CN117620220A - 一种三维物体的轮廓扫描方法、装置及增材制造设备 - Google Patents

Abstract

一种三维物体的轮廓扫描方法、装置及增材制造设备，其中扫描方法包括：选取待打印制件中当前层同时包含下表面轮廓线和非下表面轮廓线的至少一个闭环轮廓，记作待处理闭环轮廓A；获取待处理闭环轮廓A中下表面轮廓线和非下表面轮廓线的所有衔接点；按照每一衔接点的位置判断是否需要在其所位于的待处理闭环轮廓A上进行移动以获取包含新的下表面轮廓线和新的非下表面轮廓线的待处理闭环轮廓B；获取待打印制件中当前层的所有闭环轮廓，该所有闭环轮廓包含经过上述处理得到的待处理闭环轮廓B；按照每隔N层扫描顺序反向的方式对所有闭环轮廓进行扫描。本发明兼顾实现待打印制件表面质量的提高和打印效率的提高。

Description

一种三维物体的轮廓扫描方法、装置及增材制造设备

技术领域

本申请涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种三维物体的轮廓扫描方法、装置及增材制造设备。

背景技术

增材制造技术是一种通过控制激光器逐层扫描，层层叠加形成三维物体的快速制造技术。其工艺流程如下：首先对工件的三维模型(一般为STL格式)进行切片处理，得到工件每一层的轮廓信息；将粉末状材料均匀地铺洒在工作平台表面上，激光器根据系统指令选择性地熔化粉末；一个截面完成后，再铺上一层新材料，继续有选择性地根据三维物体对应的截面信息进行扫描；按照此方法再对下一个截面进行铺粉扫描，最终得到三维物体。

现有技术中，通常会完成对待打印制件的填充区域扫描之前或者扫描之后，沿轮廓进行一条或多条轮廓线进行扫描，以提升其表面质量。

STL格式的三维模型由若干三角面片拼接而成，每个三角面片通过其法向向量(向量的正向指向三维模型外部)与打印构建方向的夹角大小判断该面是否为下表面。例如设定此夹角阈值为120°，则三维模型中由法向向量与打印构建方向的夹角大于120°的三角面片组成的面即为下表面，其他的面即为非下表面，下表面与切片面相交的交线即为下表面轮廓线，非下表面与切片面相交的交线即为非下表轮廓线。一个完整的闭环轮廓可以由以下几种情形组成：①只有下表面轮廓线，②只有非下表面轮廓线，③即有下表面轮廓线，也有非下表面轮廓线。本发明针对第三种情形的下表面轮廓区域与非下表面轮廓区域的衔接位进行打印策略优化，以提升该部位的成形效果。

目前，一般对于下表面轮廓线采用较低的线能量密度进行扫描，以避免扫描能量过大而导致表面粘粉甚至容易引发翘曲而打印失败，但该部位表面呈现磨砂哑光的色泽状态，而对于非下表面轮廓线一般采用较高的激光线能量密度进行扫描，以获得更为光亮的表面质量。然而，当闭环轮廓属于上述第③情形时，在磨砂哑光表面的下表面轮廓线与光亮表面的非下表面轮廓线之间存在一条泾渭分明的分界线，从微观上看，该分界线存在高度差，影响工件的局部表面质量和尺寸精度，增加了后处理在打磨去除分界线的难度和工作量。而且，轮廓矢量线的起点和终点的熔池形态和能量情况是不一样的，起点相较于终点，起点的能量较高且较凸起，如果在成型方向上，每层轮廓线的起点在相同位置进行累叠，则容易在该位置造成局部凸出粉床而形成翘曲。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种三维物体的轮廓扫描方法、装置及增材制造设备，该三维物体的轮廓扫描方法兼顾实现了待打印制件表面质量的提高和打印效率的提高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三维物体的轮廓扫描方法，包括以下步骤：

