CN115195121A - 增材切片方法及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种增材切片方法及增材制造方法，涉及加工制造领域。该增材切片方法按第一切片厚度对获取的三维模型进行逐层切片，获得的当前切片层的边界信息与预设平滑度要求进行比较，若满足预设平滑度要求，则继续按第一切片厚度进行下一层切片，否则，则缩小第一切片厚度至第二切片厚度，以满足预设平滑度要求，提高加工精度。如此通过变层厚的方式，在当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求时，采用较大尺寸的第一切片厚度进行切片，在当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求时，采用较小尺寸的第二切片厚度进行切片，在保证加工精度的前提下能够减少切片层的层数，进而缩短加工时间，提高了加工效率，同时降低了加工成本。

Description

增材切片方法及增材制造方法

技术领域

本发明涉及加工制造领域，尤其涉及一种增材切片方法及增材制造方法。

背景技术

目前铺粉式增材制造3D打印设备多采用恒定层厚的加工方式。为保证整个工件的打印分辨率，前述的加工方式在进行切片操作时，设定的切片厚度会尽可能小。若切片厚度较大，打印分辨率低，造成加工工件的表面平滑度变低。然而，对于某一工件而言，其切片厚度越小，虽然分辨率极高，最终表面光滑度得以保证，但势必会造成层数增多。在激光扫描速度不变的情况下，整体加工时间会随层数增加而延长，以致工件加工效率极低，加工成本变高。

发明内容

基于此，有必要提供一种增材切片方法及增材制造方法，旨在解决现有增材制造中加工精度与加工效率之间无法平衡的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：

一种增材切片方法，具有如下步骤：

获取工件三维模型；

按第一切片厚度对所述三维模型进行逐层切片，若当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，则按第一切片厚度进行下一层切片，若当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求，则缩小所述第一切片厚度至第二切片厚度，按所述第二切片厚度自前一切片层与当前切片层交界处进行下一层切片，以使获得的当前切片层满足预设平滑度要求；及

提取各切片层的边界信息和厚度信息，生成增材路径信息。

在所述增材切片方法的一些实施例中，当前切片层沿其厚度方向具有第一表面与第二表面，当前切片层的边界信息包括第一表面外轮廓信息和第二表面外轮廓信息，若所述第一表面外轮廓信息与所述第二表面外轮廓信息的偏差量小于或等于预设值时，则当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，若所述第一表面外轮廓信息与所述第二表面外轮廓信息的偏差量大于预设值时，则当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求。

在所述增材切片方法的一些实施例中，所述第一表面外轮廓信息为所述第一表面外轮廓曲线信息，所述第二表面外轮廓信息为所述第二表面外轮廓曲线信息；

建立平面坐标系XY，所述平面坐标系XY所在平面垂直于所述当前切片层厚度方向，所述第一表面沿所述当前切片层厚度方向向所述平面坐标系XY做正投影，得到第一投影外轮廓，所述第二表面沿所述当前切片层厚度方向向所述平面坐标系XY做正投影，得到第二投影外轮廓，在所述第一投影外轮廓上取多个参考点，设为(x₁，y₁)在所述第一投影外轮廓作经过各所述参考点的法线，各所述法线与所述第二投影外轮廓的交点设为(x₂，y₂)，各所述交点与其位于同一法线上的所述参考点相邻，计算各所述交点与其位于同一法线上的所述参考点之间的直线距离，提取各直线距离中的最大值作为所述偏差量。

在所述增材切片方法的一些实施例中，所述第一切片厚度为增材设备加工工艺允许的最大有效加工厚度。

在所述增材切片方法的一些实施例中，通过逐渐缩小所述第一切片厚度以获得能够使当前切片层满足预设平滑度要求的所述第二切片厚度。

在所述增材切片方法的一些实施例中，所述第二切片厚度大于或等于增材设备加工工艺允许的最小有效加工厚度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：

