CN114734060A - 一种铺粉打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属增材制造技术领域，为了解决现有铺粉方式因行程长导致铺粉时间长和效率低下的技术问题，本发明公开了一种铺粉打印方法，包括步骤S1，导入预成形的结构零件至切片软件，对该结构零件切片为多个切片层，识别每个切片层中预成形零件的边线轮廓；步骤S2，根据切片层中的边线轮廓在成形仓内控制刮刀上对相应切片层进行铺粉，其中，在第N‑1层铺满粉末，铺设完第N‑1层时，成形仓下降一个铺粉层厚d，在第N层之后，铺粉区域和留白区域呈动态变化，铺粉区域的面积与切片层的面积变化呈正比例关系。根据需要进行铺粉，可以有效地减少当前层有效铺粉距离，解决了现有铺设方式因行程长导致铺粉时间长和效率低下的技术问题。

Description

一种铺粉打印方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种铺粉打印方法。
背景技术
激光选区熔化成形技术，因其层层堆叠的技术原理，每打印一层就需要铺粉一次。不同零件尺寸差异较大，同一零件，在不同高度，在成形平台不同方向尺寸也存在很大差异。传统铺粉方式每一层均需要刮刀走完整个成形仓尺寸，因行程长导致铺粉时间长，铺粉量难以衡量，效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铺粉打印方法，以解决现有铺粉方式因行程长导致铺粉时间长和效率低下的技术问题。
为实现上述目的，本发明的一种铺粉打印方法的具体技术方案如下：
一种铺粉打印方法，在成形仓内定义铺粉区域和留白区域，定义初始层为第N-1层，定义当前层为第N层，成形仓的长度为L1，成形仓的宽度为W1，第N层零件截面的右边界与与形成仓的左边界的距离为LN-1,留白区域的宽度为LN-3，定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为TN，刮刀在铺粉区域消耗粉末为TNp，刮刀在留白区域消耗粉末为TNb，定义铺粉层厚为d，包括如下步骤：
步骤S1，导入预成形的结构零件至切片软件，对该结构零件切片为多个切片层，识别每个切片层中预成形零件的边线轮廓；
步骤S2，根据切片层中的边线轮廓在成形仓内控制刮刀上对相应切片层进行铺粉，其中，在第N-1层铺满粉末，铺设完第N-1层时，成形仓下降一个铺粉层厚d，在第N层之后，铺粉区域和留白区域呈动态变化，铺粉区域的面积与切片层的面积变化呈正比例关系。根据需要进行铺粉，可以有效地减少当前层有效铺粉距离，提高铺粉效率。
进一步的，在步骤S2中包括如下步骤：
步骤S21，铺设第N层时，刮刀从铺粉区域的左边线以速度V1运行距离LN-2至铺粉区域的右边线；
步骤S22，刮刀以速度V2从铺粉区域的右边线运行距离LN-3至留白区域的右边线；
步骤S23，刮刀以速度V3回刀至铺粉区域的左边线，成形仓下降一个铺粉层厚d；
步骤S24，刮刀接收粉末；
重复执行步骤S21至步骤S24，直至完成所有切片层对应在成形仓内的铺粉；
其中，L1≥LN-2，LN-2≥LN-1，L1≥LN-3≥0，V3≥V2＞V1，TN＞TN p+TN b，TNp＝(LN-2)*d。
有效地减少当前层有效铺粉距离，进而通过分段控制刮刀运行速度，提高铺粉效率。
进一步的，定义粉末流动性安息角为α，在成形第N+1层时，定义第N+1层刮刀铺粉距离为Ln+1-2，第N+1层零件截面右边界与成形仓左边界距离为Ln+1-1，留白区域宽度为Ln+1-3，定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为TN+1，刮刀在铺粉区域消耗粉末为TN+1p，刮刀在留白区域消耗粉末为TN+1b；
则L1≥Ln+1-2，Ln+1-2≥Ln+1-1，L1≥Ln+1-3≥0，V3≥V2＞V1，TN+1＞TN+1p+TN+1b，TN+1p＝(LN+1-2)*d，LN+1-3＞LN-3+d/tanα。
可以有效地减少当前层有效铺粉距离。同时避免后续粉末逐层铺粉导致粉末堆积，因其自由流动特性再叠加重力导致粉末松软塌陷。进而通过分段控制刮刀运行速度，提高铺粉效率。
