CN114683553B - 一种高效率3d打印方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率3D打印方法及系统，所述方法将每层打印构件进行了具体的区域划分，将当前已打印的零件层定义为第N层，将下一层定义为第N+1层，第N+1层向第N层边界之外延伸的区域定义为悬浮区域，第N+1层堆叠于第N层上的部分定义为重叠区域，重叠区域分为两部分，未被第N+2层覆盖的区域定义为外漏区域，夹设于第N层和第N+2层之间的区域定义为芯部，从而得到每层构件的悬浮区域、重叠区域和外漏区域，在后续打印过程中，针对每层构件的上述区域分别按照相应的激光束直径、功率、速度进行扫描，相比现有技术而言，本发明方法和系统更适用于加工激光选区熔化成形比表面积大的产品，而且成形效率较高，较好地满足了工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种高效率3D打印方法及系统。
背景技术
现有技术中，激光选区熔化成形技术采用的是层层堆叠的技术原理，对于比表面积较大的零件，因其具有逐点扫描的特点，所以扫描路径长，扫描轨迹变动较多，很难实现产品的快速打印，往往导致产品成形效率较低，成形时间增长。具体地，传统的扫描路径设置下，整个过程时间较长，常采用纵横交错烧结方式，激光扫描2次甚至更多，大幅度增加了扫描时间，严重制约了3D打印效率的提升。
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，提供一种成形效率高、适用于加工激光选区熔化成形比表面积大的产品，进而满足工艺要求的高效率3D打印方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种高效率3D打印方法，其包括有如下步骤：步骤S1，将当前已打印的零件层定义为第N层，即将打印的下一层定义为第N+1层，第N+1层向第N层边界之外延伸的区域定义为悬浮区域，悬浮区域的宽度记为W，第N+1层堆叠于第N层上的部分定义为重叠区域，重叠区域分为两部分，未被第N+2层覆盖的区域定义为外漏区域，夹设于第N层和第N+2层之间的区域定义为芯部；步骤S2，将第N+1层底边与第N层底边连线与水平方向夹角记为α；步骤S3，定义公式tanα＝d/W，若则将对应区域定义为小角度区域X，若/>则将对应区域定义为一般角度区域Y，若/>α，则将对应区域定义为大角度区域H，定义激光束直径为Φ；步骤S4，计算机根据公式tanα＝d/W的计算结果，自动识别出第N+1层所处的区域区间是小角度区域、一般角度区域或者大角度区域；步骤S5，当第N+1层处于小角度区域时，自动识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域，因处于小角度区域时的α角较小，所以悬浮区域及外露区域占据的面积大于芯部区域；步骤S6，当激光器开始扫描小角度区域的悬空区域及外露区域时，激光束直径Φ变大，扫描芯部时激光束直径Φ保持不变；步骤S7，放大后的激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径开始对外露区域进行逐行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，该距离要求大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间距离，且满足公式Φ/5≤d1≤Φ2/3；步骤S8，当激光束扫描完外露区域后，激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对芯部区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离定义为d3，且满足公式Φ/5≤d3≤Φ2/3；步骤S9，当激光束扫描完芯部区域后，开始扫描悬浮区域，保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当降低；步骤S10，控制激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d2，该距离要求大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间的距离，且满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3；步骤S11，扫描完悬浮区域后，将激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对第N+1层区域轮廓进行一次扫描；步骤S12，当扫描到第N+2层时，其小角度区域中的悬空区域、芯部、外露区域采用步骤S6～步骤S12中的方法进行扫描，外露区域及芯部激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转预设角度，悬浮区域角度不发生偏转；步骤S13，当第N+1层处于一般角度区域时，计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域；步骤S14，当激光器开始扫描一般角度区域的芯部及外露区域时，令激光束直径Φ保持不变，扫描一般角度区域的悬浮区域时，控制激光束直径Φ增大；步骤S15，激光束对外露区域、芯部区域进行扫描，激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径，开始对外露区域及芯部区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，且满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5，扫描时，对外露区域及芯部区域同时进行扫描；步骤S16，当扫描完芯部区域及外露区域后，控制激光束直径Φ增大，开始对悬浮区域进行扫描，并保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当降低；步骤S17，激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