CN114166145B - 基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法及系统 - Google Patents

基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法，方法包括以下步骤：获取模型切片之后的轮廓数据；将所述轮廓数据分为薄壁轮廓和实体轮廓；当切片之后的轮廓数据存在内外两种性质的轮廓时，判定该轮廓为薄壁轮廓；当切片之后轮廓数据仅包含一种轮廓，判定该轮廓为实体轮廓；对于薄壁轮廓，计算内外两种轮廓的外接矩形距离，并根据设定阈值，确定扫描线填充成型；对于实体轮廓，计算实体轮廓最小外接矩形的长宽比，并结合设定阈值确定扫描线填充成型；以轮廓数据为依据，主动寻找当前层的分区与路径扫描方式，摆脱传统依靠经验判断的不足；以逐步重熔的方式降低零件内部的残余应力，能将金属零件的小变形打印尺度推广至大中型零件。

Description

基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法及系统
技术领域
本发明属于技术领域，具体涉及一种基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法及系统。
背景技术
大型金属零件成型根据成型件精度的不同可以分为两类，一类是以粉末材料为原料的成型技术，如激光熔覆，激光选区熔化和电子束选区熔化等，其优点是成型精度高，打印后的零件无需加工或经过少量的机械加工即可投入使用。另一类是以金属丝材为原料的成型技术，如电弧熔丝成型、激光热丝和电子束熔丝等，其优点是成型效率高，打印后的零件多为精密的毛坯件。这两类金属增材工艺难以实现大、中型零件打印成型的主要原因就是成型过程中的工件变形问题。目前常见的解决方案包括：①延长层间等待时间，将平均温度控制在一个相对稳定的区间内；②分区扫描，避免单条扫描线两端温差过大；③局部重熔去应力④根据成型状态修改工艺参数，不断调整送入熔池中的能量。但这类处理方式都严重依赖于操作人员的加工经验且成型效率低下。要实现大型零件的高效一体化打印，必须从变形产生的机制出发，建立成型工艺与变形控制之间的定量关系。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于分区于扫描路径规划的变形抑制方法，基于热间接结构耦合计算结果提出热影响区重熔去应力的扫描顺序规划方法，降低最大残余应力的同时减小零件变形。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法，包括以下步骤：
获取模型切片之后的轮廓数据；
将所述轮廓数据分为薄壁轮廓和实体轮廓；
当切片之后的轮廓数据存在内外两种性质的轮廓时，则判定该轮廓为薄壁轮廓；当切片之后的轮廓数据仅包含一种轮廓时，判定该轮廓为实体轮廓；
对于薄壁轮廓，计算内外两种轮廓的外接矩形距离，并根据设定阈值，确定扫描线填充成型；对于实体轮廓，计算实体轮廓最小外接矩形的长宽比，并结合设定阈值确定扫描线填充成型。
获取模型切片之后的轮廓数据包括以下步骤：
根据输入的STL文件，提取包围盒范围Zmin，Zmax；
初始化层厚h并计算各层的切片位置，根据计算精度对包围盒进行六面体网格划分，
将摄像机视野调整值当前切片高度Z，Z＝Zmax-Zmin-n*h，n为当前层数；
采用光线追踪算法计算射线和stl模型的相交关系，根据相交关系计算交点的坐标；
沿着模型的外轮廓完成整层的轮廓数据提取。
对于薄壁轮廓，按照计算式(1)计算内外两种轮廓的外接矩形距离，
Figure BDA0003385106740000021
若外接矩形距离大于20则采用六边形分区结合67°扫描线填充成型，局部区域的扫描顺序根据计算式(2)(3)确定；
Figure BDA0003385106740000022
Figure BDA0003385106740000023
反之采用沿着长边67°夹角方向扫描成型；其中，R为连续3个扫描区域的外接圆半径，d1为备选区域与当前成型区域的形心距离，d2和d3分别为备选区域与当前成型区域之前的两个区域的形心距离，越先扫描的区域温度降低越快，备选区域遵循靠近低温区域的原则，在先扫描区域降温过程中对其反复重加热，rmin为备选成型区域的最小许用半径，rmax为备选成型区域的最大许用半径，α1，α2和α3是与分区图案形心距离相关的权因子。
