CN115647391A - 基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增减材制造技术领域，涉及一种基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，包括：1)基于当前层各轮廓线段的角度信息以及角度临界值对轮廓扫描区域进行识别，将轮廓扫描区域分为增材区域、减材区域以及增减材复合区域；2)根据步骤1)所识别的增材区域、减材区域以及增减材复合区域，确定扫描路径。本发明提供了一种可实现增材激光器和减材激光器的实时切换和协同扫描的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法。

Description

基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法

技术领域

本发明属于增减材制造技术领域，涉及一种轮廓扫描路径规划方法，尤其涉及一种基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法。

背景技术

增减材复合加工技术是一种将增材制造和减材制造相结合的新型加工技术。借助计算机生成的STL模型，并将其按照设定层厚分层，将三维模型转化为二维点云数据，并进一步通过二维点云数据识别轮廓、上下表面以及内填充区域，结合打印参数生成打印路径信息，通过设备转化控制激光烧结粉末材料，通过飞秒激光器扫描改善激光烧结过程中产生的不可避免的表面粗糙问题，层层累积最终成型三维实体零件。

零件成型质量和效率不仅和打印设备相关，更重要的是前期分层剖分精准识别增减材区域和增减材扫描路径规划。现有剖分软件实现了每层的轮廓、上下表面以及内填充的识别，均为增材区域，最终生成增材扫描路径。减材区域是对整个轮廓进行减材，未做精准识别。

在SLM分层打印过程中，由于从三维到二维的分层，再到层层堆叠成型，数据格式、分层方法以及热处理等因素都会导致其精度和表面质量和先前预设有所误差。目前解决这一问题的方法一方面是对打印成型的三维实体零件进行后加工处理，改善表面质量；另一方面是分层打印中，待该层激光烧结完成后，再通过飞秒激光对该层轮廓进行超快脉冲激光减材加工。后者在一定程度上的确能够对分层打印过程中产生的球化、凸起以及阶梯效应等缺陷进行修整，改善表面质量，但从加工的整体性上来说，依旧是增材和减材的分离状态，无法实现两种激光器的协同扫描；此外，在分层打印中，并不是所有轮廓都需要减材加工，对本层的所有轮廓整体利用飞秒激光进行减材处理会导致过度加工，在改善部分区域的表面质量的同时会导致其他区域出现新的表面质量问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可实现增材激光器和减材激光器的实时切换和协同扫描的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法包括以下步骤：

1)基于当前层各轮廓线段的角度信息以及角度临界值对轮廓扫描区域进行识别，将轮廓扫描区域分为增材区域、减材区域以及增减材复合区域；

2)根据步骤1)所识别的增材区域、减材区域以及增减材复合区域，确定扫描路径。

上述步骤1)具体是：

1.1)计算当前层各轮廓线段的角度信息；

1.2)根据步骤1.1)计算得到的角度信息以及待打印材料在打印过程中的角度临界值，将轮廓扫描区域分为增材区域、减材区域以及增减材复合区域。

上述步骤1.1)计算当前层各轮廓线段的角度信息包括：

通过计算与当前高度轮廓相关的三角面片和基材的角度得到与三角面片对应的当前高度的轮廓线段的角度信息；

或者，通过对比相邻层轮廓差异并结合分层层厚计算各轮廓线段的角度信息。

上述步骤1.2)中的待打印材料在打印过程中的角度临界值包括第一角度临界值和第二角度临界值，所述第一角度临界值是减材路径和增减材复合路径之间的临界角度值，所述第二角度临界值是增减材复合路径和增材路径之间的临界角度值。

上述第一角度临界值的确定包括：

a)基于激光功率、扫描速率以及层厚参数确定待打印材料在打印过程中的熔池宽度width；

b)根据熔池宽度width和层厚thickness得到第一角度临界值，所述第一角度临界值angle的计算公式是：angle＝arctan(thickness/width)。