d2，该距离要大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间的距离，即满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3；步骤S18，扫描完悬浮区域后，将激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对第N+2层区域轮廓进行一次扫描；步骤S19，当扫描到第N+2层时，其一般角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤S14～步骤S18的方法进行，外露区域及芯部区域激光束中心扫描线与第N+1层的激光束中心偏转预设角度，悬浮区域角度不发生偏转；步骤S20，当第N+1层处于大角度区域时，计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域，当激光器开始扫描大角度区域的悬浮区域、芯部及外露区域时激光束直径Φ保持不变；步骤S21，激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径开始对外露区域、芯部及悬浮区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，且满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5，扫描完外露区域、芯部及悬浮区域后，激光束不再对轮廓进行扫描；步骤S22，当扫描到第N+2层时，其大角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤S20～步骤S22中的方法进行，外露区域、芯部及悬浮区域激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转预设角度，后续扫描层依次循环往复，直至大角度区域扫描完成。
优选地，所述步骤S6中，激光束直径Φ的放大系数K为1.5～5。
优选地，所述步骤S6中，激光束直径变大后，保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当增加，其中的激光功率P为：200W～1000W，激光扫描速度V为：500mm/s～10000mm/s。
优选地，所述步骤S7中，放大后的激光束对外露区域进行逐行扫描，逐行扫描的次数为一次。
优选地，所述步骤S8中对芯部区域进行扫描时，扫描路径为逐行、板条、方格或者螺旋线，扫描次数为只扫描一次。
优选地，所述步骤S9中，当激光束扫描悬浮区域时，将激光功率Px设定为：120～600W，将激光扫描速度Vx设定为：400～7000mm/s。
优选地，所述步骤S14中，当激光器开始扫描一般角度区域的芯部及外露区域时，将激光束直径放大系数Kx设定为：1.5～5。
优选地，所述步骤S16中，将激光束的激光功率Px设定为：150～1000W，将激光扫描速度Vx设定为：400～7000mm/s。
优选地，所述步骤S12、所述步骤S19和所述步骤S22中，激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转角度均为5°～85°。
一种3D打印系统，所述3D打印系统用于执行上述高效率3D打印方法。
本发明公开的高效率3D打印方法中，将每层打印构件进行了具体的区域划分，具体是将已打印的零件层定义为第N层，将下一层定义为第N+1层，第N+1层向第N层边界之外延伸的区域定义为悬浮区域，第N+1层堆叠于第N层上的部分定义为重叠区域，重叠区域分为两部分，未被第N+2层覆盖的区域定义为外漏区域，夹设于第N层和第N+2层之间的区域定义为芯部，从而得到每层构件的悬浮区域、重叠区域和外漏区域，在后续打印过程中，针对每层构件的上述区域分别按照相应的激光束直径、功率、速度进行扫描，相比现有技术而言，本发明更适用于加工激光选区熔化成形比表面积大的产品，而且成形效率较高，较好地满足了工艺要求。
附图说明
图1为薄壁斜板结构示意图；
图2为斜板分层后结构示意图；
图3为斜板分层后的台阶形态示意图；
图4为斜板的纵截面效果图；
图5为斜板的俯视图效果图。
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。
本发明公开了一种高效率3D打印方法，其包括有如下步骤：
步骤S1，将当前已打印的零件层定义为第N层，即将打印的下一层定义为第N+1层，第N+1层向第N层边界之外延伸的区域定义为悬浮区域，悬浮区域的宽度记为W，第N+1层堆叠于第N层上的部分定义为重叠区域，重叠区域分为两部分，未被第N+2层覆盖的区域定义为外漏区域，夹设于第N层和第N+2层之间的区域定义为芯部；
步骤S2，将第N+1层底边与第N层底边连线与水平方向夹角记为α；
步骤S3，定义公式tanα＝d/W，若则将对应区域定义为小角度区域X，若/>则将对应区域定义为一般角度区域Y，若/> 则将对应区域定义为大角度区域H，定义激光束直径为Φ；
步骤S4，计算机根据公式tanα＝d/W的计算结果，自动识别出第N+1层所处的区域区间是小角度区域、一般角度区域或者大角度区域；
步骤S5，当第N+1层处于小角度区域时，自动识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域，因处于小角度区域时的α角较小，所以悬浮区域及外露区域占据的面积大于芯部区域；
步骤S6，当激光器开始扫描小角度区域的悬空区域及外露区域时，激光束直径Φ变大，扫描芯部时激光束直径Φ保持不变；
步骤S7，放大后的激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径开始对外露区域进行逐行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，该距离要求大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间距离，且满足公式Φ/5≤d1≤Φ2/3；