α1＝1.0，α2＝0.8，α3＝0.4。
对于实体轮廓，若实体轮廓最小外接矩形的长宽比大于15，则采用六边形分区结合67°扫描线填充的成型策略，反之采用沿着长边67°夹角方向扫描成型。
当连续3个区域的热影响区存在交集时，按照下式计算距离各区域最近的区域作为下一个扫描位置，
Figure BDA0003385106740000031
d1为备选区域与当前成型区域的形心距离，d2和d3分别为备选区域与当前成型区域之前的两个区域的形心距离；
当3各区域不相交时，在它们外接圆中寻找距离各区域最远的区域作为新的扫描位置。
另一方面，本发明还提供一种基于热影响区加热顺序再规划的变形控制系统，包括轮廓数据获取模块、轮廓识别模块以及规划模块；
轮廓数据获取模块用于获取模型切片之后的轮廓数据；
轮廓识别模块用于将所述轮廓数据分为薄壁轮廓和实体轮廓，当切片之后的轮廓数据存在内外两种性质的轮廓时，则判定该轮廓为薄壁轮廓；当切片之后的轮廓数据仅包含一种轮廓时，判定该轮廓为实体轮廓；
规划模块用于规划成型策略，对于薄壁轮廓，计算内外两种轮廓的外接矩形距离，并根据设定阈值，确定扫描线填充的成型策略；对于实体轮廓，计算实体轮廓最小外接矩形的长宽比，并结合设定阈值确定扫描线填充的成型策略。
进一步的，轮廓数据获取模块通过如下过程获取所述轮廓数据：根据输入的STL文件，提取包围盒范围Zmin；
初始化层厚h并计算各层的切片位置，根据计算精度对包围盒进行六面体网格划分，
将摄像机视野调整值当前切片高度Z，Z＝Zmax-Zmin-n*h，n为当前层数；
采用光线追踪算法计算射线和stl模型的相交关系，根据相交关系计算交点的坐标；
根据图5的搜索方向沿着模型的外轮廓完成整层的轮廓数据提取。
另外，还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明能够以数值计算为依据，定量给出每一个子区域扫描顺序；以轮廓数据为依据，主动寻找当前层的分区与路径扫描方式，摆脱传统依靠经验判断的不足；以逐步重熔的方式降低零件内部的残余应力，将金属零件的小变形打印尺度从小型零件推广至大、中型零件。
附图说明
图1为单道成型过程的数值计算结果图。
图2为薄壁轮廓的扫描填充方案。
图3为实体轮廓的扫描填充方案。
图4为不同成型区域的扫描顺序规划方法与效果。
图5为轮廓曲线搜索方向索引表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
通过对三种不同速度下的钛合金金属增材制造过程仿真发现，前一层熔道对后一层有预热作用，而后一层熔道对前一层有重熔作用。成型开始时第一层的最高温度为2169K，进行到第18层时成型过程进入准稳态，熔池的最高温度维持在2381K左右。层间停留时间越长，各层冷却越充分，当工件冷却到室温之后，沿熔道方向的残余应力在熔道中部随速度增大略有降低。工件整体呈现出两端应力大，中间应力小的现象，导致工件两端变形较为严重，如图1所示。因此要减小零件变形就要降低扫描线长度，而扫描线的长度主要取决于模型形状和是否采用轮廓分区。
本发明将待成型的三维模型分为两类：①薄壁中空模型；②实体模型。对于薄壁模型，采用沿着长边67°夹角方向扫描的成型方案，如图2所示。对于实体模型采用六边形分区结合67°扫描线填充的成型方案，如图3所示。
根据以上分析可知，要采用不同的分区和扫描方式来减小成型件变形以提高模型可成型性，需要在数据的前瞻处理阶段将其进行归类。本发明以模型切片之后的轮廓数据为待分析数据进行判断，避免模型截面轮廓形状变化带来的处理错误。当切片之后的轮廓数据存在内外两种性质的轮廓时，如图2所示，黄色轮廓为外轮廓，绿色轮廓为内轮廓，则判定该轮廓为薄壁轮廓，按照(1)式计算内外两种轮廓的外接矩形距离dist，若dist大于20则采用六边形分区结合67°扫描线填充的成型策略，局部区域的扫描顺序根据(2)(3)式确定，反之采用沿着长边67°夹角方向扫描的成型方案；当切片之后的轮廓数据仅包含一种轮廓时，判定该轮廓为实体轮廓，若实体轮廓最小外接矩形的长宽比大于15，则采用六边形分区结合67°扫描线填充的成型策略，反之采用沿着长边67°夹角方向扫描的成型方案。
Figure BDA0003385106740000051
其中M1，M2分别为内外轮廓相邻长边的中点，H为填充间距。
由于残余应力引起的热变形主要受温度梯度影响，温度梯度越低，由此引起的热应力越小。