步骤S1、选取待打印制件中当前层同时包含下表面轮廓线和非下表面轮廓线的至少一个闭环轮廓，记作待处理闭环轮廓A；

步骤S2、获取待处理闭环轮廓A中下表面轮廓线和非下表面轮廓线的所有衔接点；

步骤S3、按照每一衔接点的位置判断是否需要在其所位于的待处理闭环轮廓A上进行移动以获取包含新的下表面轮廓线和新的非下表面轮廓线的待处理闭环轮廓B；

步骤S4、获取待打印制件中当前层的所有闭环轮廓，该所有闭环轮廓包含经过上述步骤S1-步骤S3处理得到的待处理闭环轮廓B；按照每隔N层扫描顺序反向的方式对所有闭环轮廓进行扫描，且对所有闭环轮廓包含的所有下表面轮廓线采用第一打印参数进行扫描；对所有闭环轮廓包含的所有非下表面轮廓线采用第二打印参数进行扫描。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤S3具体包括：

步骤S31、对于待处理闭环轮廓中下表面轮廓线和非下表面轮廓线的所有衔接点按照以下方式进行处理：

当衔接点位于折线的拐点，该衔接点为原来的衔接点，不需要移动，记作衔接点A；

当衔接点位于弧线上，该衔接点在预设区间段内随机移动得到新的衔接点，记作衔接点B；其中，所述预设区间段以该衔接点为起点，且沿着其所位于的待处理闭合轮廓B分别向两侧移动第一预设距离得到；

步骤S32、获取通过上述步骤S31处理得到的待处理闭环轮廓B，该待处理轮廓包含具有衔接点A和衔接点B的新的下表面轮廓线和新的非下表面轮廓线。

作为本发明的进一步优选方案，所述预设区间段以该衔接点为中心点，且所述第一预设距离为1mm。

作为本发明的进一步优选方案，在上述步骤S4执行后，所述三维物体的轮廓扫描方法还包括：

选取所有下表面轮廓线，对每一条下表面轮廓线在其切片平面内沿其垂直方向并向远离待打印制件实体外平行移动第二预设距离形成偏置轮廓线；

对所述偏置轮廓线按照第一打印参数进行扫描。

作为本发明的进一步优选方案，所述第二预设距离为下表面轮廓线熔道宽度与非下表面轮廓线熔道宽度之差的二分之一。

作为本发明的进一步优选方案，所述N的取值范围为1-5。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一打印参数和第二打印参数均包括激光线能量密度。

作为本发明的进一步优选方案，所述第一打印参数的激光线能量密度小于第二打印参数的激光线能量密度。

本发明还提供了一种三维物体的轮廓扫描装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现杉树任一项所述的三维物体的轮廓扫描方法的步骤。

本发明还提供了一种增材制造设备，包括上述所述的三维物体的轮廓扫描装置。

本发明的三维物体的轮廓扫描方法、装置及增材制造设备，一方面，通过按照每隔N层扫描顺序反向的方式对所有闭环轮廓进行扫描，可使得轮廓的扫描矢量的起点和终点在每隔N层发生变化(反向)，从而使扫描矢量起点和终点在局部交替且交错出现，在扫描成型过程中能有效修复扫描矢量起点的熔池突起和扫描矢量终点的熔池凹坑，避免在构建方向上相邻层的轮廓起点进行反复累叠，从而抑制轮廓局部凸出粉床而发生翘曲，提升表面质量和打印成功率；另一方面，根据待打印制件的形状采取相应的策略，即当衔接点位于折线的拐点时，此位置对于表面质量和精度的要求不是很高，仅采用上述每隔N层反向扫描能够达到，因此，可以不需要移动该衔接点，这样简化了处理程序，提高了工作效率；而当衔接点位于弧线上，此位置对于表面质量和精度要求非常高，由于下表面轮廓线的起点或终点和非下表面轮廓线的终点或起点在熔池形态和能量方面不一样，起点相较于终点，起点的能量较高且较凸起，如果在成型方向上，每个衔接点在相同位置进行累叠，容易在该位置造成局部凸出粉床而形成翘曲，因此，本申请针对这情形，控制该衔接点在预设区间段内随机移动得到新的衔接点，这样可使衔接点在预设区间段内相互错开，错开位置是随机的，从而最大程度地防止了下表面轮廓线线与非下表面轮廓线线之间产生有规律的分界线，即提高了待打印制件的烧结质量。