步骤S8，当激光束扫描完外露区域后，激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对芯部区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离定义为d3，且满足公式Φ/5≤d3≤Φ2/3；
步骤S9，当激光束扫描完芯部区域后，开始扫描悬浮区域，保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当降低；
步骤S10，控制激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d2，该距离要求大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间的距离，且满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3；
步骤S11，扫描完悬浮区域后，将激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对第N+1层区域轮廓进行一次扫描；
步骤S12，当扫描到第N+2层时，其小角度区域中的悬空区域、芯部、外露区域采用步骤S6～步骤S12中的方法进行扫描，外露区域及芯部激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转预设角度，悬浮区域角度不发生偏转；
步骤S13，当第N+1层处于一般角度区域时，计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域；
步骤S14，当激光器开始扫描一般角度区域的芯部及外露区域时，令激光束直径Φ保持不变，扫描一般角度区域的悬浮区域时，控制激光束直径Φ增大；
步骤S15，激光束对外露区域、芯部区域进行扫描，激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径，开始对外露区域及芯部区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，且满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5，扫描时，对外露区域及芯部区域同时进行扫描；
步骤S16，当扫描完芯部区域及外露区域后，控制激光束直径Φ增大，开始对悬浮区域进行扫描，并保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当降低；
步骤S17，激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d2，该距离要大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间的距离，即满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3；
步骤S18，扫描完悬浮区域后，将激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对第N+2层区域轮廓进行一次扫描；
步骤S19，当扫描到第N+2层时，其一般角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤S14～步骤S18的方法进行，外露区域及芯部区域激光束中心扫描线与第N+1层的激光束中心偏转预设角度，悬浮区域角度不发生偏转；
步骤S20，当第N+1层处于大角度区域时，计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域，当激光器开始扫描大角度区域的悬浮区域、芯部及外露区域时激光束直径Φ保持不变；
步骤S21，激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径开始对外露区域、芯部及悬浮区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，且满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5，扫描完外露区域、芯部及悬浮区域后，激光束不再对轮廓进行扫描；
步骤S22，当扫描到第N+2层时，其大角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤S20～步骤S22中的方法进行，外露区域、芯部及悬浮区域激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转预设角度，后续扫描层依次循环往复，直至大角度区域扫描完成。
上述方法中，将每层打印构件进行了具体的区域划分，具体是将已打印的零件层定义为第N层，将下一层定义为第N+1层，第N+1层向第N层边界之外延伸的区域定义为悬浮区域，第N+1层堆叠于第N层上的部分定义为重叠区域，重叠区域分为两部分，未被第N+2层覆盖的区域定义为外漏区域，夹设于第N层和第N+2层之间的区域定义为芯部，从而得到每层构件的悬浮区域、重叠区域和外漏区域，在后续打印过程中，针对每层构件的上述区域分别按照相应的激光束直径、功率、速度进行扫描，相比现有技术而言，本发明更适用于加工激光选区熔化成形比表面积大的产品，而且成形效率较高，较好地满足了工艺要求。
进一步地，所述步骤S6中，激光束直径Φ的放大系数K为1.5～5。所述步骤S6中，激光束直径变大后，保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当增加，其中的激光功率P为：200W～1000W，激光扫描速度V为：500mm/s～10000mm/s。
作为一种优选方式，所述步骤S7中，放大后的激光束对外露区域进行逐行扫描，逐行扫描的次数为一次。
实际应用中，所述步骤S8中对芯部区域进行扫描时，扫描路径为逐行、板条、方格或者螺旋线，扫描次数为只扫描一次。
关于激光参数设置，本实施例中，所述步骤S9中，当激光束扫描悬浮区域时，将激光功率Px设定为：120～600W，将激光扫描速度Vx设定为：400～7000mm/s。