上述第二角度临界值是90°。

上述步骤1.2)中，当角度信息小于等于第一角度临界值时，对应的轮廓线段为减材区域；

当角度信息大于第一角度临界值并小于第二角度临界值时，对应的轮廓线段为增减材复合区域；

当角度信息大于等于第二角度临界值时，对应的轮廓线段为增材区域。

上述角度临界值的确定方式还包括：对待打印零件在打印过程中的角度临界值进行修正；

所述修正包括：

a)建立历史打印材料的角度临界值数据库，所述数据库存储各历史材料在各打印过程中的理论角度临界值以及实际打印过程中的优选角度临界值；

b)通过对历史打印材料的理论角度临界值和优选角度临界值的误差百分比进行最小二乘法估计，得到最优的误差百分比；

c)基于待打印材料在打印过程中的角度临界值，在所述最优的误差百分比的范围内修正，得到待打印材料实际打印过程中的优选角度临界值。

上述步骤2)根据步骤1)所识别的增材区域、减材区域以及增减材复合区域，确定扫描路径包括：

当轮廓扫描区域是增材区域时，有且仅有增材激光扫描；

当轮廓扫描区域是减材区域时，有且仅有减材激光扫描；

当轮廓扫描区域是增减材复合区域时，增材激光扫描优先于减材激光扫描。

本发明的优点是：

本发明提供了一种基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，能够在模型切片处理时，对轮廓精准识别出减材区域、增材区域和增减材复合区域，并基于识别出的不同区域生成优选扫描路径，实现增材激光器和减材激光器的实时切换和协同扫描，提高表面质量，提升打印效率。本发明通过轮廓增减材扫描区域精准划分和增减材激光协同扫描模式，既能达到改善部分区域的表面质量，也能避免过度减材对原本无表面质量问题区域造成的新问题，并且零件打印效率也得到提升。

附图说明

图1是本发明所提供的增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，该方法具体包括：

1、基于当前层各轮廓线段的角度信息以及角度临界值对轮廓扫描区域进行识别，将轮廓扫描区域分为增材区域、减材区域以及增减材复合区域。

在本申请实施例中，识别轮廓扫描区域的增材区域、减材区域和增减材复合区域具体包括以下步骤：

1.1)计算当前层各轮廓线段的角度信息。

在一些情况下，可以通过计算与当前高度轮廓相关的三角面片的角度得到与三角面片对应的当前高度的轮廓线段的角度信息。例如，可以通过计算当前高度轮廓相关的三角面片与基材所成的夹角作为与该三角面片对应的当前高度的轮廓线段的角度信息。

在另一些情况下，也可以通过对比相邻层轮廓差异并结合分层层厚计算轮廓的角度信息。

1.2)基于上述步骤中获得的角度信息以及待打印材料在打印过程中的角度临界值(也可以称为理论角度临界值)，将轮廓划分为增材区域、增减材复合区域以及减材区域。

本发明所提供的角度临界值包括第一角度临界值和第二角度临界值，第一角度临界值指的是减材路径和增减材复合路径的临界角度，第二角度临界值指的是增减材复合路径和增材路径的临界角度，其中，角度信息小于等于第一角度临界值所对应的轮廓线段的区域为减材区域，角度在第一角度临界值与第二角度临界值之间所对应的轮廓线段的区域为增减材复合区域，角度大于等于第二角度临界值所对应的轮廓线段的区域为增材区域。

在本申请中，确定第一角度临界值的方法如下：

基于激光功率、扫描速率以及层厚等工艺参数确定待打印材料在打印过程中的熔池宽度(width)。根据熔池宽度和层厚(thickness)得到待打印材料的第一角度临界值，计算公式如下：第一角度临界值angle＝arctan(thickness/width)。

轮廓线段的角度信息小于等于第一角度临界值时，所对应的轮廓扫描区域一般必须使用支撑构造才可成功打印，并且打印表面通常存在刮渣等表面质量问题；轮廓线段的角度信息大于该角度时，基本可以实现打印自生长。

在本申请实施例中，第二角度临界值一般预设为90°。通常来说，当成型角度大于等于90时(也就是竖直面或者上表面区域)，不存在刮渣塌陷等表面质量问题，因此成形角度大于等于90°的预期无需再进行减材处理。而角度在第一角度临界值和第二角度临界值之间时，零件通常可实现打印自生长，同时表面会存在少量表面质量问题，因此将角度在第一角度临界值和第二角度临界值之间的区域确定为增减材复合区域。

在一些实施例中，可认为上述第一角度临界值和第二角度临界值的确定方式均为理论值，实际打印过程中，技术人员可根据具体情况对上述第一角度临界值和第二角度临界值进行调整，调整通常是基于前期大量的实验数据得出的误差值指标进行的，具体如下：

a.建立历史打印材料角度临界值数据库，该数据库存储有各历史材料在不同打印过程中的理论角度临界值，以及实际打印中的优选角度临界值；

具体的，该数据库中可以保存有之前针对不同材料的每次打印过程中计算得到的理论角度临界值和实际打印时选用的优选角度临界。当然，用户也可以根据实际需求，选取特定时间段内的理论角度临界值和优选角度临界值存入数据库，或者选取特定材料在某些特定打印过程中的理论角度临界值和优选角度临界值存入数据库，本申请实施例对此不作限定。

b.确定最优的误差百分比。

通过对历史打印材料的理论角度临界值和优选角度临界值的误差百分比进行最小二乘法估计，得到最优的误差百分比；

c.确定待打印材料修改后的优选角度临界值。

基于上面描述中计算所得的待打印材料在打印过程中的角度临界值，在最优的误差百分比范围内对其进行修正，得到待打印材料实际打印过程中的优选角度临界值。

2、基于识别的增材区域、减材区域和增减材复合区域，确定扫描路径。

其中，扫描路径还包括激光器的切换逻辑。

在本申请实施例中，识别出增材区域、减材区域和增减材复合区域后，可先确定扫描路径的起始位置和扫描方向。在本申请实施例中，可任选一个区域作为扫描路径的起始位置；扫描方向可以是逆时针方向或顺时针方向。