因此，本发明的三维物体的轮廓扫描方法、装置及增材制造设备兼顾实现了待打印制件表面质量的提高和打印效率的提高。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的待打印制件提供的立体展示图一；

图2为本发明实施例一提供的待打印制件提供的立体展示图二；

图3为本发明实施例一提供的待打印制件的前视图；

图4为本发明实施例一提供的待打印制件的右视图一；

图5为本发明实施例一提供的待打印制件的右视图二；

图6为本发明实施例一提供的待打印制件的第N-1层截面轮廓线矢量示意图；

图7为本发明实施例一提供的待打印制件的第N层截面轮廓线矢量示意图；

图8为本发明实施例一提供的待打印制件的第N+1层截面轮廓线矢量示意图；

图9为本发明实施例二提供的待打印制件的前视图一；

图10为本发明实施例二提供的待打印制件的前视图二；

图11为本发明实施例三提供的待打印制件的第N层截面轮廓线矢量示意图；

图中标记：

1、下表面轮廓区域，2、第N-1层截面，3、第N层截面，4、第N+1层截面，5、非下表面轮廓区域，6、下表面轮廓区域和非下表面轮廓区域的衔接位置，Z、建造方向，7、下表面轮廓线，8、非下表面轮廓线，9、预设区间段，10、偏置轮廓线。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例一

如图1-图5所示，该实施例的三维物体的轮廓扫描方法，包括以下步骤：

步骤11、选取待打印制件中当前层同时包含下表面轮廓线7和非下表面轮廓线8的至少一个闭环轮廓，记作待处理闭环轮廓A；例如，在具体实施中，待处理闭环轮廓A可为一个或多个，每个待处理闭环轮A均参照下述步骤11和12进行处理；

步骤12、获取待处理闭环轮廓A中下表面轮廓线7和非下表面轮廓线8的所有衔接点；在具体实施中，衔接点的数量可为一个或多个，其中，每个衔接点参照下述步骤13进行处理；

步骤13、按照每一衔接点的位置判断是否需要在其所位于的待处理闭环轮廓A上进行移动以获取包含新的下表面轮廓线7和新的非下表面轮廓线8的待处理闭环轮廓B；

该步骤13具体包括：

步骤131、对于待处理闭环轮廓中下表面轮廓线7和非下表面轮廓线8的所有衔接点按照以下方式进行处理：

当衔接点位于折线的拐点，该衔接点为原来的衔接点，不需要移动，记作衔接点A(此实施例不存在这一情形)；

当衔接点位于弧线上(如图3-图5所示)，该衔接点在预设区间段9内随机移动得到新的衔接点，记作衔接点B；其中，所述预设区间段9以该衔接点为起点，且沿着其所位于的待处理闭合轮廓B分别向两侧移动第一预设距离得到；在此需说明的是，由于待打印制件形状的不同(例如异形制件，其可能在相同层或者不同层，同时存在位于折现拐点的衔接点，以及位于弧形上的衔接点)；图6-图8分别示出了移动后的第N-1层截面2轮廓线矢量示意图、第N层截面3轮廓线矢量示意图和第N+1层截面4轮廓线矢量示意图。

优选地，为了随机移动更准确，以尽可能提高烧结质量，所述预设区间段9以该衔接点为中心点，且所述第一预设距离为1mm。

步骤132、获取通过上述步骤131处理得到的待处理闭环轮廓B，该待处理轮廓包含具有衔接点A和衔接点B的新的下表面轮廓线7和新的非下表面轮廓线8。

步骤14、获取待打印制件中当前层的所有闭环轮廓，该所有闭环轮廓包含经过上述步骤11-步骤13处理得到的待处理闭环轮廓B；按照每隔N层扫描顺序反向的方式对所有闭环轮廓进行扫描，且对所有闭环轮廓包含的所有下表面轮廓线7采用第一打印参数进行扫描；对所有闭环轮廓包含的所有非下表面轮廓线8采用第二打印参数进行扫描。