关于激光束直径放大系数的优选设定，本实施例的所述步骤S14中，当激光器开始扫描一般角度区域的芯部及外露区域时，将激光束直径放大系数Kx设定为：1.5～5。
实际应用中，所述步骤S16中，将激光束的激光功率Px设定为：150～1000W，将激光扫描速度Vx设定为：400～7000mm/s。
作为一种优选方式，所述步骤S12、所述步骤S19和所述步骤S22中，激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转角度均为5°～85°。
本发明还涉及一种3D打印系统，所述3D打印系统用于执行上述高效率3D打印方法。
为了更好地描述本发明的技术方案，下面以斜板为例，提供一个具体的实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例一
本实施例以薄壁斜板结构为例进行说明，具体包含如下步骤：
1、薄壁斜板结构定义为：斜板。斜板厚度定义为D，如图1所示。
2、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。斜板分层后结构如图1、2所示。
3、斜板直接分层后，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。故斜板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。
4、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，斜板分层区域的边界部分，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：悬浮区域，其宽度定义为W。第N+1层会有一部分区域完全堆叠在第N层上，该部分定义为：重叠区域。
5、重叠区域分为两部分，其中一部分没有被第N+2层烧结区域堆叠覆盖，该区域定义为：外漏区域。完全被第N层及第N+2层烧结区域堆叠覆盖的区域定义为：芯部。
6、斜板的倾角不同，厚度不同，悬浮区域及外露区域的宽度均不同，相应附带芯部区域的宽度也发生变化，随着斜板倾角逐渐减小，悬空区域W会逐步增大，如图4示意。W3＞W4，但悬浮区域、外露区域及芯部尺寸之和等于斜板厚度D；
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(如图4所示)。随着斜板倾角的不断增加，夹角会越来越小。如图4所示，β＜α。相应的悬浮区域宽度会大幅度增加。因传统的扫描路径设置，激光先烧结芯部、再烧结悬浮区域、外露区域。整个时间漫长，尤其是扫描悬浮区域及外露区域，纵横交错烧结，激光扫描2次。大幅度增加了扫描时间，严重制约了3D打印效率的提升。
7、定义公式tanα＝d/W。若则该区域定义为小角度区域，符号：X。若/>则该区域定义为一般角度区域，符号：Y。若/> 则该区域定义为大角度区域，符号：H。
不同区域悬浮区域、芯部、外露区域尺寸大小不同。后续定义扫描方式也相应发生变化。
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层的悬浮区域之上，也可以堆叠在第N层的外露区域、芯部之上，也可以三者兼之。
9、定义第N+1层与第N层悬浮区域的分界线为：相邻层边界线X。定义第N+1层与第N层外露区域的分界线为：相邻层边界线W。定义激光束直径为Φ。如图5所示。
10、根据公式tanα＝d/W的数值，计算机自动识别出当前层第N+1层所处的区域区间，小角度区域、一般角度区域、大角度区域。
11、当第N+1层处于小角度区域时。计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部、外露区域。因此时α角较小，悬浮区域及外露区域占据面积比例大于芯部区域。当激光器开始扫描小角度区域的悬空区域及外露区域时，激光束直径Φ变大，直径放大系数K：1.5～5。扫描芯部时激光束直径Φ保持不变。
12、激光束直径变大后，激光功率增加，激光扫描速度维持不变或适当降低。或者激光功率不变，激光扫描速度减少。激光功率P：200～1000W；激光扫描速度V：500～10000mm/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不变或适当增加。放大后的激光束以与相邻层边界线W成一定角度γ的的路径开始对外露区域进行逐行扫描。无论外露区域多大，扫描时逐行进行，且只扫描一次。相邻激光扫描线激光束中心之间的距离d1，该距离要大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间距离，且满足公式Φ/5≤d1≤Φ2/3。
13、当激光扫描完外露区域后，激光束直径即刻调整到原始直径Φ，对芯部区域进行扫描。扫描路径可以逐行、板条、方格、也可螺旋线形式，且只扫描一次。严禁采用纵横交错方式扫描。相邻激光扫描线激光束中心之间的距离d3，满足公式Φ/5≤d3≤Φ2/3。
14、当激光扫描完芯部区域后，开始扫描悬浮区域。激光束直径变大，激光功率增加，激光扫描速度维持不变或适当降低。或者激光功率不变，激光扫描速度减少。激光功率Px：120～600W；激光扫描速度Vx：400～7000mm/s。总之保证激光功率Px与激光扫描速度Vx的比值较激光束直径改变前不变或适当降低。
15、随后激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，如图5中，Y轴方向。同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围。如图5中，沿X轴方向。无论悬浮区域多大，扫描时逐行进行，且只扫描一次。相邻激光扫描线激光束中心之间的距离d2，该距离要大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间的距离，满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3。
16、扫描完悬浮区域后，激光束直径即刻调整到原始直径Φ，对第N+1层区域轮廓进行扫描，且只扫描一次。