一种增材制造方法，具有如下步骤：

提取如上所述的增材制造方法生成的增材路径信息；及

根据增材路径信息进行增材成型。

在所述增材制造方法的一些实施例中，根据增材路径信息进行增材成型的具体步骤如下：

从增材路径信息中获取当前切片层的厚度信息，按当前切片层的厚度信息在前一切片层的成型平面铺设一层增材料；及

从增材路径信息中获取当前切片层的边界信息和厚度信息，并对当前切片层的边界信息和厚度信息所限定区域内的增材料进行激光烧结成型。

在所述增材制造方法的一些实施例中，根据当前切片层的厚度信息对所述激光烧结成型中激光的功率和激光的扫描速度进行调整，以使各切片层对应的增材料的烧结程度一致。

在所述增材制造方法的一些实施例中，在保证烧结程度一致的条件下，通过预先测试得到不同厚度的增材料对应的激光的功率和激光的扫描速度，根据当前切片层的厚度信息提取激光的功率和激光的扫描速度以调整激光烧结成型中激光的功率和激光的扫描速度。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

上述方案的增材切片方法应用于增材制造方法中，使得运用该增材制造方法进行的增材加工能够在保证加工精度的前提下具有较高的加工效率。具体而言，该增材切片方法按第一切片厚度对获取的三维模型进行逐层切片，从加工效率考虑预设第一切片厚度的尺寸；按第一切片厚度获得当前切片层，该当前切片层的边界信息与预设平滑度要求进行比较，若满足预设平滑度要求，则继续按第一切片厚度进行下一层切片，以提高加工效率，若不满足预设平滑度要求，则缩小第一切片厚度至第二切片厚度，通过缩小厚度尺寸得到的第二切片厚度能够提高当前切片层的边界的平滑度，以满足预设平滑度要求，提高加工精度。如此通过变层厚的方式，在当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求时，采用较大尺寸的第一切片厚度进行切片，在当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求时，采用较小尺寸的第二切片厚度进行切片，在保证加工精度的前提下能够减少切片层的层数，进而缩短加工时间，提高了加工效率，同时降低了加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为现有切片方法和本申请增材切片方法得到的切片层比较示意图，其中图1(1)为工件三维模型，图1(2)为现有切片方法，图1(3)为本申请切片方法；

图2为一个实施例中工件三维模型截面的切片层厚度示意图；

图3为一个实施例中位于平面坐标系内的第一投影外轮廓和第二投影外轮廓示意图；

图4为一个实施例中增材制造方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的增材制造方法用于增材加工，尤其用于铺粉式增材制造中。该增材制造方法，具有如下步骤：提取增材路径信息；及根据增材路径信息进行增材成型。具体地，该增材路径信息通过以下增材切片方法得到。该增材切片方法，具有如下步骤：获取工件三维模型；按第一切片厚度对三维模型进行逐层切片，若当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，则按第一切片厚度进行下一层切片，若当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求，则缩小第一切片厚度至第二切片厚度，按第二切片厚度自前一切片层与当前切片层交界处进行下一层切片，以使获得的当前切片层满足预设平滑度要求；及提取各切片层的边界信息和厚度信息，生成增材路径信息。

综上，实施本发明实施例，将具有如下有益效果：上述方案的增材切片方法应用于增材制造方法中，使得运用该增材制造方法进行的增材加工能够在保证加工精度的前提下具有较高的加工效率。具体而言，该增材切片方法按第一切片厚度对获取的三维模型进行逐层切片，从加工效率考虑预设第一切片厚度的尺寸；按第一切片厚度获得当前切片层，该当前切片层的边界信息与预设平滑度要求进行比较，若满足预设平滑度要求，则继续按第一切片厚度进行下一层切片，以提高加工效率，若不满足预设平滑度要求，则缩小第一切片厚度至第二切片厚度，通过缩小厚度尺寸得到的第二切片厚度能够提高当前切片层的边界信息的平滑度，以满足预设平滑度要求，提高加工精度。如此通过变层厚的方式，在当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求时，采用较大尺寸的第一切片厚度进行切片，在当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求时，采用较小尺寸的第二切片厚度进行切片，在保证加工精度的前提下能够减少切片层的层数，进而缩短加工时间，提高了加工效率，同时降低了加工成本。

如图1所示，现有切片方法中切片厚度恒定，且为了适应整个工件的打印分辨率，切片厚度会尽可能小，从而造成切片层的层数增多。本申请中增材切片方法，在当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求的条件下，采用第一切片厚度进行切片，由于该第一切片厚度具有较大的厚度尺寸，因此能够减少切片层的层数，而对于按第一切片厚度进行切片得到的当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求，则采用缩小尺寸的第二切片厚度进行切片，保证得到的当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，在保证加工精度的前提下减少了切片层的层数，提高了加工效率。