该步骤14中的按照每隔N层扫描顺序反向的方式对所有闭环轮廓进行扫描，其是指从待打印制件的第一层开始，第一层-第N层的所有闭环轮廓的扫描顺序为A，而第N+1层-第2N层的所有闭环轮廓的扫描顺序为B(B与A扫描顺序相反，例如，当A为顺时针扫描，B为逆时针扫描；当A为逆时针扫描，B为顺时针扫描)，依次类推。具体实施中，所述N的取值范围是1-5，优选取值为1，如图6-8所示，相邻两层的扫描顺序相反。

具体实施中，所述第一打印参数和第二打印参数均包括激光线能量密度，所述第一打印参数的激光线能量密度小于第二打印参数的激光线能量密度，进一步优选地，为了更好地保证制件的烧结精度，所述第一打印参数的激光线能量密度与第二打印参数的激光线能量密度的比值为1:5-1:2。其中，激光线能量密度由激光功率、扫描速度和层厚参数确定，具体地，激光线能量密度＝(激光功率/扫描速度)/层厚。当然，在具体实施中，根据打印需要第一打印参数和第二打印参数还可以包括其它打印参数，在此不做一一介绍。

本申请的下表面轮廓区域1由若干下表面轮廓线7组成；而非下表面轮廓区域5由若干非下表面轮廓线8组成；若干预设区间段9形成了下表面轮廓区域和非下表面轮廓区域的衔接位置6；Z为增材制造成型过程的建造方向Z。

实施例二

该实施例的三维物体的轮廓扫描方法，包括以下步骤：

步骤21、选取待打印制件中当前层同时包含下表面轮廓线7和非下表面轮廓线8的至少一个闭环轮廓，记作待处理闭环轮廓A；例如，在具体实施中，待处理闭环轮廓A可为一个或多个；

步骤22、获取待处理闭环轮廓A中下表面轮廓线7和非下表面轮廓线8的所有衔接点；在具体实施中，衔接点的数量可为一个或多个；

步骤23、按照每一衔接点的位置判断是否需要在其所位于的待处理闭环轮廓A上进行移动以获取包含新的下表面轮廓线7和新的非下表面轮廓线8的待处理闭环轮廓B；

该步骤23具体包括：

步骤231、对于待处理闭环轮廓中下表面轮廓线7和非下表面轮廓线8的所有衔接点按照以下方式进行处理：

当衔接点位于折线的拐点(如图9-图10所示)，该衔接点为原来的衔接点，不需要移动，记作衔接点A；

当衔接点位于弧线上，该衔接点在预设区间段9内随机移动得到新的衔接点，记作衔接点B；其中，所述预设区间段9以该衔接点为起点，且沿着其所位于的待处理闭合轮廓B分别向两侧移动第一预设距离得到(此实施例不存在这一情形)；在此需说明的是，由于待打印制件形状的不同(例如异形制件，其可能在相同层或者不同层，同时存在位于折现拐点的衔接点，以及位于弧形上的衔接点)；

步骤232、获取通过上述步骤231处理得到的待处理闭环轮廓B，该待处理轮廓包含具有衔接点A和衔接点B的新的下表面轮廓线7和新的非下表面轮廓线8。

步骤24、获取待打印制件中当前层的所有闭环轮廓，该所有闭环轮廓包含经过上述步骤21-步骤23处理得到的待处理闭环轮廓B；按照每隔N层扫描顺序反向的方式对所有闭环轮廓进行扫描，且对所有闭环轮廓包含的所有下表面轮廓线7采用第一打印参数进行扫描；对所有闭环轮廓包含的所有非下表面轮廓线8采用第二打印参数进行扫描。

实施例三

该实施例的技术方案与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于，该实施例是在实施例一的基础上进行了进一步优化，即在实施例一的基础上还包括以下步骤：

