CN114131050B - 一种无支撑3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无支撑3D打印方法，其将当前已打印的零件层设定为第N层，即将打印的下一层设定为第N+1层，在小角度区域内，第N+1层有一部分区域会超出第N层的边界线，该超出边界的部分区域定义为悬空区域，悬空区域的悬空宽度定义为W，将第N+1层底边到第N层底边连线与水平方向的夹角定义为α。本发明对分界线内外两侧以及对悬空区域进行激光扫描过程中及时调整激光功率P与激光扫描速度V的比值，当激光束在扫描第N+1层重叠区域时，控制激光束光斑直径Φ保持不变或者放大，当激光束扫描完第N+1层小角度悬空区域及重叠区域后，控制激光束的光斑直径Φ变小，基于上述原理，使每一零件层的悬空区域和重叠区域在不依赖支撑体的情况下得以打印成形。

Description

一种无支撑3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印方法，尤其涉及一种无支撑3D打印方法。
背景技术
现有技术中，激光选区熔化成形技术是一种常用的3D打印工艺，因其层层堆叠的技术原理，对于零件小角度区域往往需要添加块状支撑才能进行成形，而对于半封闭结构、小尺寸间隙结构的工件而言，会存在无法添加支撑或者添加支撑后无足够空间来利用工具去除的情况，同时，添加支撑的方式会导致粉末消耗增加，成形时间增长，制造效率低下。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种无需增加大量支撑，同时节省粉末、成形时间短、打印效率高的无支撑3D打印方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种无支撑3D打印方法，其包括有如下步骤：步骤S1，将小角度弧形工件设定为打印目标；步骤S2，将弧形工件内切面与水平方向夹角小于45°的区域定义为小角度区域；步骤S3，根据激光选区熔化成形原理，采用层层堆叠的方式对弧形工件进行成形处理，将弧形工件的每一零件层厚度定义为d；步骤S4，利用分层软件对弧形工件进行识别，将每一层的锐边部分钝化后形成直角边；步骤S5，将当前已打印的零件层设定为第N层，即将打印的下一层设定为第N+1层，在小角度区域内，第N+1层有一部分区域会超出第N层的边界线，该超出边界的部分区域定义为悬空区域，悬空区域的悬空宽度定义为W；步骤S6，将第N+1层底边到第N层底边连线与水平方向的夹角定义为α；步骤S7，定义公式tanα＝d/W，若tanα的数值＜1，则将该悬空区域定义为小角度区域；步骤S8，将第N+1层完全堆叠在第N层之上的区域定义为重叠区域；步骤S9，将第N+1层与第N层悬空区域的分界线定义为相邻层边界线，将激光束的光斑直径定义为Φ；步骤S10，当计算机识别出第N+1层的小角度区域为悬空区域时，控制激光束的光斑直径Φ放大；步骤S11，调整激光功率P与激光扫描速度V的比值，将该比值下调为比激光束光斑直径改变前的比值小；步骤S12，控制光斑直径放大后的激光束沿平行于相邻层边界线的路径进行逐行扫描，并且当第一道扫描激光束对第N+1层小角度悬空区域进行扫描时，令激光束中心处于重叠区域内，之后将第二道扫描激光束中心与相邻层边界线的距离定义为d1，并要求d1≤激光束的光斑半径，即：d1≤Φ/2，然后将第三道扫描激光束中心与第二道扫描激光束中心距离定义为d2，并要求d2满足：Φ/3≤d2≤Φ2/3，将后续第n+1道扫描激光束中心与第n道扫描激光束中心距离定义为dn，并要求dn满足：Φ/3≤dn≤Φ2/3；步骤S13，激光束在扫描第N+1层重叠区域时，激光束光斑直径Φ保持不变或者放大，同时将激光功率P与激光扫描速度V的比值调整为相较激光束光斑直径变化前保持不变或增大；步骤S14，激光束扫描完第N+1层小角度悬空区域及重叠区域后，控制激光束的光斑直径Φ变小，同时将激光功率P与激光扫描速度V的比值调整为相较激光束光斑直径变化前保持不变或减少；步骤S15，控制激光束沿垂直于相邻层边界线的轨迹进行逐行扫描，直至将第N+1层小角度悬空区域扫描完毕。