在一个实施例中，获取工件三维模型的具体步骤如下：对工件进行设计，获取包含增材料种类、增材料分布、基准位置、工件结构特征及尺寸数据等信息的工件模型。根据增材料种类及增材料分布特点在激光烧结成型的过程中发生的形状、尺寸及内部应力等变化规律，对工件模型进行尺寸和形状补偿。对于工件成型后需要二次加工位置留有加工余量，获得包含上述工件模型及尺寸、形状补偿、加工余量的工件三维模型。

在一个实施例中，当前切片层沿其厚度方向具有第一表面S₁与第二表面S₂，当工件三维模型的厚度方向与竖直方向平行放置时，第一表面S₁即为当前切片层的上表面，第二表面S₂即为当前切片层的下表面。当前切片层的边界信息包括第一表面外轮廓信息和第二表面外轮廓信息，其中，第一表面外轮廓信息为第一表面S₁的边界信息，第二表面外轮廓信息为第二表面S₂的边界信息。若第一表面外轮廓信息与第二表面外轮廓信息的偏差量小于或等于预设值时，则当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，若第一表面外轮廓信息与第二表面外轮廓信息的偏差量大于预设值时，则当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求。该偏差量指当第一表面和第二表面位于同一平面时，第一表面边界与第二表面边界之间的间距，上述平面垂直于当前切片层的厚度方向。由于第一表面S₁与第二表面S₂为当前切片层沿厚度方向相对设置的两个平面，通过计算第一表面外轮廓信息与第二表面外轮廓信息的偏差量，如此能够获得第一表面外轮廓相对第二表面外轮廓的偏移程度。该偏移程度与当前切片厚度的切片层打印分辨率能够获得当前切片层与前一切片层之间的平滑度，进而能够与预设平滑度比较，确定第一切片厚度得到的当前切片层的边界信息是否满足预设平滑度要求。

在一个实施例中，如图2所示，建立直角坐标系XYZ，X轴垂直于Y轴与Z轴所在平面，Y轴垂直于X轴与Z轴所在平面，Z轴平行于当前切片层厚度方向。其中，T₁、T₂、T₃、T₄分别为工件三维模型在Z轴方向不同位置处的切片层对应的的厚度。第一表面外轮廓信息为第一表面外轮廓曲线信息，设为(x₁，y₁，z₁)，第二表面外轮廓信息为第二表面外轮廓曲线信息，设为(x₂，y₂，z₂)，获取各y₁＝y₂＝0时x₁与x₂的差值△x，即为偏差量。由图2可知，由于T₁和T₄对应的切片层的偏差量较大，因此采用第二切片厚度进行切片，保证得到的当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求。而T₂和T₃对应的切片层的偏差量较小，因此采用第一切片厚度进行切片，进而缩短加工时间，提高了加工效率，同时降低了加工成本。

在另一个实施例中，第一表面外轮廓信息为第一表面外轮廓曲线信息，第二表面外轮廓信息为第二表面外轮廓曲线信息。如图3所示，建立平面坐标系XY，平面坐标系XY所在平面垂直于当前切片层厚度方向，即图2所示的Z轴方向。第一表面S₁沿Z轴向平面坐标系XY做正投影，得到第一投影外轮廓S₁₁，第二表面S₂沿Z轴向平面坐标系xy做正投影，得到第二投影外轮廓S₂₁，在第一投影外轮廓S₁₁上取多个参考点D₁、D₂、D₃、D₄、…、D_n。参考点D₁、D₂、D₃、D₄、…、D_n的坐标设为(x₁，y₁)，在第一投影外轮廓S₁₁作经过各参考点的法线，各法线与第二投影外轮廓S₂₁的交点为d₁、d₂、d₃、d₄、…、d_n。交点d₁、d₂、d₃、d₄、…、d_n的坐标设为(x₂，y₂)，各交点与其位于同一法线上的参考点相邻。计算各交点与其位于同一法线上的参考点之间的直线距离L₁、L₂、L₃、L₄、…、L_n，提取各直线距离中的最大值作为偏差量。参考点的数量应满足打印分辨率。通过获取第一投影外轮廓S₁₁和第二投影外轮廓S₂₁在不同参考点处的直线距离，能够更精确获得第一投影外轮廓S₁₁相对第二投影外轮廓S₂₁的偏移程度，提高与预设平滑度比较的准确性，进而保证工件加工的精度。在一个实施例中，第一切片厚度为增材设备加工工艺允许的最大有效加工厚度。如此能够在满足预设平滑度要求尽可能的减少切片层的层数，提高加工效率。