进一步的，若在第N+N层的零件截面积、零件右边界与成形仓左边界距离增加；
定义第N+N层刮刀铺粉距离为LN+N-2，第N+N层零件截面右边界与成形仓左边界距离为LN+N-1；留白区域宽度为LN+N-3；定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为Tn+n，刮刀在铺粉区域消耗粉末为Tn+np，刮刀在留白区域消耗粉末为Tn+nb，定义铺粉系数为k；
则L1≥LN+NN-2，LN+N-2≥LN+N-1，L1≥LN+N-3≥0，V3≥V2＞V1，Tn+n＞Tn+np+Tn+nb，Tn+np＝(LN+N-2)*d，LN+N-3＞L1-(LN+N-2)-d/tanα，2＞k＞1；
Figure BDA0003602042390000031
可以有效地减少当前层有效铺粉距离。同时定量计算出当前层所需要的铺粉体积，有效地将成形仓因零件截面积变化，铺粉较少形成的粉末凹陷给予填充。避免因粉末不足导致激光束无法烧结当前层第N+N的粉末。进而通过分段控制刮刀运行速度，提高铺粉效率。
本发明提供的一种铺粉打印方法具有以下优点：
根据需要进行铺粉，有效地减少当前层有效铺粉距离，进而通过分段控制刮刀运行速度，解决了现有铺设方式因行程长导致铺粉时间长和效率低下的技术问题。既能保证产品打印质量，又可大幅提高生产效率。
附图说明
图1为本发明提供的结构零件示意图；
图2为本发明提供的零件A-A和B-B截面图；
图3为本发明提供的零件高度H1处的截面图；
图4为本发明提供的零件高度H2处的截面图；
图5为本发明提供的零件截面随高度减少时的截面图。
图中：10、铺粉区域；20、留白区域；30、铺粉截止线；40、成形仓左边界。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，以成形阶梯凸台结构零件为例进行说明；结构零件摆放如图2所示，凸台成型时采用竖直摆放，大截面一端落在基板，层层堆叠成形。
因为凸台沿高度方向截面积大小不同，在摆放位置固定的情况下，零件不同高度处截面与成形仓刮刀起始铺粉的边界距离差异较大。如图3所示，高度H1处零件截面右边界要比高度H2处距离成形仓左边界40更远，相对应的截面积更大。
从基板上表面开始，随着零件高度增加，零件水平截面积逐渐减少，零件最右侧边界距离成形仓左边界40的距离也逐渐减小。
根据零件的结构特点，结合激光选区熔化成形技术是利用粉末为原材料，通过层层铺粉将零件打印成形。粉末原材料一般为球形或椭球形，自身具有一定的流动性。衡量其流动性可采用安息角α进行表征，其表示粉末自由铺展后所形成的锥面与水平面的夹角。
刮刀铺粉时，以一定的速度从左至右运动，在成形仓上方运动一定的距离。该距离根据零件不同高度所对应截面，最右边界即铺粉截止线30与成形仓左边界40距离的差异而有所不同。
在成形当前层第N层时，刮刀前方存有满足铺粉行程所需要的粉量Tn。成形仓成形完第N-1层时，整个成形仓均铺满粉末，粉末层平整，无凹陷。此时成形仓下降一个铺粉层厚d，刮刀开始从左向右以一定的速度V1运动一定的距离LN-2。该距离超出了此时零件高度截面最右边边界与成形仓左边界40距离，但刮刀并未将整个成形仓完全铺满粉末。刮刀运行完行程LN-2后，刮刀速度调整为V2，继续向右运行，将此时刮刀前剩余的粉末铺展完。随后刮刀速度调整为V3返回最左侧(回刀)，接收粉末后再以速度V1进行铺粉。重复上述动作，直至铺粉完成。
此时在成形仓平面形成两个不同的区域，即铺粉区域10和留白区域20，如图3所示。
定义初始层为第N-1层，定义当前层为第N层，成形仓的长度为L1，成形仓的宽度为W1，第N层零件截面的右边界与与形成仓的左边界的距离为LN-1,留白区域20的宽度为LN-3，定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为TN，刮刀在铺粉区域10消耗粉末为TNp，刮刀在留白区域20消耗粉末为TNb，定义铺粉层厚为d，则有如下公式：
L1≥LN-2，LN-2≥LN-1，L1≥LN-3≥0，V3≥V2＞V1，TN＞TNp+TNb，TNp＝(LN-2)*d。
通过该策略，可以有效地减少当前层有效铺粉距离，进而通过分段控制刮刀运行速度，提高铺粉效率。