优选地，还包括有：步骤S16，当扫描到第N+2层时，若其小角度悬空区域直接覆盖在第N+1层上方，则采用步骤S10至步骤S15的方式进行扫描，若小角度悬空区域与第N+1层有交叉，则重叠部位按照步骤S10至步骤S15的方式进行扫描，对于非重叠区域，将扫描线激光束旋转5～85°角，然后按照步骤S10至步骤S15的方式进行扫描。
优选地，所述步骤S3中，每个零件层的厚度d为0.02～5mm。
优选地，所述步骤S7中，计算机通过不断分析第N+1层与第N层之间悬空区域的宽度W与零件层厚度d的比值，根据公式tanα＝d/W自动识别出每一层的悬空区域。
优选地，所述步骤S8中，第N+1层的重叠区域堆叠在第N层的悬空区域之上或者堆叠在第N层的重叠区域之上。
优选地，所述步骤S10和所述步骤S13中，激光束光斑直径Φ的放大系数Kx为：1～5。
优选地，所述步骤S11中，激光束功率P的范围设置为：50～500W，激光束扫描速度V的范围设置为：100～5000mm/s。
优选地，所述步骤S13中，激光束功率P的范围设置为：100～10000W，激光束扫描速度V的范围设置为：200～10000mm/s。
优选地，所述步骤S14中，激光束光斑直径Φ变小的缩放系数Ks为：0.1～0.95。
优选地，所述步骤S14中，激光束功率P的范围设置为：40～5000W；激光束扫描速度V的范围设置为：80～7000mm/s。
本发明公开的无支撑3D打印方法中，通过对每个零件层中悬空区域和重叠区域的区分，可确定相邻层的分界线，并且在对分界线内外两侧以及对悬空区域进行激光扫描过程中及时调整激光功率P与激光扫描速度V的比值，当激光束在扫描第N+1层重叠区域时，激光束光斑直径Φ保持不变或者放大，当激光束扫描完第N+1层小角度悬空区域及重叠区域后，控制激光束的光斑直径Φ变小，基于上述原理，使得每一零件层的悬空区域和重叠区域在不依赖支撑体的情况下得以打印成形。相比现有技术而言，本发明无需增加大量支撑，同时还能显著节省粉末以及缩短成形时间，进而提升3D打印效率。
附图说明
图1为弧形工件的结构示意图；
图2为弧形工件的侧视图；
图3为弧形工件分层后的实际状态示意图；
图4为多个零件层的剖面结构示意图；
图5为激光束扫描路径以及光斑扫描位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种无支撑3D打印方法，结合图1至图5所示，包括有如下步骤：
步骤S1，将小角度弧形工件设定为打印目标；
步骤S2，将弧形工件内切面与水平方向夹角小于45°的区域定义为小角度区域；
步骤S3，根据激光选区熔化成形原理，采用层层堆叠的方式对弧形工件进行成形处理，将弧形工件的每一零件层厚度定义为d；
步骤S4，利用分层软件对弧形工件进行识别，将每一层的锐边部分钝化后形成直角边；
步骤S5，将当前已打印的零件层设定为第N层，即将打印的下一层设定为第N+1层，在小角度区域内，第N+1层有一部分区域会超出第N层的边界线，该超出边界的部分区域定义为悬空区域，悬空区域的悬空宽度定义为W；
步骤S6，将第N+1层底边到第N层底边连线与水平方向的夹角定义为α；
步骤S7，定义公式tanα＝d/W，若tanα的数值＜1，则将该悬空区域定义为小角度区域；
步骤S8，将第N+1层完全堆叠在第N层之上的区域定义为重叠区域；
步骤S9，将第N+1层与第N层悬空区域的分界线定义为相邻层边界线，将激光束的光斑直径定义为Φ；
步骤S10，当计算机识别出第N+1层的小角度区域为悬空区域时，控制激光束的光斑直径Φ放大；
步骤S11，调整激光功率P与激光扫描速度V的比值，将该比值下调为比激光束光斑直径改变前的比值小；