因此提出了基于热影响区再加热的新型扫描方法，各分区的扫描顺序根据(2)或(3)式规划。
Figure BDA0003385106740000061
Figure BDA0003385106740000062
其中，R为连续3个扫描区域的外接圆半径，d1为备选区域与当前成型区域的形心距离，d2和d3分别为备选区域与当前成型区域之前的两个区域的形心距离，如图4(a)所示。越先扫描的区域温度降低越快，备选区域遵循靠近低温区域的原则，在先扫描区域降温过程中对其反复重加热，α1，α2和α3是与分区图案形心距离相关的权因子，本发明取α1＝1.0，α2＝0.8，α3＝0.4。当连续3个区域的热影响区存在交集时，按照(2)式计算距离各区域最近的区域作为下一个扫描位置；当3各区域不相交时，在它们外接圆中寻找距离各区域最远的区域作为新的扫描位置。股骨头模型经过“切片-分区填充-扫描顺序规划”后的结果如图4(b)所示，为先扫描区域留出冷却时间的同时对其进行多次重加热，让所有区域以相对缓慢的速度冷却。
另外，本发明还可以提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述的基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法。
本发明还提供一种基于热影响区加热顺序再规划的变形控制系统，包括轮廓数据获取模块、轮廓识别模块以及规划模块；其中，轮廓数据获取模块用于获取模型切片之后的轮廓数据；
轮廓识别模块用于将所述轮廓数据分为薄壁轮廓和实体轮廓，当切片之后的轮廓数据存在内外两种性质的轮廓时，则判定该轮廓为薄壁轮廓；当切片之后的轮廓数据仅包含一种轮廓时，判定该轮廓为实体轮廓；
规划模块用于规划成型策略，对于薄壁轮廓，计算内外两种轮廓的外接矩形距离，并根据设定阈值，确定扫描线填充的成型策略；对于实体轮廓，计算实体轮廓最小外接矩形的长宽比，并结合设定阈值确定扫描线填充的成型策略。
另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述的基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法。
所述计算机设备可以采用笔记本电脑、桌面型计算机或工作站。
处理器可以是中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现成可编程门阵列(FPGA)。
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、桌面型计算机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、固态硬盘(SSD，Solid State Drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(ReRAM,Resistance Random Access Memory)和动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)。

Claims (7)

1.基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取模型切片之后的轮廓数据；
将所述轮廓数据分为薄壁轮廓和实体轮廓；
当切片之后的轮廓数据存在内外两种性质的轮廓时，则判定该轮廓为薄壁轮廓；当切片之后的轮廓数据仅包含一种轮廓时，判定该轮廓为实体轮廓；
对于薄壁轮廓，计算内外两种轮廓的外接矩形距离，并根据设定阈值，确定扫描线填充成型；对于实体轮廓，计算实体轮廓最小外接矩形的长宽比，并结合设定阈值确定扫描线填充成型；对于薄壁轮廓，按照计算式(1)计算内外两种轮廓的外接矩形距离，
Figure FDA0003796072200000011
其中M1，M2分别为内外轮廓相邻长边的中点，H为填充间距；
若外接矩形距离大于20则采用六边形分区结合67°扫描线填充成型，局部区域的扫描顺序根据计算式(2)(3)确定；
Figure FDA0003796072200000012
Figure FDA0003796072200000013