确定起始位置和扫描方向之后，可确定第一连续扫描路径以及激光器切换逻辑。示例性的，如图1所示，若确定C₃为起始位置，扫描方向为逆时针方向，则第一连续扫描路径为C₃-C₂-C₁-C₄，基于各区域的类别，可确定第一扫描路径中激光器的切换逻辑。例如，C₃是增减材复合区域，则第一连续扫描路径中C₃区域中开启增材激光；C₂是增材区域，则第一连续扫描路径中C₂区域中开启增材激光；C₁是减材区域，则第一连续扫描路径中C₁区域中开启减材激光，由此可知，第一连续扫描路径中激光器切换逻辑为，增材激光-增材激光-减材激光-增材激光。

确定第一连续扫描路径和激光器切换逻辑之后，对增减材复合区域单独确定减材。可以理解的是，增减材复合区域必定是先增材后减材，因此，确定第一连续扫描路径和激光器切换逻辑之后，针对增减材复合区域，还需要单独进行减材操作。在一种实施例中，系统中若仅有一个减材激光器，则完成第一连续扫描路径后，开启减材激光，单独完成增减材复合区域的减材操作；在另一种实施例中，系统中若存在多个减材激光器，则可在根据第一连续扫描路径进行打印的过程中，同时对已经完成增材操作的增减材复合区域进行减材操作。这样可以进一步减少打印时间，提高打印效率。

Claims (9)

1.一种基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法包括以下步骤：

1)基于当前层各轮廓线段的角度信息以及角度临界值对轮廓扫描区域进行识别，将轮廓扫描区域分为增材区域、减材区域以及增减材复合区域；

2)根据步骤1)所识别的增材区域、减材区域以及增减材复合区域，确定扫描路径。

2.根据权利要求1所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述步骤1)具体是：

1.1)计算当前层各轮廓线段的角度信息；

1.2)根据步骤1.1)计算得到的角度信息以及待打印材料在打印过程中的角度临界值，将轮廓扫描区域分为增材区域、减材区域以及增减材复合区域。

3.根据权利要求2所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述步骤1.1)计算当前层各轮廓线段的角度信息包括：

通过计算与当前高度轮廓相关的三角面片和基材的角度得到与三角面片对应的当前高度的轮廓线段的角度信息；

或者，通过对比相邻层轮廓差异并结合分层层厚计算各轮廓线段的角度信息。

4.根据权利要求3所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述步骤1.2)中的待打印材料在打印过程中的角度临界值包括第一角度临界值和第二角度临界值，所述第一角度临界值是减材路径和增减材复合路径之间的临界角度值，所述第二角度临界值是增减材复合路径和增材路径之间的临界角度值。

5.根据权利要求4所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：确定所述第一角度临界值包括：

a)基于激光功率、扫描速率以及层厚参数确定待打印材料在打印过程中的熔池宽度width；

b)根据熔池宽度width和层厚thickness得到第一角度临界值，所述第一角度临界值angle的计算公式是：angle＝arctan(thickness/width)。

6.根据权利要求5所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述第二角度临界值是90°。

7.根据权利要求6所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述步骤1.2)中，当角度信息小于等于第一角度临界值时，对应的轮廓线段为减材区域；

当角度信息大于第一角度临界值并小于第二角度临界值时，对应的轮廓线段为增减材复合区域；

当角度信息大于等于第二角度临界值时，对应的轮廓线段为增材区域。

8.根据权利要求6所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述角度临界值的确定方式还包括：对待打印零件在打印过程中的角度临界值进行修正；

所述修正包括：

a)建立历史打印材料的角度临界值数据库，所述数据库存储各历史材料在各打印过程中的理论角度临界值以及实际打印过程中的优选角度临界值；

b)通过对历史打印材料的理论角度临界值和优选角度临界值的误差百分比进行最小二乘法估计，得到最优的误差百分比；

c)基于待打印材料在打印过程中的角度临界值，在所述最优的误差百分比的范围内修正，得到待打印材料实际打印过程中的优选角度临界值。

9.根据权利要求1-8任一项所述的基于增减材复合打印的轮廓扫描路径规划方法，其特征在于：所述步骤2)根据步骤1)所识别的增材区域、减材区域以及增减材复合区域，确定扫描路径包括：

当轮廓扫描区域是增材区域时，有且仅有增材激光扫描；

当轮廓扫描区域是减材区域时，有且仅有减材激光扫描；

当轮廓扫描区域是增减材复合区域时，增材激光扫描优先于减材激光扫描。

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