CN114101705A - 一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法，包括以下步骤：建立待成型零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，获得若干切片层；获取任一所述切片层的原始的轮廓线的数据，将此所述切片层的原始的轮廓线向内依次作偏置处理，最终得到若干个轮廓线，生成对应此所述切片层的轮廓线组，并由外向内对所述轮廓线组的每个轮廓线编号i1,i2....in，其中n≥2；将所述轮廓线组的每个轮廓线由外向内依次连续，形成对应各自所述切片层的螺旋激光扫描路径。本发明更加贴合所在切片层的原始轮廓形状，保证激光头以额定速度连续行走较长距离，减少了断光次数与频繁的速度切换，同时提高扫描平整度，提高零件成型质量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法。
背景技术
以送粉为技术特征的激光沉积制造(Laser Deposition Melting,LDM)技术是快速成型技术和激光熔覆技术的有机结合，是以金属粉末为原材料，以高能束的激光作为热源，根据成型零件CAD模型分层切片信息规划的扫描路径，将送给的金属粉末进行逐层融化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。
在金属零件沉积成型过程中，激光扫描路径直接影响零件组织结构，目前行业内较成熟的填充路径规划方案主要有平行线、弓形线等。在有弧形特征的零件上，上述扫描方案均有断光较多、空程路径较多、零件表面不够光滑等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光扫描路径规划方法及增材制造方法，用于尽量贴合零件切片原始轮廓形状，提高零件表面光滑质量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光扫描路径规划方法，包括以下步骤：
建立待成型零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，获得若干切片层；
获取任一所述切片层的原始的轮廓线的数据，将此所述切片层的原始的轮廓线向内依次作偏置处理，最终得到若干个轮廓线，生成对应此所述切片层的轮廓线组，并由外向内对所述轮廓线组的每个轮廓线编号i1,i2....in，其中n≥2；
将所述轮廓线组的每个轮廓线由外向内依次连续，形成对应各自所述切片层的螺旋激光扫描路径。
与现有技术相比，本发明通过对原始的轮廓线偏置处理得到轮廓线组，将所有轮廓线依次连续形成完整的螺旋激光扫描路径，可以充分的覆盖切片层，保证激光头以额定速度行走较长距离，减少了断光次数与频繁的速度切换，有利于散热，避免热应力集中，并且行走路径很大程度上贴合零件切片层的原始的轮廓形状，很大程度上提高了零件表面光滑质量；
可避免传统扫描路径对原始轮廓多次扫描引起的“台阶效应”、氧化现象，尤其是液体流动性差、湿润性差的金属材料，以及复杂、曲面、薄壁等结构的零件，轮廓线多次扫描，具有断光较多，空程路径较多，零件表面不够光滑等缺点，采用本发明技术方案，可有效提高产品表面质量，同时简化表面处理工艺，提高生产效率和产品合格率。
在一种实现方式中，所述将所述轮廓线组的每个轮廓线由外向内依次连续，形成对应各自所述切片层的螺旋激光扫描路径，具体包括：
将轮廓线i1上的任意一点作为切入点，从所述切入点作所述轮廓线i1的切线，所述切线与预设直线的夹角为σ；
对经偏置得到的每个所述轮廓线分别作切线，所有所述切线均相互平行，对所有所述切线由外向内依次编号L1，L2，L3....Ln；
将切线Lm+1与轮廓线im相交，获取所述切线Lm+1与所述轮廓线im的两个交点的位置，其中，1≤m≤n；
以轮廓线i1的切入点作为起点沿第一方向进行激光扫描，所述第一方向为顺时针或逆时针方向，以第一方向上所述轮廓线i1与切线L2相交的第二个交点作为拐点，沿所述切线L2进入轮廓线i2；
在轮廓线im+1上沿第一方向扫描，以第一方向上所述轮廓线im+1与切线Lm+2相交的第二个交点作为拐点进入轮廓线im+2，依次完成轮廓线i1至轮廓线in的激光扫描，将所述轮廓线组串联成回字螺旋线。