在一个实施例中，通过逐渐缩小第一切片厚度以获得能够使当前切片层满足预设平滑度要求的第二切片厚度。即可通过逐渐缩小厚度尺寸的方式得到即满足预设平滑度要求又具有较大尺寸厚度的第二切片厚度，在保证加工精度的条件下，提高加工效率。

可以理解为在其他实施例中，第二切片厚度还可预先设置成一个固定厚度尺寸，以节省确定第二切片厚度的时间。进一步地，第二切片厚度大于或等于增材设备加工工艺允许的最小有效加工厚度。

在上述实施例的基础上，根据增材路径信息进行增材成型的具体步骤如下：

从增材路径信息中获取当前切片层的厚度信息，按当前切片层的厚度信息在前一切片层的成型平面铺设一层增材料及从增材路径信息中获取当前切片层的边界信息和厚度信息，并对当前切片层的边界信息和厚度信息所限定区域内的增材料进行激光烧结成型。在进行增材料铺设操作时，获取当前切片层的厚度信息，进行实时的铺设厚度调整及激光的功率和激光的扫描速度等工艺参数的调整，确保不同层在不同层厚的情况下，均能进行有效的加工。

进一步地，根据当前切片层的厚度信息对激光烧结成型中激光的功率和激光的扫描速度进行调整，以使各切片层对应的增材料的烧结程度一致。如此能够保证最终得到工件各项物理测试得到的各项指标有效接近，从而避免在增材加工过程中出现工件缺陷的情况或最终工件的完整性、强度、致密度、延展性、抗疲劳/抗蠕变性能以及表面粗糙度不达标。而对于采用不同增材料进行增材加工来说，除了要考虑当前切片层的厚度信息外还需要考虑增材料的种类和分布等信息，以保证各切片层对应的增材料的烧结程度一致。

在一个实施例中，在保证烧结程度一致的条件下，通过预先测试得到不同厚度的增材料对应的激光的功率和激光的扫描速度，根据当前切片层的厚度信息提取激光的功率和激光的扫描速度以调整激光烧结成型中激光的功率和激光的扫描速度。如此能够进一步提高加工效率。同样的，在通过预先测试得到不同厚度的增材料对应的激光的功率和激光的扫描速度时，除了要考虑当前切片层的厚度信息外还需要考虑增材料的种类和分布等信息，以保证预先测试得到不同厚度的增材料对应的激光的功率和激光的扫描速度能够与实际加工中所需的激光的功率和激光的扫描速度一一对应。

下面采用一个实施例对本发明做进一步说明：

如图4所示，一种增材制造方法，具有如下步骤：

S1、获取工件三维模型，将工件三维模型导入切片软件中；

S2、变层厚切片：切片软件按第一切片厚度对三维模型进行逐层切片，若当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，则按第一切片厚度进行下一层切片，若当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求，则缩小第一切片厚度至第二切片厚度，按第二切片厚度自前一切片层与当前切片层交界处进行下一层切片，以使获得的当前切片层满足预设平滑度要求。

S3、提取各切片层的边界信息和厚度信息，以及各切片层的增材料的种类和分布信息，将上述信息导入路径规划软件，通过路径规划软件将上述信息转换成激光振镜运动路径，生成增材路径信息。本实施例中，增材料为金属粉末。可以理解为在其他实施例中，增材料还可以为陶瓷颗粒/粉末、合金颗粒/粉末或塑料颗粒/粉末。并且，金属、陶瓷、合金和塑料的种类不唯一，可为同种材质的混合物或不同材质的混合物。例如，铜铁混合粉末，铜和不锈钢的混合粉末。