选取所有下表面轮廓线7，对每一条下表面轮廓线7在其切片平面内沿其垂直方向并向远离待打印制件实体外平行移动第二预设距离形成偏置轮廓线10；具体实施中，所述第二预设距离为下表面轮廓线熔道宽度与非下表面轮廓线熔道宽度之差的二分之一；

对所述偏置轮廓线10按照第一打印参数进行扫描(如图11所示)。

该实施例，可以更好地避免下表面轮廓线7因烧结的激光线能量密度比非下表面轮廓线8更低、熔池宽度更窄而可能导致的衔接位置存在明显台阶的问题，即进一步提高了待打印制件的烧结质量。

在此需说明的是，本申请仅针对一个待打印制件的轮廓扫描进行了描述，在具体实施中，可同时打印多个待打印制件，即当前层可能包含多个待打印制件的工作包，每个待打印制件参照本申请的上述方案(例如，实施例一—实施例三)执行，在此不做重复阐述。

实施例四

该实施例提供了一种三维物体的轮廓扫描装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现杉树任一实施例所述的三维物体的轮廓扫描方法的步骤。

实施例五

该实施例提供了一种增材制造设备，包括上述实施例四所述的三维物体的轮廓扫描装置。

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

Claims (10)

1.一种三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、选取待打印制件中当前层同时包含下表面轮廓线和非下表面轮廓线的至少一个闭环轮廓，记作待处理闭环轮廓A；

步骤S2、获取待处理闭环轮廓A中下表面轮廓线和非下表面轮廓线的所有衔接点；

步骤S3、按照每一衔接点的位置判断是否需要在其所位于的待处理闭环轮廓A上进行移动以获取包含新的下表面轮廓线和新的非下表面轮廓线的待处理闭环轮廓B；

步骤S4、获取待打印制件中当前层的所有闭环轮廓，该所有闭环轮廓包含经过上述步骤S1-步骤S3处理得到的待处理闭环轮廓B；按照每隔N层扫描顺序反向的方式对所有闭环轮廓进行扫描，且对所有闭环轮廓包含的所有下表面轮廓线采用第一打印参数进行扫描；对所有闭环轮廓包含的所有非下表面轮廓线采用第二打印参数进行扫描。

2.根据权利要求1所述的三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

步骤S31、对于待处理闭环轮廓中下表面轮廓线和非下表面轮廓线的所有衔接点按照以下方式进行处理：

当衔接点位于折线的拐点，该衔接点为原来的衔接点，不需要移动，记作衔接点A；

当衔接点位于弧线上，该衔接点在预设区间段内随机移动得到新的衔接点，记作衔接点B；其中，所述预设区间段以该衔接点为起点，且沿着其所位于的待处理闭合轮廓B分别向两侧移动第一预设距离得到；

步骤S32、获取通过上述步骤S31处理得到的待处理闭环轮廓B，该待处理轮廓包含具有衔接点A和衔接点B的新的下表面轮廓线和新的非下表面轮廓线。

3.根据权利要求2所述的三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，所述预设区间段以该衔接点为中心点，且所述第一预设距离为1mm。

4.根据权利要求1所述的三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，在上述步骤S4执行后，所述三维物体的轮廓扫描方法还包括：

选取所有下表面轮廓线，对每一条下表面轮廓线在其切片平面内沿其垂直方向并向远离待打印制件实体外平行移动第二预设距离形成偏置轮廓线；

对所述偏置轮廓线按照第一打印参数进行扫描。

5.根据权利要求4所述的三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，所述第二预设距离为下表面轮廓线熔道宽度与非下表面轮廓线熔道宽度之差的二分之一。

6.根据权利要求1至5任一项所述的三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，所述N的取值范围为1-5。

7.根据权利要求6所述的三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，所述第一打印参数和第二打印参数均包括激光线能量密度。

8.根据权利要求7所述的三维物体的轮廓扫描方法，其特征在于，所述第一打印参数的激光线能量密度小于第二打印参数的激光线能量密度。

9.一种三维物体的轮廓扫描装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的三维物体的轮廓扫描方法的步骤。

10.一种增材制造设备，其特征在于，包括权利要求9所述的三维物体的轮廓扫描装置。