一種用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，該方法包括下列順序的步驟：（1）根據被加工工件截面的輪廓信息，將待掃描區域分成多個相互之間存在一定間距的蜂窩形子區域；（2）計算出蜂窩形子區域內及蜂窩形子區域間的掃描路徑；（3）高能束在計算機控制下按照上述掃描路徑進行掃描。本發明根據被加工工件截面輪廓的信息，將待掃描區域分成多個互相有一定間距的蜂窩形子區域，計算出蜂窩形子區域內及區域間的掃描路徑；根據不同需要，蜂窩形子區域內及區域間的掃描路徑可以采用現有各種模式；本發明在加工工藝上控制簡單，可以減少制件內應力及形變，提高制件尺寸精度，避免制件開裂現象，增加制件強度。
【專利說明】
一種用于増材制造的蜂窩式分區掃描方法
技術領域
[0001]本發明涉及增材制造技術領域，尤其是一種用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法。
【背景技術】
[0002]增材制造(Additive Manufacturing)，早期稱為快速成形或快速成型(RapidPrototyping，簡稱RP)，是一種快速生成零件或者模型的制造技術，集成了數控技術、機械設計與制造、新材料技術以及計算機應用技術，是多學科綜合的產物，俗稱3D打印。
[0003]在采用PowderBed Fus1n類型技術進行增材制造時，其加工質量受高能束實際作用尺寸、掃描速度、掃描間距、掃描路徑、高能束能量等因素影響。在加工過程中，當粉末材料熔融固化時，由于冷卻的時間順序不同會造成制件非均勻收縮，使得上層材料的收縮會使與之相連的下層材料受到壓應力的作用，而正在冷卻和收縮的上層材料因為有下層已燒結材料的約束，受到拉應力的作用。這種應力嚴重時就會導致已成型層的翹曲變形，嚴重時會產生裂紋，這是Powder Bed Fus1n類型增材制造技術中的一個國際性難題。掃描方式決定著加工層面上的溫度場分布，因此決定了翹曲變形的程度。
[0004]在Powder Bed Fus1n類型的增材制造過程中，目前有一種分區掃描方法，這種方法是將待掃描區域分成正方形子區域，內部采用平行線掃描，同其他不分區的掃描方法相比較，采用這種分區掃描方法有利于降低制件的內應力，但是制件的強度還有待于提高，特別是強度存在方向性。增材制造的應用范圍不斷擴大，特別是已開始用于功能型零件的加工，對制件的精度、強度等評價標準提出了更高的要求，進一步研究合適的掃描路徑，對于提高制件的質量具有重要意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種在實現減少制件的翅曲變形、提尚制件精度的同時，增加制件的強度的用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法。
[0006]為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案:一種用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，該方法包括下列順序的步驟:
(1)根據被加工工件截面的輪廓信息，將待掃描區域分成多個相互之間存在一定間距的蜂窩形子區域；
(2)計算出蜂窩形子區域內及蜂窩形子區域間的掃描路徑；
(3)高能束在計算機控制下按照上述掃描路徑進行掃描。
[0007]所述蜂窩形子區域為規則正六邊形區域，與被加工工件截面輪廓相交的正六邊形區域被輪廓裁剪后呈非規則正六邊形區域。
[0008]所述掃描路徑的模式為三角網格式、平行掃描線格式中的任意一種。
[0009]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑對蜂窩形子區域內的粉末材料進行掃描，所述蜂窩形子區域內是指子區域內及邊緣處被裁剪后的子區域內。
[0010]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑沿蜂窩形子區域的邊界進行掃描。
[0011]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑對蜂窩形子區域間的粉末材料進行掃描;所述蜂窩形子區域間是指子區域之間，以及子區域與邊緣處被裁剪后的子區域之間。
[0012]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑沿被加工工件的截面輪廓進行掃描。
[0013]由上述技術方案可知，本發明的優點在于:第一，本發明根據被加工工件截面輪廓的信息，將待掃描區域分成多個互相有一定間距的蜂窩形子區域，計算出蜂窩形子區域內及區域間的掃描路徑，將熱應力的影響局部化，并降低零件性能方向性;第二，根據不同需要，蜂窩形子區域內及區域間的掃描路徑可以采用現有各種模式，在提高性能的前提下，滿足不同制造效率的需求;第三，本發明在加工工藝上控制簡單，可以減少制件內應力及形變，提高制件尺寸精度，避免制件開裂現象，增加制件強度。
【附圖說明】
[0014]圖1是用于蜂窩式分塊模板生成原理示意圖；
圖2是用于蜂窩式分塊模板生成結果示意圖；
圖3是采用三角網格式路徑掃描蜂窩內部區域的掃描路徑示意圖；
圖4是采用三角網格式路徑掃描蜂窩內部區域并掃描蜂窩邊界的掃描路徑示意圖；
圖5是當蜂窩區域間距較小時蜂窩間區域掃描路徑示意圖；
圖6是采用圖4及圖5所示掃描模式并掃描輪廓邊界的整體一層掃描路徑示意圖；
圖7是采用相同方向的平行掃描線掃描蜂窩內部區域并掃描蜂窩邊界的掃描路徑示意圖；