步骤S12，控制光斑直径放大后的激光束沿平行于相邻层边界线的路径进行逐行扫描，并且当第一道扫描激光束对第N+1层小角度悬空区域进行扫描时，令激光束中心处于重叠区域内，之后将第二道扫描激光束中心与相邻层边界线的距离定义为d1，并要求d1≤激光束的光斑半径，即：d1≤Φ/2，然后将第三道扫描激光束中心与第二道扫描激光束中心距离定义为d2，并要求d2满足：Φ/3≤d2≤Φ2/3，将后续第n+1道扫描激光束中心与第n道扫描激光束中心距离定义为dn，并要求dn满足：Φ/3≤dn≤Φ2/3；
步骤S13，激光束在扫描第N+1层重叠区域时，激光束光斑直径Φ保持不变或者放大，同时将激光功率P与激光扫描速度V的比值调整为相较激光束光斑直径变化前保持不变或增大；
步骤S14，激光束扫描完第N+1层小角度悬空区域及重叠区域后，控制激光束的光斑直径Φ变小，同时将激光功率P与激光扫描速度V的比值调整为相较激光束光斑直径变化前保持不变或减少；
步骤S15，控制激光束沿垂直于相邻层边界线的轨迹进行逐行扫描，直至将第N+1层小角度悬空区域扫描完毕；
步骤S16，当扫描到第N+2层时，若其小角度悬空区域直接覆盖在第N+1层上方，则采用步骤S10至步骤S15的方式进行扫描，若小角度悬空区域与第N+1层有交叉，则重叠部位按照步骤S10至步骤S15的方式进行扫描，对于非重叠区域，将扫描线激光束旋转5～85°角，然后按照步骤S10至步骤S15的方式进行扫描。
上述方法中，通过对每个零件层中悬空区域和重叠区域的区分，可确定相邻层的分界线，并且在对分界线内外两侧以及对悬空区域进行激光扫描过程中及时调整激光功率P与激光扫描速度V的比值，当激光束在扫描第N+1层重叠区域时，激光束光斑直径Φ保持不变或者放大，当激光束扫描完第N+1层小角度悬空区域及重叠区域后，控制激光束的光斑直径Φ变小，基于上述原理，使得每一零件层的悬空区域和重叠区域在不依赖支撑体的情况下得以打印成形。相比现有技术而言，本发明无需增加大量支撑，同时还能显著节省粉末以及缩短成形时间，进而提升3D打印效率。
进一步地，所述步骤S3中，每个零件层的厚度d为0.02～5mm。
作为一种优选方式，所述步骤S7中，计算机通过不断分析第N+1层与第N层之间悬空区域的宽度W与零件层厚度d的比值，根据公式tanα＝d/W自动识别出每一层的悬空区域。
关于第N+1层的重叠区域位置，本实施例中，所述步骤S8中，第N+1层的重叠区域堆叠在第N层的悬空区域之上或者堆叠在第N层的重叠区域之上。
关于光斑直径放大系数，本实施例中，所述步骤S10和所述步骤S13中，激光束光斑直径Φ的放大系数Kx为：1～5。
关于激光束参数的调节，本实施例的所述步骤S11中，激光束功率P的范围设置为：50～500W，激光束扫描速度V的范围设置为：100～5000mm/s。
进一步地，所述步骤S13中，激光束功率P的范围设置为：100～10000W，激光束扫描速度V的范围设置为：200～10000mm/s。
实际应用中，所述步骤S14中，激光束光斑直径Φ变小的缩放系数Ks为：0.1～0.95。
相应地，当制激光束的光斑直径变小时，所述步骤S14中，激光束功率P的范围设置为：40～5000W；激光束扫描速度V的范围设置为：80～7000mm/s。
关于本发明3D打印方法的具体技术方案请参见如下实施例一。
实施例一
本实施例中无支撑3D打印方法可参考如下步骤：
步骤1，请参见图1，本发明以小角度弧形结构为例进行说明，定义为：圆弧体；
步骤2，定义弧形结构内切面与水平方向夹角小于45°区域为小角度区域D；
步骤3，根据激光选区熔化成形原理，零件采用层层堆叠的方式进行成形。每个零件的分层厚度定义为d，d一般为0.02～5mm。圆弧体分层后结构如图1、2所示；
步骤4、圆弧体直接分层后，每一层会有锐边，因零件实际由一系列三角面片拼叠组成，在分层软件进行识别时，锐边部分会钝化，形成直角边，故圆弧体分层后实际状态为特定厚度为d的台阶形态，抽象后的状态如图3所示；
