了三维运动平台产生的回程误差，所以相比传统逐层沉积方法所生成的轨迹打印速度与精度成倍增加，大幅提高打印效率，有利于制备高精度、大尺寸轻质点阵结构。
2.与传统STL模型切片法相比，本方法避免了STL三角面片模型自身误差与切片算法产生的误差，因此具有算法简单、精度高、稳定性高、轨迹空行程短、可操作性强等诸多优势。
附图说明
图1是本发明的轨迹规划流程图；
图2是本发明所制备的轻质点阵夹芯板结构示意图；
图3是轻质点阵夹芯板模型离散化过程示意图；
图4是轻质点阵夹芯板模型空间阵列化过程示意图；
图5是特征沉积轨迹规划方法示意图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：锡铅合金单胞元轻质点阵夹芯板结构轨迹规划
步骤一、依据轻质点阵夹芯板的具体结构尺寸、阵列要求等，确定其具体尺寸与液滴直径，胞元阵列X、Y、Z三轴均设为1，存入轨迹规划程序中。
步骤二、离散化处理，将整体模型离散化为点阵结构和夹芯板结构，其中底部四根支柱编号为1至4，夹芯板编号为5，顶部四根支柱编号为6至9。依据步骤一指定的轻质点阵夹芯板的结构尺寸，调整液滴融合间距为锡铅合金，将实体模型离散化为液滴点模型，得到三维液滴坐标序列。
步骤三、对交点位置的液滴坐标进行优化，计算顶端液滴之间的距离，当出现重叠现象，即液滴坐标完全相等时，将点阵结构液滴数量减1；当出现团聚现象，即液滴间距小于融合间距时，将点阵结构顶点液滴步距改为融合间距。
步骤四、对液滴模型进行空间阵列化，依据步骤一指定的阵列数量，将液滴齐次坐标序列与平移变换矩阵与对称变换矩阵相乘，从而将模型在空间中阵列重复。
步骤五、按照特征沉积规划策略，将液滴坐标按照结构特征按照由小到大的顺序排列，确保打印轨迹按照特征顺序进行沉积，且层与层之间的液滴不发生干涉。
步骤六、将锡铅合金打印程序头文件与液滴坐标按照数控程序格式输出txt文件，完成打印轨迹规划。
实施例2：锡铅合金多胞元轻质点阵夹芯板结构轨迹规划
步骤一、依据轻质点阵夹芯板的具体结构尺寸、阵列要求等，确定其具体尺寸、阵列数值与液滴直径，存入轨迹规划程序中。
步骤二、离散化处理，将整体模型离散化为点阵结构和夹芯板结构，底部四根支柱编号为1至4，夹芯板编号为5，顶部四根支柱编号为6至9。依据步骤一指定的轻质点阵夹芯板的结构尺寸，调整液滴融合间距为锡铅合金，将实体模型离散化为液滴点模型，得到三维液滴坐标序列。
步骤三、对交点位置的液滴坐标进行优化，计算顶端液滴之间的距离，当出现重叠现象，即液滴坐标完全相等时，将点阵结构液滴数量减1；当出现团聚现象，即液滴间距小于融合间距时，将点阵结构顶点液滴步距改为融合间距。
步骤四、对液滴模型进行空间阵列化，依据步骤一指定的阵列数量，将液滴齐次坐标序列与平移变换矩阵与对称变换矩阵相乘，从而将模型在空间中阵列重复。
步骤五、按照特征沉积规划策略，将液滴坐标按照结构特征按照由小到大的顺序排列，确保打印轨迹按照特征顺序进行沉积，且层与层之间的液滴不发生干涉。
步骤六、将锡铅合金打印程序头文件与液滴坐标按照数控程序格式输出txt文件，完成打印轨迹规划。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：确定轻质点阵几何模型与液滴尺寸，包含夹芯板高度H，六面体中心高度h，底面对角线长度的二分之一d；六面体中心到8个顶点的顶点支柱长度l，顶点支柱与底面的夹角α，柱截面半径r，液滴直径d，以及轻质点阵在空间中沿X、Y、Z三轴的阵列数量；
步骤2：离散化处理，将整体模型离散化为点阵结构和夹芯板结构，并将离散化的结构特征编号，再通过逐点沉积扫描方法，将实体模型离散化为液滴点模型，得到形如(xi,yj,zk,1)的齐次三维液滴坐标；
步骤3：对交点位置的液滴坐标进行修正，计算顶端液滴之间的距离，当出现重叠现象，即液滴坐标完全相等时，将点阵结构液滴数量减1；当出现团聚现象，即液滴间距小于融合间距时，将点阵结构顶点液滴步距改为融合间距；
步骤4：对液滴模型进行空间阵列化，依据步骤1中的点阵阵列数量，将液滴齐次坐标与平移变换矩阵与对称变换矩阵相乘，实现模型在空间中的重复阵列，具体公式如下：
设离散化后的齐次三维液滴坐标为P＝(xi,yj,zk,1)，变换矩阵为T，变换公式为：
P′＝P·T (1)
平移变换的变换矩阵为
Figure FDA0003719618660000011
其中，l,m,n分别为点P沿X轴、Y轴、Z轴方向的平移量；
对称变换的变换矩阵为
Figure FDA0003719618660000012
步骤5：按照特征沉积规划策略，将液滴坐标按照步骤2中结构特征由先到后顺序排列，确保打印轨迹按照特征顺序进行沉积，且层与层之间的液滴不发生干涉；
步骤6：将液滴坐标按照数控程序格式输出，完成打印轨迹规划。
2.根据权利要求1所述的一种金属微滴3D打印成型轻质点阵夹芯板轨迹规划方法，其特征在于采用基于C#语言编写。
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