当连续3个区域的热影响区存在交集时，按照式(2)计算距离各区域最近的区域作为下一个扫描位置；当3个区域不相交时，在它们外接圆中寻找距离各区域最远的区域作为新的扫描位置；反之采用沿着长边67°夹角方向扫描成型；其中，R为连续3个扫描区域的外接圆半径，d1为备选区域与当前成型区域的形心距离，d2和d3分别为备选区域与当前成型区域之前的两个区域的形心距离，越先扫描的区域温度降低越快，备选区域遵循靠近低温区域的原则，在先扫描区域降温过程中对其反复重加热，rmin为备选成型区域的最小许用半径，rmax为备选成型区域的最大许用半径，α1，α2和α3是与分区图案形心距离相关的权因子；对于实体轮廓，若实体轮廓最小外接矩形的长宽比大于15，则采用六边形分区结合67°扫描线填充的成型策略，反之采用沿着长边67°夹角方向扫描成型。
2.根据权利要求1所述的基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法，其特征在于，获取模型切片之后的轮廓数据包括以下步骤：
根据输入的STL文件，提取包围盒范围Zmin，Zmax；
初始化层厚h并计算各层的切片位置，根据计算精度对包围盒进行六面体网格划分，
将摄像机视野调整至当前切片高度Z，Z＝Zmax-Zmin-n*h，n为当前层数；
采用光线追踪算法计算射线和stl模型的相交关系，根据相交关系计算交点的坐标；
根据搜索方向沿着模型的外轮廓完成整层的轮廓数据提取。
3.根据权利要求1所述的基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法，其特征在于，α1＝1.0，α2＝0.8，α3＝0.4。
4.基于热影响区加热顺序再规划的变形控制系统，其特征在于，包括轮廓数据获取模块、轮廓识别模块以及规划模块；
轮廓数据获取模块用于获取模型切片之后的轮廓数据；
轮廓识别模块用于将所述轮廓数据分为薄壁轮廓和实体轮廓，当切片之后的轮廓数据存在内外两种性质的轮廓时，则判定该轮廓为薄壁轮廓；当切片之后的轮廓数据仅包含一种轮廓时，判定该轮廓为实体轮廓；
规划模块用于规划成型策略，对于薄壁轮廓，计算内外两种轮廓的外接矩形距离，并根据设定阈值，确定扫描线填充的成型策略；对于实体轮廓，计算实体轮廓最小外接矩形的长宽比，并结合设定阈值确定扫描线填充的成型策略；对于薄壁轮廓，按照计算式(1)计算内外两种轮廓的外接矩形距离，
Figure FDA0003796072200000021
其中M1，M2分别为内外轮廓相邻长边的中点，H为填充间距；若外接矩形距离大于20则采用六边形分区结合67°扫描线填充成型，局部区域的扫描顺序根据计算式(2)(3)确定；
Figure FDA0003796072200000031
Figure FDA0003796072200000032
当连续3个区域的热影响区存在交集时，按照式(2)计算距离各区域最近的区域作为下一个扫描位置；当3个区域不相交时，在它们外接圆中寻找距离各区域最远的区域作为新的扫描位置；反之采用沿着长边67°夹角方向扫描成型；其中，R为连续3个扫描区域的外接圆半径，d1为备选区域与当前成型区域的形心距离，d2和d3分别为备选区域与当前成型区域之前的两个区域的形心距离，越先扫描的区域温度降低越快，备选区域遵循靠近低温区域的原则，在先扫描区域降温过程中对其反复重加热，rmin为备选成型区域的最小许用半径，rmax为备选成型区域的最大许用半径，α1，α2和α3是与分区图案形心距离相关的权因子。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，轮廓数据获取模块通过如下过程获取所述轮廓数据：根据输入的STL文件，提取包围盒范围Zmin，Zmax；
初始化层厚h并计算各层的切片位置，根据计算精度对包围盒进行六面体网格划分，
将摄像机视野调整至当前切片高度Z，Z＝Zmax-Zmin-n*h，n为当前层数；
采用光线追踪算法计算射线和stl模型的相交关系，根据相交关系计算交点的坐标；
沿着模型的外轮廓完成整层的轮廓数据提取。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现权利要求1～3中任一项所述基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现如权利要求1～3中任一项所述的基于热影响区加热顺序再规划的变形控制方法。
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