CN113275601B - 一种变层厚扫描的切片方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变层厚扫描的切片方法，方法步骤如下：在计算机上准备CAD三维模型，输入变层厚扫描区域临界角度阈值α°，遍历CAD模型表面并标记出立面结构倾斜角度小于α°的所有面片；未被标记区域的模型数据切片层厚为d，被标记区域的模型数据切片层厚为n*d，n为正整数，n>＝2，完成在同一平面不同复杂区域采用变层厚路径扫描规划。本发明的方法具备丰富的扫描工艺，更少的打印数据量，更高的打印效率，充分的发挥硬件性能等实际价值。

Description

一种变层厚扫描的切片方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造即3D打印领域，具体为一种变层厚扫描的切片方法。
背景技术
增材制造(AM)是指三维物体由原材料(通常为粉末、液体、悬浮液或熔化的固体)以一系列二维层或横截面构建的制造过程。三维模型通过降维，将复杂的空间结构离散为平面二维图形或轮廓，实现了制造过程简化和简单。
目前采用轨迹扫描的增材制造主要分为以下几种：选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)，选择性激光熔化SLM(Selective Laser Melting)，立体光刻法SLA(Stereo Lithography Apparatus)，薄层材料选择性切割LOM(Laminating ObjectManufacturing)，熔融沉积制造FDM(Fused Deposition Manufacturing)，激光近净成型LENS(Laser Engineered Net Shaping)。这些增材制造方法都需要逐层对CAD的截面或轮廓进行轨迹扫描，存在数据量大，效率低，成型幅面有限等问题。
等层厚切片和扫描的增材制造方法，工艺单一，硬件性能冗余浪费。以激光扫描为例，单位功率的激光成本越来越低，打印机升级几倍于原先功率的激光，并不会带来几倍的制造效率，成型精度和等层厚扫描就是重要原因。本发明提出了变层厚扫描的切片方法，任意模型体倾斜角度小于阈值α°的面片的切片数据进行标记，隔层消除这些标记的切片数据，同时这些标记的数据给予更高的激光功率使之能穿透两层的打印层厚。该方法不牺牲复杂结构精度，同时节约30％～50％的打印时间，设备的硬件潜力得到充分的发挥。
发明内容
本发明提出了一种能降低激光扫描轨迹数据量，提高增材制造效率的切片方法。该方法在切片过程中隔层剔除模型中倾斜角度小于阈值α°的面片的轮廓数据，在保证一定精度的情况下，很大程度的减少了模型中立面结构的扫描工作量，提高了扫描的效率。对小于阈值α°的面片的轮廓数据配置相应的激光功率、扫描速度、光斑直径、激光作用深度等扫描参数，实现标记区域打印的精度和打印速度。
本发明采用的技术方案如下：一种变层厚扫描的切片方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)在计算机上准备要CAD三维模型，导入模型数据到软件虚拟平台上，调整合适的摆放姿态；
(2)输入变层厚扫描的目标区域α°，遍历CAD模型表面并标记出立面结构倾斜角度小于α°的所有面片；
(3)拷贝并分离被标记区域的CAD模型数据，同时拷贝未被标记区域的CAD模型数据，对两个拷贝模型数据重构优化处理；
(4)未被标记区域的模型数据进行等层厚切片，层厚为常数d，切片数据放置缓存数组中；
(5)被标记区域的模型数据进行等层厚切片，层厚为常数n*d，n>1，切片数据放置缓存数组中；
(6)CAD原始模型数据进行等层厚切片，层厚为常数d，切片的数据内容为平面和截面突变区域的填充扫描数据，切片数据放置缓存中；
(7)合并输出(4)、(5)、(6)步骤的切片数据，同处一个层高的数据在合并过程中标识切片数据所属的区域，不同的标识区域的数据分配不同的功能码，例如：步骤(4)区域数据功能码为A，步骤(5)区域数据功能码为B，步骤(6)区域数据功能码为C，按照该协议输出打印文件；