步骤5、定义当前已打印的零件层为当前层，设定为第N层，即将开始要打印的下一层设定为第N+1层，在小角度区域，第N+1层会有一部分区域超出第N层的边界，该部分区域定义为：悬空区域，其宽度定义为W，随着小角度区域逐渐减小，悬空区域W会逐步增大，请参见图4，W2大于W1；
步骤6，请参见图4，定义第N+1层底边到第N层底边连线与水平方向夹角为α，在小角度区域α数值一般小于45°，随着小角度区域成形高度不断增加，夹角会越来越小，即β＜α；
步骤7，定义公式tanα＝d/W，若tanα数值＜1，则该区域悬空区域W则定义为小角度区域，请参见图4，计算机通过不断分析第N+1层与第N层悬空区域宽度W与层厚d的比值。根据定义公式，自动识别每一层的悬空区域。一旦发现定义公式数值小于1，则自动将悬空区域进行区分，定义为小角度区域悬空区域；
步骤8，定义第N+1层完全堆叠在第N层之上的区域为重叠区域，第N+1层的重叠区域可以堆叠在第N层的悬空区域之上，也可以堆叠在第N层的重叠区域之上，也可以二者兼之；
步骤9，如图5所示，定义第N+1层与第N层悬空区域的分界线为：相邻层边界线，定义激光束直径为Φ；
步骤10，当计算机识别出当前层第N+1层的小角度区域的悬空区域时，激光束直径Φ变大，直径放大系数Kx：1～5；
步骤11，激光束直径变大后，激光功率降低，激光扫描速度维持不变或适当降低；或者激光功率不变，激光扫描速度增加；激光功率P：50～500W，激光扫描速度V：100～5000mm/s，总之保证激光功率P与激光扫描速度V的比值较激光束直径改变前减小；
放大后的激光束沿平行于相邻层边界线的路径开始进行逐行扫描。如图5中的Y轴方向，同时沿垂直于相邻层边界线的路径逐步扩大扫描范围，如图5中的沿X轴方向。此外，激光束也可采用沿平行于相邻层边界线的路径，以等效圆直径逐渐减小的螺旋线方式逐行进行扫描。
步骤12，扫描第N+1层小角度悬空区域第一道扫描线时，激光束中心应在重叠区(不得超过相邻层边界线)，第二道扫描线激光束中心距离相邻层边界线距离定义为d1，d1尺寸应小雨等于激光束的半径，即：d1≤Φ/2，第三道扫描线激光束中心距离第二道扫描线激光束中心距离定义为d2，d2应满足以下公式：Φ/3≤d2≤Φ2/3，后续第n+1条扫描线与第n条扫描线激光束中心距定义为dn，dn应满足以下公式：Φ/3≤dn≤Φ2/3；
步骤13，激光器在扫描小角度区域重叠区域时，激光束直径Φ可以保持不变，也可放大，直径放大系数Kc：1～5，同时激光功率P不变或增大，激光扫描速度较低或不变，总之保证激光功率P与激光扫描速度V的比值较激光束直径改变前不变或增大，激光功率P：100～10000W，激光扫描速度V：200～10000mm/s；
步骤14，激光扫描完第N+1层小角度悬空区域及重叠区域后，激光束直径Φ变小，缩放系数定义为Ks：0.1～0.95，激光功率P降低或激光扫描速度V增加；总之保证激光功率P与激光扫描速度V的比值较激光束直径改变前不变或减少，激光功率P：40～5000W，激光扫描速度V：80～7000mm/s，随后采用经过调整的激光束对第N+1的轮廓进行扫描；
步骤15，第N+1层采用步骤11～14中方法扫描完毕后，激光束调整为步骤10、11所描述的状态，随后激光束沿垂直于相邻层边界线的方式进行逐行扫描，直至将第N+1层小角度悬空区域扫描完毕，至此第N+1层扫描完毕；
步骤16，当扫描到第N+2层时，若其小角度悬空区域直接覆盖在第N+1层上方，则采用第N+1层的扫描方式进行，若小角度悬空区域与第N+1层有交叉，则重叠部位按照第N+1层方式进行扫描，非重叠区域，扫描线在满足第N+1扫描方式的前提下，扫描线旋转5～85°角；
步骤17，按照上述步骤依次循环往复，直至小角度区域扫描完成。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种无支撑3D打印方法，其特征在于，包括有如下步骤：
步骤S1，将小角度弧形工件设定为打印目标；
步骤S2，将弧形工件内切面与水平方向夹角小于45°的区域定义为小角度区域；