在成形当前层第N+1层时，为便于说明本例以凸台高度H1与H2截面进行说明。此时零件截面发生变化，零件截面最右侧边界与成形仓左边界40距离，较第N层减少。
刮刀前方存有满足铺粉行程所需要的粉量Tn+1。成形仓成形完第N层时，整个成形仓未铺满粉末。铺粉区域10全部铺满，留白区域20有一定粉末，总体积为TNb。此时成形仓下降一个铺粉层厚d，刮刀开始从左向右以一定的速度V1运动一定的距离Ln+1-2。该距离超出了此时零件高度截面最右边界与成形仓左边界40距离，但刮刀并未将整个成形仓完全铺满粉末。刮刀运行完行程Ln+1-2后，刮刀速度调整为V2，继续向右运行，将此时刮刀前剩余的粉末铺展完。随后刮刀速度调整为V3返回最左侧(回刀)，接收粉末后再以速度V1进行铺粉。重复上述动作，直至铺粉完成。
此时在成形仓平面形成两个不同的区域，铺粉区域10和留白区域20。如图4所示。此时第N+1层铺粉区域10、留白区域20大小范围，均与第N层不同。其铺粉区域10长度小于第N层，而留白区域20长度大于第N层。
定义粉末流动性安息角为α，在成形第N+1层时，定义第N+1层刮刀铺粉距离为Ln+1-2，第N+1层零件截面右边界与成形仓左边界40距离为Ln+1-1，留白区域20宽度为Ln+1-3，定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为TN+1，刮刀在铺粉区域10消耗粉末为TN+1p，刮刀在留白区域20消耗粉末为TN+1b；则有如下公式：
L1≥Ln+1-2，Ln+1-2≥Ln+1-1，L1≥Ln+1-3≥0，V3≥V2＞V1，TN+1＞TN+1p+TN+1b，TN+1p＝(LN+1-2)*d，LN+1-3＞LN-3+d/tanα。
通过该策略，可以有效地减少当前层有效铺粉距离。同时避免后续粉末逐层铺粉导致粉末堆积，因其自由流动特性再叠加重力导致粉末松软塌陷。进而通过分段控制刮刀运行速度，提高铺粉效率。
第N+1层打印完成后，后续产品分层继续按照上述方法进行，直至打印完成。
上述方式是针对零件截面随高度减少的情况，若在第N+N层零件截面积、零件右边界与成形仓左边界40距离突然增加，再继续铺粉时，刮刀运行铺粉行程大幅增加。因前面第N+1层直至第N+N-1层截面积逐渐减少，此时粉末在成形仓内形成一个斜面。根据前述定义的公式约束，此斜面与水平面夹角β小于粉末安息角α。此时刮刀前方的粉末量Tn+n须大幅增加，以便对成形仓形成的粉末凹陷进行填充，避免后续粉末塌陷。
成形仓成形完第N+N-1层时，整个成形仓未铺满粉末。铺粉区域10全部铺满，留白区域20有一定粉末，铺粉区域10所铺粉末总体积为Tn+n-1b。此时成形仓下降一个铺粉层厚d，刮刀开始从左向右以一定的速度V1运动一定的距离LN+N-2。该距离超出了此时零件高度截面最右边界与成形仓左边界40距离，但刮刀并未将整个成形仓完全铺满粉末。刮刀运行完行程LN+N-2后，刮刀速度调整为V2，继续向右运行，将此时刮刀前剩余的粉末铺展完。随后刮刀速度调整为V3返回最左侧(回刀)，接收粉末后再以速度V1进行铺粉。重复上述动作，直至铺粉完成。
此时在成形仓平面形成两个不同的区域，铺粉区域10和留白区域20，如图5所示。此时第N+N层铺粉区域10、留白区域20大小范围，均与第N+N-1层不同。其铺粉区域10长度大于第N+N-1层，而留白区域20长度小于第N+N-1层。
定义第N+N层刮刀铺粉距离为LN+N-2，第N+N层零件截面右边界与成形仓左边界40距离为LN+N-1，留白区域20宽度为LN+N-3，定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为Tn+n，刮刀在铺粉区域10消耗粉末为Tn+np，刮刀在留白区域20消耗粉末为Tn+nb，定义铺粉系数为k；则有如下公式：
L1≥LN+NN-2，LN+N-2≥LN+N-1，L1≥LN+N-3≥0，V3≥V2＞V1，Tn+n＞Tn+np+Tn+nb，Tn+np＝(LN+N-2)*d，LN+N-3＞L1-(LN+N-2)-d/tanα，2＞k＞1；
Figure BDA0003602042390000061