(8)将步骤(7)的打印文件加载到打印系统中，设置激光扫描工艺参数，包括激光功率、扫描速度、光斑直径、激光作用深度、预热温度等，一倍层厚d的扫描工艺参数为A，二倍层厚2*d的扫描工艺参数为B，表面和切片台阶表面扫描工艺参数为C；
(9)启动打印，计算机控制激光扫描过程中的激光功率、扫描速度以及光斑直径，读取到功能码为A的区域的数据，激光以快速和较低的功率对A区域实施一个层厚d的打印，读取到功能码为B区域的数据，激光以更高的功率对B区域实施2*d层厚的打印，读取到功能码为C区域的数据，激光以较大的光斑对C区域实施一个层厚d的打印；
(10)打印结束后，获得具有一定精度的打印制件。
进一步的，所述步骤(2)中的目标区域α°为目标平面法向量与笛卡尔坐标系Z轴之间夹角取余角，取值范围0°～26.56°，α的取值由指定误差和切片层厚决定。
进一步的，所述步骤(8)中的打印系统为激光扫描打印系统时，激光功率可动态调整、扫描速度可实时变速、扫描光斑可动态变焦；基于权力1所述的变层厚扫描切片输出的打印文件，该激光打印系统能通过解析该打印文件的功能码匹配该数据对应的激光扫描工艺参数，实现变层厚扫描打印的过程。
进一步的，所述步骤(8)中的打印系统为物料沉积打印系统时，物料从喷嘴出料，出料的流量可实时调节，喷嘴沿着路径施放物料；基于权力1所述的变层厚扫描切片输出的打印文件，该物料沉积打印系统通过解析该打印文件的功能码，匹配需要变层厚扫描数据对应的出料流量和扫描速度，实现变层厚打印过程。
本发明的技术效果为：本发明提出了一种变层厚扫描的切片方法，基于误差与切片层厚的数学关系，在误差可控范围内，对模型不同结构进行不同层厚切片处理，以及在同一切片层使用不同的打印层深工艺，提高激光利用率和扫描效率的目的，解决了打印速耗时长的问题。本发明的方法具备丰富的扫描工艺，更少的打印数据量，更高的打印效率，充分的发挥硬件性能等实际价值。升级更高功率激光器件配合该发明的方法，打印机的性能将提升几倍的潜力。
附图说明
图1为变层厚切片的算法实现流程图。
图2为切片层厚对模型倾斜结构的误差影响示意图。
图3为本发明实施切片的对象，一个具有一定结构的CAD模型。
图4为CAD模型采用常规等层厚切片的数据分布及数据密度图。
图5为CAD模型采用变层扫描切片的方法获得的数据分布及数据密度。
具体实施方式
本发明提出了一种变层厚扫描的切片方法，基于误差与切片层厚的数学关系，该方法对模型体中的小角度立面结构减少切片数据量，提高该区域扫描层深，从而在误差可控范围内，达到提高扫描效率的目的，减少了打印文件的体量，解决了打印速耗时长的问题。
如图2所示，切片层厚t，模型立面倾斜角度α，叠层打印理论误差δ，更大层厚T；模型局部结构倾斜角度α，等层厚t切片时，理论误差δ＝t*tan(α)，设定切片层厚t＝0.3mm，更大层厚T＝2*t，允许打印误差δ<＝0.1mm，以此可以计算出在误差范围内，切片层厚为T时候，模型结构最大倾斜角度为α＝9.46°。因此变层厚扫描的切片方法，对模型任意倾斜角度小于α的结构，均实施T层厚的切片处理，并且误差控制在0.1mm以内。
本发明提出了一种变层厚扫描的切片方法，基于误差与切片层厚的数学关系，在误差可控范围内，该方法对模型体中的小角度立面结构减少切片数据量，并提高该区域扫描层深，达到降低打印文件的数据量和提高扫描效率的目的。方案的实施以一个具有一定结构的模型开展，如图3所示，本方法具体包括以下步骤，如图1所示：
(1)在计算机上准备要CAD三维模型，如图3，导入模型数据到软件虚拟平台上，调整合适的摆放姿态。
(2)输入变层厚扫描的目标区域α＝5°，遍历CAD模型表面并标记出立面结构倾斜角度小于α°的所有面片，如图3中1号箭头所指区域所示，所标识的面为小角度立面结构，模型其余结构不符合变层厚切片方法，如图3中2号箭头所指区域和图3中3号箭头所指区域。
(3)拷贝并分离被标记区域的CAD模型数据，同时拷贝未被标记区域的CAD模型数据，对两个拷贝模型数据重构优化处理。
(4)未被标记区域的模型数据，如图3中2号箭头所指区域，进行等层厚切片，层厚为常数d＝0.3mm，切片数据放置缓存数组中，数据样式和分布如图5中2号箭头所指区域所示。