采用上述技术方案的情况下，按上述扫描方式形成的回字螺旋线扫描路径，更加贴合所在切片层的原始轮廓形状，保证激光头以额定速度连续行走较长距离，减少了断光次数与频繁的速度切换，可以有效消除扫描层热应力聚集，同时提高扫描平整度，提高零件成型质量；避免传统扫描路径造成零件边缘处产生比较尖锐的尖角，在真实打印过程中激光头行进速度变化频繁，尖角处加减速过程会造成真实行进路线较长，且金属粉末堆叠较多，造成粉末浪费与零件表面粗糙等现象。
在一种实现方式中，所述获取任一所述切片层的原始的轮廓线的数据，将此所述切片层的原始的轮廓线向内依次作偏置处理，最终得到若干个轮廓线，生成对应此所述切片层的轮廓线组，并由外向内对所述轮廓线组的每个轮廓线编号i1,i2....in；具体为：将此所述切片层的原始的轮廓线向内依次作等距离偏置处理得到若干个轮廓线，所述轮廓线的偏置距离为d。
采用上述技术方案的情况下，每相邻两条轮廓线in及轮廓线in+1的距离均为d，有利于对激光扫描路径的规划，扫描更加均匀，提高扫描质量，
在一种实现方式中，所述对经偏置得到的每个所述轮廓线分别作切线，所有所述切线均相互平行；
具体为：对经偏置得到的每个所述轮廓线分别作切线，所有所述切线均相互平行，且每相邻两条所述切线之间的距离均为D，所述D由切线L1的倾角σ及偏置距离d计算得到。
采用上述技术方案的情况下，以原始的轮廓线i1上的切线L1为基础，可以根据相邻两条切线之间的距离D，作出轮廓线i2上的切线L2,以此类推作出切线L3、L4、L5等所有切线。
在一种实现方式中，相邻两条所述切线间的距离D＝cosσ*(sinσ/cosσ*d+d)。
在一种实现方式中，所述将切线Lm+1与轮廓线im相交，获取所述切线Lm+1与所述轮廓线im的两个交点的位置；具体为：
根据切线L1的倾角σ、相邻两条切线间的距离D及所述切入点的位置，从轮廓线i2开始，由外向内依次对每一条轮廓线作出切线，求得每条所述切线Lm+1与轮廓线im的交点，并及记录交点的位置。
一种增材制造方法，利用第一方面所描述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；
采用同轴送粉的方式，按照规划的所述扫描路径对待成型零件各切片层进行激光扫描沉积，逐层成型待成型零件。
采用上述技术方案的情况下，将第一方面所描述的激光扫描路径规划方法应用于同轴送粉增材制造方法中，可提高同轴送粉技术的应用范围。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有技术工字型激光扫描路线示意图；
图2为本发明实施例提供的一个具体加工工件切片层的轮廓线组的示意图；
图3为本发明实施例对原始的轮廓线上切入点作切入角度σ的切线示意图；
图4为本发明实施例相邻两条切线的距离的示意图；
图5为本发明实施例对每个轮廓线作切线的示意图；
图6为本发明实施例对切线Lm+1与轮廓线im的交点的示意图；
图7为本发明一个实施例中激光扫描的行进路线图；
图8为本发明实施例中得到的回字螺旋扫描示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，传统工艺中采用工字型扫描路径在零件边缘处会产生比较尖锐的尖角，在真实打印过程中激光头行进速度变化较频繁，尖角处加速或减速过程会导致真实行进的路线较长，且金属粉末堆叠较多，造成粉末浪费与零件表面粗糙等现象。
为解决上述问题，本发明实施例公开了一种激光扫描路径规划方法，包括以下步骤：
S1：建立待成型零件的三维模型，对三维模型进行切片处理，获得若干切片层；
S2：获取任一切片层的原始的轮廓线的数据，将此切片层的原始的轮廓线向内依次作偏置处理，最终得到若干个轮廓线，生成对应此切片层的轮廓线组，并由外向内对轮廓线组的每个轮廓线编号i1,i2....in，其中n≥2；
S3：将轮廓线组的每个轮廓线由外向内依次连续，形成对应各自切片层的螺旋激光扫描路径。
与现有技术相比，本发明通过对原始的轮廓线偏置处理得到轮廓线组，可以充分的覆盖切片层；将所有轮廓线依次连续形成完整的螺旋激光扫描路径，保证激光头以额定速度行走较长距离，减少了断光次数与频繁的速度切换，有利于散热，避免热应力集中，并且行走路径很大程度上贴合零件切片层的原始的轮廓形状，很大程度上提高了零件表面光滑质量；
可避免传统扫描路径对切片层的边缘轮廓多次扫描引起的“台阶效应”、氧化现象，尤其是液体流动性差、湿润性差的金属材料，以及复杂、曲面、薄壁等结构的零件，轮廓线多次扫描，具有断光较多，空程路径较多，零件表面不够光滑等缺点，采用本发明技术方案，可有效提高产品表面质量，同时简化表面处理工艺，提高生产效率和产品合格率。