17、当扫描到第N+2层时，其小角度区域中的悬空区域、芯部、外露区域采用步骤12～16中方法进行。外露区域及芯部激光束中心扫描线与第N+1层的激光束中心偏转一定角度，偏转角度5°～85°。悬浮区域角度不发生偏转，根据第N+2与第N+1层相邻层边界线X的实际位置而不断调整。后续层循环往复此方法直至打印完成。
18、当第N+1层处于一般角度区域时。计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部、外露区域。此时α角适中，悬浮区域、外露区域、芯部区域三者面积比例较为接近。
19、当激光器开始扫描一般角度区域的芯部及外露区域时激光束直径Φ保持不变。扫描一般角度区域的悬浮区域时，激光束直径Φ变大，直径放大系数Kx：1.5～5。
20、激光束对外露区域、芯部区域进行扫描。激光束以与相邻层边界线W成一定角度γ的的路径，开始对外露区域及芯部区域进行扫描。扫描路径可以逐行、板条、方格、也可螺旋线形式，且只扫描一次。相邻激光扫描线激光束中心之间的距离d1，满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5。扫描时，外露区域及芯部区域同时进行扫描，不再按照先外露区域，再芯部区域的顺序进行。
21、当扫描完芯部区域及外露区域后，激光束直径Φ变大，开始对悬浮区域进行扫描。激光束直径变大后，激光功率增加，激光扫描速度维持不变或适当降低。或者激光功率不变，激光扫描速度减少。激光功率Px：150～1000W；激光扫描速度Vx：400～7000mm/s。总之保证激光功率Px与激光扫描速度Vx的比值较激光束直径改变前不变或适当降低。
22、随后激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，如图5中，Y轴方向。同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围。如图5中，沿X轴方向。无论悬浮区域多大，扫描时逐行进行，且只扫描一次。相邻激光扫描线激光束中心之间的距离d2，该距离要大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间距离，满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3。
23、扫描完悬浮区域后，激光束直径即刻调整到原始直径Φ，对第N+1层区域轮廓进行扫描，且只扫描一次。
24、当扫描到第N+2层时，其一般角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤19～23中方法进行。外露区域及芯部区域激光束中心扫描线与第N+1层的激光束中心偏转一定角度，偏转角度5°～85°。悬浮区域角度不发生偏转，根据第N+2与第N+1层相邻层边界线X的实际位置而不断调整。后续层依次循环往复，直至一般角度区域扫描完成。
25、当第N+1层处于大角度区域时。计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部、外露区域。因此时α角较大，悬浮区域、外露区域面积占比较小，芯部区域面积占比较大。
26、当激光器开始扫描大角度区域的悬浮区域、芯部及外露区域时激光束直径Φ保持不变。
27、激光束以与相邻层边界线W成一定角度γ的的路径开始对外露区域、芯部及悬浮区域进行扫描。扫描路径可以逐行、板条、方块、也可螺旋线形式，且只扫描一次。相邻激光扫描线激光束中心之间的距离d1，满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5。扫描时，外露区域、芯部及悬浮区域同时进行扫描。不再按照先外露区域、再次芯部区域、最后悬浮区域的顺序进行。
28、扫描完外露区域、芯部及悬浮区域后，激光束不再对轮廓进行扫描。
29、当扫描到第N+2层时，其大角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤26～28中方法进行。外露区域、芯部及悬浮区域激光束中心扫描线与第N+1层的激光束中心偏转一定角度，偏转角度5°～85°。后续层依次循环往复，直至大角度区域扫描完成。
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 (10)
1.一种高效率3D打印方法，其特征在于，包括有如下步骤：
步骤S1，将当前已打印的零件层定义为第N层，即将打印的下一层定义为第N+1层，第N+1层向第N层边界之外延伸的区域定义为悬浮区域，悬浮区域的宽度记为W，第N+1层堆叠于第N层上的部分定义为重叠区域，重叠区域分为两部分，未被第N+2层覆盖的区域定义为外漏区域，夹设于第N层和第N+2层之间的区域定义为芯部；
步骤S2，将第N+1层底边与第N层底边连线与水平方向夹角记为α；
步骤S3，定义公式tanα＝d/W，若则将对应区域定义为小角度区域X，若则将对应区域定义为一般角度区域Y，若/>则将对应区域定义为大角度区域H，定义激光束直径为Φ；
步骤S4，计算机根据公式tanα＝d/W的计算结果，自动识别出第N+1层所处的区域区间是小角度区域、一般角度区域或者大角度区域；
步骤S5，当第N+1层处于小角度区域时，自动识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域，因处于小角度区域时的α角较小，所以悬浮区域及外露区域占据的面积大于芯部区域；
步骤S6，当激光器开始扫描小角度区域的悬空区域及外露区域时，激光束直径Φ变大，扫描芯部时激光束直径Φ保持不变；
步骤S7，放大后的激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径开始对外露区域进行逐行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，该距离要求大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间距离，且满足公式Φ/5≤d1≤Φ2/3；
步骤S8，当激光束扫描完外露区域后，激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对芯部区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离定义为d3，且满足公式Φ/5≤d3≤Φ2/3；