(5)被标记区域的模型数据，如图3中1号箭头所指区域，进行等层厚切片，层厚为常数2*d＝0.6mm，切片数据放置缓存数组中，数据样式和分布如图5中1号箭头所指区域所示。
(6)CAD原始模型数据进行等层厚切片，层厚为常数d＝0.3mm，切片的数据内容为平面和截面突变区域的填充扫描数据，如图3中3号箭头所指区域，切片数据放置缓存中，数据样式和分布如图5中3号箭头所指区域所示。
(7)如图5所示，合并输出(4)、(5)、(6)步骤的切片数据，同处一个层高的数据在合并过程中标识切片数据所属的区域，不同的标识区域的数据分配不同的功能码，例如：步骤(4)区域数据功能码为A，步骤(5)区域数据功能码为B，步骤(6)区域数据功能码为C，按照该协议输出打印文件。
(8)将步骤(7)的打印文件加载到打印系统中，激光扫描工艺参数分为A、B、C，工艺A：激光功率＝600瓦，扫描速度＝1500mm/s，光斑直径D＝0.2mm，激光作用深度0.3mm；工艺B：激光功率＝1000瓦，扫描速度＝1500mm/s，光斑直径D＝0.2mm，激光作用深度0.6mm；工艺C：激光功率＝800瓦，扫描速度＝1500mm/s，光斑直径D＝0.5mm，激光作用深度0.3mm。
(9)启动打印，计算机控制激光扫描过程中的激光功率、扫描速度以及光斑直径，如图5所示，标号2的切片数据扫描工艺参数为A，标号1的切片数据扫描工艺参数为B，标号3的切片数据扫描工艺参数为C。
(10)打印结束后，获得具有一定精度的打印制件。
(11)图4为CAD模型采用常规等层厚切片的数据，轨迹总长度为19662mm，图5为CAD模型采用变层厚扫描切片的数据，对应轨迹总长度为11087mm，对比数据量可得，图4的数据量是图5的1.77倍，打印耗时节约46％的时间。

Claims (1)

1.一种变层厚扫描的切片方法，其特征在于方法步骤如下：
(1)在计算机上准备CAD三维模型，导入模型数据到软件虚拟平台上，调整合适的摆放姿态；
(2)输入变层厚扫描的阈值α°，遍历CAD模型表面并标记出立面结构倾斜角度小于阈值α°的所有面片，即变层厚目标区域；
(3)拷贝并分离被标记区域的CAD模型数据，同时拷贝未被标记区域的CAD模型数据，对两个拷贝模型数据重构优化处理；
(4)未被标记区域的模型数据进行等层厚切片，层厚为常数d，切片数据放置缓存数组中；
(5)被标记区域的模型数据进行等层厚切片，层厚为常数2*d，切片数据放置缓存数组中；
(6)CAD原始模型数据进行等层厚切片，层厚为常数d，切片的数据内容为表面和切片台阶表面的填充扫描数据，切片数据放置缓存数组中；
(7)合并输出(4)、(5)、(6)步骤的切片数据，同处一个层高的数据在合并过程中标识切片数据所属的区域，不同的标识区域的数据分配不同的功能码，按照协议输出打印文件；
(8)将步骤(7)的打印文件加载到打印系统中，设置扫描工艺参数，包括扫描层深、扫描速度、扫描宽度、能量输入和预热温度参数，一倍层厚d的扫描工艺参数为A，二倍层厚2*d的扫描工艺参数为B，表面和切片台阶表面扫描工艺参数为C；
(9)启动打印，计算机控制激光扫描过程中的激光功率、扫描速度以及光斑直径，读取到功能码为A的区域的数据，激光以快速和较低的功率对A区域实施一个层厚d的打印，读取到功能码为B区域的数据，激光以更高的功率对B区域实施2*d层厚的打印，读取到功能码为C区域的数据，激光以较大的光斑对C区域实施一个层厚d的打印；
(10)打印结束后，获得具有一定精度的打印制件；
步骤(2)中的立面结构倾斜角度为目标平面法向量与笛卡尔坐标系Z轴之间夹角取余角，α°的取值范围0°～26.56°，α°的取值由指定误差和切片层厚决定；
步骤(8)中的打印系统为激光扫描打印系统，激光功率可动态调整、扫描速度可实时变速、扫描光斑可动态变焦；变层厚扫描切片输出的打印文件，该激光打印系统能通过解析该打印文件的功能码匹配数据对应的激光扫描工艺参数，实现变层厚扫描打印的过程。
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