S4、提取增材路径信息，将增材路径信息导入增材设备中。

S5、增材设备从增材路径信息中获取当前切片层的厚度信息、增材料的种类和分布信息，按当前切片层的厚度信息在前一切片层的成型平面铺设一层增材料。

S6、增材设备从增材路径信息中获取当前切片层的厚度信息、增材料的种类和分布信息，根据当前切片层的厚度信息、增材料的种类和分布信息，提取预先测试得到的激光的功率和激光的扫描速度调整激光烧结成型中激光的功率和激光的扫描速度，并对当前切片层的边界信息和厚度信息所限定区域内的增材料进行激光烧结成型。

S7、直至各切片层对应的所限定区域内的增材料层层烧结叠加，得到工件。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种增材切片方法，其特征在于，具有如下步骤：

获取工件三维模型；

按第一切片厚度对所述三维模型进行逐层切片，若当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，则按第一切片厚度进行下一层切片，若当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求，则缩小所述第一切片厚度至第二切片厚度，按所述第二切片厚度自前一切片层与当前切片层交界处进行下一层切片，以使获得的当前切片层满足预设平滑度要求；及

提取各切片层的边界信息和厚度信息，生成增材路径信息。

2.根据权利要求1所述的增材切片方法，其特征在于：当前切片层沿其厚度方向具有第一表面与第二表面，当前切片层的边界信息包括第一表面外轮廓信息和第二表面外轮廓信息，若所述第一表面外轮廓信息与所述第二表面外轮廓信息的偏差量小于或等于预设值时，则当前切片层的边界信息满足预设平滑度要求，若所述第一表面外轮廓信息与所述第二表面外轮廓信息的偏差量大于预设值时，则当前切片层的边界信息不满足预设平滑度要求。

3.根据权利要求2所述的增材切片方法，其特征在于：所述第一表面外轮廓信息为所述第一表面外轮廓曲线信息，所述第二表面外轮廓信息为所述第二表面外轮廓曲线信息；

建立平面坐标系XY，所述平面坐标系XY所在平面垂直于所述当前切片层厚度方向，所述第一表面沿所述当前切片层厚度方向向所述平面坐标系XY做正投影，得到第一投影外轮廓，所述第二表面沿所述当前切片层厚度方向向所述平面坐标系XY做正投影，得到第二投影外轮廓，在所述第一投影外轮廓上取多个参考点，设为(x₁，y₁)，在所述第一投影外轮廓作经过各所述参考点的法线，各所述法线与所述第二投影外轮廓的交点设为(x₂，y₂)，各所述交点与其位于同一法线上的所述参考点相邻，计算各所述交点与其位于同一法线上的所述参考点之间的直线距离，提取各直线距离中的最大值作为所述偏差量。

4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的增材切片方法，其特征在于：所述第一切片厚度为增材设备加工工艺允许的最大有效加工厚度。

5.根据权利要求4所述的增材切片方法，其特征在于：通过逐渐缩小所述第一切片厚度以获得能够使当前切片层满足预设平滑度要求的所述第二切片厚度。

6.根据权利要求5所述的增材切片方法，其特征在于：所述第二切片厚度大于或等于增材设备加工工艺允许的最小有效加工厚度。

7.一种增材制造方法，其特征在于，具有如下步骤：

提取如权利要求1～6任一权利要求所述的增材制造方法生成的增材路径信息；及

根据增材路径信息进行增材成型。

8.根据权利要求7所述的增材制造方法，其特征在于：根据增材路径信息进行增材成型的具体步骤如下：

从增材路径信息中获取当前切片层的厚度信息，按当前切片层的厚度信息在前一切片层的成型平面铺设一层增材料；及

从增材路径信息中获取当前切片层的边界信息和厚度信息，并对当前切片层的边界信息和厚度信息所限定区域内的增材料进行激光烧结成型。

9.根据权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于：根据当前切片层的厚度信息对所述激光烧结成型中激光的功率和激光的扫描速度进行调整，以使各切片层对应的增材料的烧结程度一致。

10.根据权利要求9所述的增材制造方法，其特征在于：在保证烧结程度一致的条件下，通过预先测试得到不同厚度的增材料对应的激光的功率和激光的扫描速度，根据当前切片层的厚度信息提取激光的功率和激光的扫描速度以调整激光烧结成型中激光的功率和激光的扫描速度。

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