步骤S9，当激光束扫描完芯部区域后，开始扫描悬浮区域，保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当降低；
步骤S10，控制激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d2，该距离要求大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间的距离，且满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3；
步骤S11，扫描完悬浮区域后，将激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对第N+1层区域轮廓进行一次扫描；
步骤S12，当扫描到第N+2层时，其小角度区域中的悬空区域、芯部、外露区域采用步骤S6～步骤S12中的方法进行扫描，外露区域及芯部激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转预设角度，悬浮区域角度不发生偏转；
步骤S13，当第N+1层处于一般角度区域时，计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域；
步骤S14，当激光器开始扫描一般角度区域的芯部及外露区域时，令激光束直径Φ保持不变，扫描一般角度区域的悬浮区域时，控制激光束直径Φ增大；
步骤S15，激光束对外露区域、芯部区域进行扫描，激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径，开始对外露区域及芯部区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，且满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5，扫描时，对外露区域及芯部区域同时进行扫描；
步骤S16，当扫描完芯部区域及外露区域后，控制激光束直径Φ增大，开始对悬浮区域进行扫描，并保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当降低；
步骤S17，激光束以平行于相邻层边界线X的路径，开始对悬浮区域进行逐行扫描，同时沿垂直于相邻层边界线X的路径逐步扩大扫描范围，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d2，该距离要大于激光束放大前相邻扫描线激光束中心线之间的距离，即满足公式Φ/4≤d2≤Φ2/3；
步骤S18，扫描完悬浮区域后，将激光束直径立刻调整到原始直径Φ，对第N+2层区域轮廓进行一次扫描；
步骤S19，当扫描到第N+2层时，其一般角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤S14～步骤S18的方法进行，外露区域及芯部区域激光束中心扫描线与第N+1层的激光束中心偏转预设角度，悬浮区域角度不发生偏转；
步骤S20，当第N+1层处于大角度区域时，计算机识别出当前第N+1层的悬浮区域、芯部和外露区域，当激光器开始扫描大角度区域的悬浮区域、芯部及外露区域时激光束直径Φ保持不变；
步骤S21，激光束以与相邻层边界线成一定角度γ的路径开始对外露区域、芯部及悬浮区域进行扫描，相邻激光扫描线激光束中心之间的距离记为d1，且满足公式Φ/5≤d1≤4Φ/5，扫描完外露区域、芯部及悬浮区域后，激光束不再对轮廓进行扫描；
步骤S22，当扫描到第N+2层时，其大角度区域中的悬浮区域、芯部、外露区域采用步骤S20～步骤S22中的方法进行，外露区域、芯部及悬浮区域激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转预设角度，后续扫描层依次循环往复，直至大角度区域扫描完成。
2.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S6中，激光束直径Φ的放大系数K为1.5～5。
3.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S6中，激光束直径变大后，保证激光功率与激光扫描速度的比值较激光束直径改变前不变或适当增加，其中的激光功率P为：200W～1000W，激光扫描速度V为：500mm/s～10000mm/s。
4.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S7中，放大后的激光束对外露区域进行逐行扫描，逐行扫描的次数为一次。
5.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S8中对芯部区域进行扫描时，扫描路径为逐行、板条、方格或者螺旋线，扫描次数为只扫描一次。
6.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S9中，当激光束扫描悬浮区域时，将激光功率Px设定为：120～600W，将激光扫描速度Vx设定为：400～7000mm/s。
7.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S14中，当激光器开始扫描一般角度区域的芯部及外露区域时，将激光束直径放大系数Kx设定为：1.5～5。
8.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S16中，将激光束的激光功率Px设定为：150～1000W，将激光扫描速度Vx设定为：400～7000mm/s。
9.如权利要求1所述的高效率3D打印方法，其特征在于，所述步骤S12、所述步骤S19和所述步骤S22中，激光束中心扫描线相对第N+1层的激光束中心偏转角度均为5°～85°。
10.一种3D打印系统，其特征在于，所述3D打印系统用于执行权利要求1-9任一项所述的高效率3D打印方法。
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