步骤S3，根据激光选区熔化成形原理，采用层层堆叠的方式对弧形工件进行成形处理，将弧形工件的每一零件层厚度定义为d；
步骤S4，利用分层软件对弧形工件进行识别，将每一层的锐边部分钝化后形成直角边；
步骤S5，将当前已打印的零件层设定为第N层，即将打印的下一层设定为第N+1层，在小角度区域内，第N+1层有一部分区域会超出第N层的边界线，该超出边界的部分区域定义为悬空区域，悬空区域的悬空宽度定义为W；
步骤S6，将第N+1层底边到第N层底边连线与水平方向的夹角定义为α；
步骤S7，定义公式tanα＝d/W，若tanα的数值＜1，则将该悬空区域定义为小角度区域；
步骤S8，将第N+1层完全堆叠在第N层之上的区域定义为重叠区域；
步骤S9，将第N+1层与第N层悬空区域的分界线定义为相邻层边界线，将激光束的光斑直径定义为Φ；
步骤S10，当计算机识别出第N+1层的小角度区域为悬空区域时，控制激光束的光斑直径Φ放大；
步骤S11，调整激光功率P与激光扫描速度V的比值，将该比值下调为比激光束光斑直径改变前的比值小；
步骤S12，控制光斑直径放大后的激光束沿平行于相邻层边界线的路径进行逐行扫描，并且当第一道扫描激光束对第N+1层小角度悬空区域进行扫描时，令激光束中心处于重叠区域内，之后将第二道扫描激光束中心与相邻层边界线的距离定义为d1，并要求d1≤激光束的光斑半径，即：d1≤Φ/2，然后将第三道扫描激光束中心与第二道扫描激光束中心距离定义为d2，并要求d2满足：Φ/3≤d2≤Φ2/3，将后续第n+1道扫描激光束中心与第n道扫描激光束中心距离定义为dn，并要求dn满足：Φ/3≤dn≤Φ2/3；
步骤S13，激光束在扫描第N+1层重叠区域时，激光束光斑直径Φ保持不变或者放大，同时将激光功率P与激光扫描速度V的比值调整为相较激光束光斑直径变化前保持不变或增大；
步骤S14，激光束扫描完第N+1层小角度悬空区域及重叠区域后，控制激光束的光斑直径Φ变小，同时将激光功率P与激光扫描速度V的比值调整为相较激光束光斑直径变化前保持不变或减少；
步骤S15，控制激光束沿垂直于相邻层边界线的轨迹进行逐行扫描，直至将第N+1层小角度悬空区域扫描完毕；
步骤S16，当扫描到第N+2层时，若其小角度悬空区域直接覆盖在第N+1层上方，则采用步骤S10至步骤S15的方式进行扫描，若小角度悬空区域与第N+1层有交叉，则重叠部位按照步骤S10至步骤S15的方式进行扫描，对于非重叠区域，将扫描线激光束旋转5～85°角，然后按照步骤S10至步骤S15的方式进行扫描；
所述步骤S3中，每个零件层的厚度d为0.02～5mm；
所述步骤S7中，计算机通过不断分析第N+1层与第N层之间悬空区域的宽度W与零件层厚度d的比值，根据公式tanα＝d/W自动识别出每一层的悬空区域；
所述步骤S8中，第N+1层的重叠区域堆叠在第N层的悬空区域之上或者堆叠在第N层的重叠区域之上。
2.如权利要求1所述的无支撑3D打印方法，其特征在于，所述步骤S10和所述步骤S13中，激光束光斑直径Φ的放大系数Kx为：1～5。
3.如权利要求1所述的无支撑3D打印方法，其特征在于，所述步骤S11中，激光束功率P的范围设置为：50～500W，激光束扫描速度V的范围设置为：100～5000mm/s。
4.如权利要求1所述的无支撑3D打印方法，其特征在于，所述步骤S13中，激光束功率P的范围设置为：100～10000W，激光束扫描速度V的范围设置为：200～10000mm/s。
5.如权利要求1所述的无支撑3D打印方法，其特征在于，所述步骤S14中，激光束光斑直径Φ变小的缩放系数Ks为：0.1～0.95。
6.如权利要求1所述的无支撑3D打印方法，其特征在于，所述步骤S14中，激光束功率P的范围设置为：40～5000W；激光束扫描速度V的范围设置为：80～7000mm/s。
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