具体的，上述步骤S3包括：
S300：将轮廓线i1上的任意一点作为切入点，从切入点作轮廓线i1的切线，切线与预设直线的夹角为σ，其中预设直线可以为建立的直角坐标系中的X轴线，或者为其他方向确定的直线；
S301：对经偏置得到的每个轮廓线分别作切线，所有切线均相互平行，对所有切线由外向内依次编号L1，L2，L3....Ln；
S302：将切线Lm+1与轮廓线im相交，获取切线Lm+1与轮廓线im的两个交点的位置，其中，1≤m≤n；
S303：以轮廓线i1的切入点作为起点沿第一方向进行激光扫描，第一方向为顺时针或逆时针方向，以第一方向上轮廓线i1与切线L2相交的第二个交点作为拐点，沿切线L2进入轮廓线i2；
S303：在轮廓线im+1上沿第一方向扫描，以第一方向上轮廓线im+1与切线Lm+2相交的第二个交点作为拐点进入轮廓线im+2，依次完成轮廓线i1至轮廓线in的激光扫描，将轮廓线组串联成回字螺旋线。
在此情况下，按上述扫描方式形成的回字螺旋线扫描路径，更加贴合所在切片层的原始轮廓形状，保证激光头以额定速度连续行走较长距离，减少了断光次数与频繁的速度切换，可以有效消除扫描层热应力聚集，同时提高扫描平整度，提高零件成型质量；避免传统扫描路径造成零件边缘处产生比较尖锐的尖角，在真实打印过程中激光头行进速度变化频繁，尖角处加减速过程会造成真实行进路线较长，且金属粉末堆叠较多，造成粉末浪费与零件表面粗糙等现象。
作为优选地，如图2所示，步骤S2具体为：将此切片层的原始的轮廓线向内依次作等距离偏置处理得到若干个轮廓线，轮廓线的偏置距离为d。在此情况下，每相邻两条轮廓线in及轮廓线in+1的距离均为d，有利于对激光扫描路径的规划，扫描更加均匀，提高扫描质量。
按实际操作需求，原始的轮廓线的切入点优选从图形中的左上、左下、右下、右上四个方位进行选取，以左上为例，用图3进行简要说明：
点p0为切线Lm在轮廓线im左上角位置的切入点，将直线p1p0命名为切线Lm,直线p0p2为预设直线，1≤m≤n，∠p1p0p2即为所设置的切入角度σ；根据切入角度σ，偏置距离d计算相邻两条切线间的距离D＝cosσ*(sinσ/cosσ*d+d)；图4中线段b0b1的长度即为切线l1与l2的距离D。
在一些实现例中，如图5所示，步骤S301具体为：对经偏置得到的每个轮廓线分别作切线，所有切线均相互平行，且每相邻两条切线之间的距离均为D，D由切线L1的倾角σ及偏置距离d计算得到。在此情况下，以原始的轮廓线i1上的切线L1为基础，可以根据相邻两条切线之间的距离D，作出轮廓线i2上的切线L2,以此类推作出切线L3、L4、L5等所有切线。
具体地，相邻两条切线间的距离D＝cosσ*(sinσ/cosσ*d+d)。
在一些实现例中，如图6所示，步骤S302具体为：根据切线L1的倾角σ、相邻两条切线间的距离D及切入点的位置，从轮廓线i2开始，由外向内依次对每一条轮廓线作出切线，求得每条切线Lm+1与轮廓线im的交点，并及记录交点的位置。
本发明还公开了一种增材制造方法，利用上面描述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；采用同轴送粉的方式，按照规划的扫描路径对待成型零件各切片层进行激光扫描沉积，逐层成型待成型零件。在此情况下，将本发明所描述的激光扫描路径规划方法应用于同轴送粉增材制造方法中，可提高同轴送粉技术的应用范围。
本发明适用于规则形状，以及复杂、曲面、薄壁等结构的零件，均可有效提高产品表面质量。
下面以圆柱体零件为例，对本发明作简要说明。
S1：导入半径为100mm，高为10mm的圆柱体三维模型，对该三维模型进行切片处理，获得若干切片层；
S2：获取任一切片层的原始的轮廓线的数据，将此切片层的原始的轮廓线向内依次作等距离偏置处理，轮廓线的偏置距离d为3mm，最终得到若干个轮廓线，生成对应此切片层的轮廓线组，并由外向内对轮廓线组的每个轮廓线编号i1,i2....in，其中n≥2；
S3：将轮廓线i1上的任意一点作为切入点，从切入点作轮廓线i1的切线，切线与水平直线的夹角σ为30°；
S4：对经偏置得到的每个轮廓线分别作切线，所有切线均相互平行，对所有切线由外向内依次编号L1，L2，L3....Ln；每相邻两条切线之间的距离均为D，其中，D由切线L1的倾角σ及偏置距离d计算得到，D＝cosσ*(sinσ/cosσ*d+d)；