通过该策略，可以有效地减少当前层有效铺粉距离，同时定量计算出当前层所需要的铺粉体积，有效地将成形仓因零件截面积变化，铺粉较少形成的粉末凹陷给予填充。避免因粉末不足导致激光束无法烧结当前层第N+N的粉末，进而通过分段控制刮刀运行速度，提高铺粉效率。
对于零件后续需要打印的层数，按照上一步骤循环往复进行即可，直至打印完成。通过以上策略，形成了一种铺粉打印方法。
本发明提供的铺粉方法同时适用于刮刀双向铺粉，结合上述步骤调整每一次刮刀铺粉运行的距离和铺粉量即可。
本发明提供的一种铺粉打印方法，根据需要进行铺粉，有效地减少当前层有效铺粉距离，进而通过分段控制刮刀运行速度，提高铺粉效率。既能保证产品打印质量，又可大幅提高生产效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铺粉打印方法，在成形仓内定义铺粉区域(10)和留白区域(20)，定义初始层为第N-1层，定义当前层为第N层，成形仓的长度为L1，成形仓的宽度为W1，第N层零件截面的右边界与与形成仓的左边界的距离为LN-1,留白区域(20)的宽度为LN-3，定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为TN，刮刀在铺粉区域(10)消耗粉末为TNp，刮刀在留白区域(20)消耗粉末为TNb，定义铺粉层厚为d，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，导入预成形的结构零件至切片软件，对该结构零件切片为多个切片层，识别每个切片层中预成形零件的边线轮廓；
步骤S2，根据切片层中的边线轮廓在成形仓内控制刮刀上对相应切片层进行铺粉，其中，在第N-1层铺满粉末，铺设完第N-1层时，成形仓下降一个铺粉层厚d，在第N层之后，铺粉区域(10)和留白区域(20)呈动态变化，铺粉区域(10)的面积与切片层的面积变化呈正比例关系。
2.根据权利要求1所述的一种铺粉打印方法，其特征在于，在步骤S2中包括如下步骤：
步骤S21，铺设第N层时，刮刀从铺粉区域(10)的左边线以速度V1运行距离LN-2至铺粉区域(10)的右边线；
步骤S22，刮刀以速度V2从铺粉区域(10)的右边线运行距离LN-3至留白区域(20)的右边线；
步骤S23，刮刀以速度V3回刀至铺粉区域(10)的左边线，成形仓下降一个铺粉层厚d；
步骤S24，刮刀接收粉末；
重复执行步骤S21至步骤S24，直至完成所有切片层对应在成形仓内的铺粉；
其中，L1≥LN-2，LN-2≥LN-1，L1≥LN-3≥0，V3≥V2＞V1，TN＞TNp+TNb，TNp＝(LN-2)*d。
3.根据权利要求2所述的一种铺粉打印方法，其特征在于，定义粉末流动性安息角为α，在成形第N+1层时，定义第N+1层刮刀铺粉距离为Ln+1-2，第N+1层零件截面右边界与成形仓左边界(40)距离为Ln+1-1，留白区域(20)宽度为Ln+1-3，定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为TN+1，刮刀在铺粉区域(10)消耗粉末为TN+1p，刮刀在留白区域(20)消耗粉末为TN+1b；
则L1≥Ln+1-2，Ln+1-2≥Ln+1-1，L1≥Ln+1-3≥0，V3≥V2＞V1，TN+1＞TN+1p+TN+1b，TN+1p＝(LN+1-2)*d，LN+1-3＞LN-3+d/tanα。
4.根据权利要求2所述的一种铺粉打印方法，其特征在于，若在第N+N层的零件截面积、零件右边界与成形仓左边界(40)距离增加；
定义第N+N层刮刀铺粉距离为LN+N-2，第N+N层零件截面右边界与成形仓左边界(40)距离为LN+N-1；留白区域(20)宽度为LN+N-3；定义铺粉开始时刮刀前粉末体积为Tn+n，刮刀在铺粉区域(10)消耗粉末为Tn+np，刮刀在留白区域(20)消耗粉末为Tn+nb，定义铺粉系数为k；
则L1≥LN+NN-2，LN+N-2≥LN+N-1，L1≥LN+N-3≥0，V3≥V2＞V1，Tn+n＞Tn+np+Tn+nb，Tn+np＝(LN+N-2)*d，LN+N-3＞L1-(LN+N-2)-d/tanα，2＞k＞1；
Figure FDA0003602042380000021
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