S5：根据切线L1的倾角σ、相邻两条切线间的距离D及所述切入点的位置，从轮廓线i2开始，由外向内依次对每一条轮廓线作出切线，求得所述切线Lm+1与轮廓线im的交点，并及记录交点的位置，其中，1≤m≤n；
S6：以轮廓线i1的切入点作为起点沿第一方向进行激光扫描，第一方向为顺时针方向，如图7所示，以第一方向上轮廓线i1与切线L2相交的第二个交点作为拐点，沿切线L2进入轮廓线i2；
S7：在轮廓线im+1上沿第一方向扫描，以第一方向上轮廓线im+1与切线Lm+2相交的第二个交点作为拐点进入轮廓线im+2，依次完成轮廓线i1至轮廓线in的激光扫描，将轮廓线组串联成图8所示的回字螺旋线。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种激光扫描路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立待成型零件的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，获得若干切片层；
获取任一所述切片层的原始的轮廓线的数据，将此所述切片层的原始的轮廓线向内依次作偏置处理，最终得到若干个轮廓线，生成对应此所述切片层的轮廓线组，并由外向内对所述轮廓线组的每个轮廓线编号i1,i2....in，其中n≥2；
将所述轮廓线组的每个轮廓线由外向内依次连续，形成对应各自所述切片层的螺旋激光扫描路径。
2.根据权利要求1所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述将所述轮廓线组的每个轮廓线由外向内依次连续，形成对应各自所述切片层的螺旋激光扫描路径，具体包括：
将轮廓线i1上的任意一点作为切入点，从所述切入点作所述轮廓线i1的切线，所述切线与预设直线的夹角为σ；
对经偏置得到的每个所述轮廓线分别作切线，所有所述切线均相互平行，对所有所述切线由外向内依次编号L1，L2，L3....Ln；
将切线Lm+1与轮廓线im相交，获取所述切线Lm+1与所述轮廓线im的两个交点的位置，其中，1≤m≤n；
以轮廓线i1的切入点作为起点沿第一方向进行激光扫描，所述第一方向为顺时针或逆时针方向，以第一方向上所述轮廓线i1与切线L2相交的第二个交点作为拐点，沿所述切线L2进入轮廓线i2；
在轮廓线im+1上沿第一方向扫描，以第一方向上所述轮廓线im+1与切线Lm+2相交的第二个交点作为拐点进入轮廓线im+2，依次完成轮廓线i1至轮廓线in的激光扫描，将所述轮廓线组串联成回字螺旋线。
3.根据权利要求1所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述获取任一所述切片层的原始的轮廓线的数据，将此所述切片层的原始的轮廓线向内依次作偏置处理，最终得到若干个轮廓线，生成对应此所述切片层的轮廓线组，并由外向内对所述轮廓线组的每个轮廓线编号i1,i2....in；具体为：将此所述切片层的原始的轮廓线向内依次作等距离偏置处理得到若干个轮廓线，所述轮廓线的偏置距离为d。
4.根据权利要求3所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述对经偏置得到的每个所述轮廓线分别作切线，所有所述切线均相互平行；
具体为：对经偏置得到的每个所述轮廓线分别作切线，所有所述切线均相互平行，且每相邻两条所述切线之间的距离均为D，所述D由切线L1的倾角σ及偏置距离d计算得到。
5.根据权利要求4所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，相邻两条所述切线间的距离D＝cosσ*(sinσ/cosσ*d+d)。
6.根据权利要求4所述的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述将切线Lm+1与轮廓线im相交，获取所述切线Lm+1与所述轮廓线im的两个交点的位置；具体为：
根据切线L1的倾角σ、相邻两条切线间的距离D及所述切入点的位置，从轮廓线i2开始，由外向内依次对每一条轮廓线作出切线，求得每条所述切线Lm+1与轮廓线im的交点，并及记录交点的位置。
7.一种增材制造方法，其特征在于，利用权利要求1～6任一项所述的激光扫描路径规划方法，进行扫描路径的规划；
采用同轴送粉的方式，按照规划的所述扫描路径对待成型零件各切片层进行激光扫描沉积，逐层成型待成型零件。
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