圖8是采用三組不同方向的平行掃描線掃描蜂窩內部區域的掃描路徑示意圖；
圖9是采用三組不同方向的平行掃描線掃描蜂窩內部區域時掃描方向布置示意圖；
圖10是當蜂窩區域間距較大時蜂窩間區域三角網格式掃描路徑示意圖；
圖11是當蜂窩區域間距較大時采用三種不同方向的平行掃描線蜂窩間區域時掃描路徑示意圖；
圖12是當蜂窩區域間距較大時蜂窩間區域及輪廓一定厚度內三角網格式掃描路徑示意圖；
圖13是相鄰層蜂窩式分塊模板交錯布置的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示，一種用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，該方法包括下列順序的步驟:(I)根據被加工工件截面的輪廓信息，將待掃描區域分成多個相互之間存在一定間距的蜂窩形子區域;該間距保證蜂窩形子區域及邊緣處被裁剪后的子區域被掃描后，激光或其他高能束的實際作用區域互不相連；(2)計算出蜂窩形子區域內及蜂窩形子區域間的掃描路徑；(3)高能束在計算機控制下按照上述掃描路徑進行掃描。所述蜂窩形子區域為規則正六邊形區域，與被加工工件截面輪廓相交的正六邊形區域被輪廓裁剪后呈非規則正六邊形區域。所述高能束采用激光束、電子束、等離子束中的任意一種。所述掃描路徑的模式為三角網格式、平行掃描線格式中的任意一種，根據不同需要，蜂窩形子區域內及區域間的掃描路徑可以采用現有各種模式。
[0016]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑對蜂窩形子區域內的粉末材料進行掃描，所述蜂窩形子區域內是指子區域內及邊緣處被裁剪后的子區域內。
[0017]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑沿蜂窩形子區域的邊界進行掃描。
[0018]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑對蜂窩形子區域間的粉末材料進行掃描;所述蜂窩形子區域間是指子區域之間，以及子區域與邊緣處被裁剪后的子區域之間。
[0019]在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑沿被加工工件的截面輪廓進行掃描。
[0020]實施例一
以某一制件舉例，對該制件的分區掃描方法包括以下步驟:
51.根據制件數字化模型截面輪廓的包圍盒，得到一個正六邊形按一定間距規則排列組合的模板，如圖1所示；
52.利用制件數字化模型的截面輪廓裁剪模板，得到位于輪廓線內部的模板部分，SP蜂窩式分區結果，如圖2所示；
53.在蜂窩形子區域及邊緣處被裁剪后的子區域內以三角網格式掃描路徑進行掃描，如圖3所示;三角網格由三組不同方向的平行掃描線構成，三角網格的三個邊方向分別平行于正六邊形的三個邊方向，各方向掃描線的間距均相同，第三個方向的掃描線通過前兩個方向掃描線的交點，構成整體三角網格路徑；
54.掃描蜂窩形子區域及邊緣處被裁剪后的子區域的邊界，子區域內及邊界的掃描路徑如圖4所示；
55.當蜂窩區域間距較小時，蜂窩間區域掃描路徑如圖5所示;虛線為子區域邊界，蜂窩間區域掃描路徑的有效作用區域部分覆蓋蜂窩形子區域及邊緣處被裁剪后的子區域;激光掃描時，有一個有效作用半徑，所以沿路徑掃描時，有效作用區域有一定寬度，這樣沿蜂窩間區域掃描路徑掃描時，有效作用區域會覆蓋到子區域，這樣可以保證相鄰子區域可靠地固化到一個整體;子區域及其邊界、區域間及截面輪廓的整體掃描路徑如圖6所示。
[0021]實施例二
在此實施例中，子區域內可以采用相同方向的平行掃描線路徑，如圖7所示。
[0022]實施例三
在此實施例中，子區域內可以采用三組不同方向的平行掃描線路徑，如圖8所示。三個方向分別與正六邊形的三個邊方向平行，在設置方向時要保證任何三個相鄰子區域內的掃描方向均不相同，如圖9所示。
[0023]實施例四
在此實施例中，當蜂窩區域間距較大時，采用三角網格式掃描路徑掃描蜂窩間區域，如圖10所示。三角網格由三組不同方向的平行掃描線構成，三角網格的三個邊方向分別平行于正六邊形的三個邊方向，各方向掃描線的間距均相同，第三個方向的掃描線通過前兩個方向掃描線的交點，構成整體三角網格路徑。
[0024]實施例五
在此實施例中，當蜂窩區域間距較大時，采用三種不同方向的平行掃描線掃描蜂窩間區域，如圖11所示。圖5所示簡單掃描路徑將蜂窩間區域又劃分成多個更小的子區域，采用三組不同方向的平行掃描線路徑掃描各子區域，每個子區域內的掃描方向分別與臨近的正六邊形邊方向平行。
[0025]實施例六
在此實施例中，可以輪廓一定厚度內進行掃描，使該區域內的粉末材料經歷重熔融，進一步降低內應力，并提高相鄰層的結合程度。圖12是蜂窩間區域及輪廓一定厚度內三角網格式掃描路徑示意圖。
[0026]相鄰層模板中的正六邊形可以在x-y平面布置在相同位置，也可以交錯布置，圖13為兩層模板交錯布置正三角形的示意圖，分別以實線和虛線表示，第三層模板中正六邊形的布置位置與第一層相同，第四層模板中正六邊形的布置位置與第二層相同，以下類推；同一層中相鄰三個正六邊形的臨近定點的中心對準相鄰層的一個正六邊形的形心或者相鄰三個正六邊形的臨近定點的中心。在相鄰層模板中交錯布置正六邊形有利于減少相鄰層的相互作用，進一步減少內應力。
[0027]綜上所述，本發明根據被加工工件截面輪廓的信息，將待掃描區域分成多個互相有一定間距的蜂窩形子區域，計算出蜂窩形子區域內及區域間的掃描路徑;根據不同需要，蜂窩形子區域內及區域間的掃描路徑可以采用現有各種模式;本發明在加工工藝上控制簡單，可以減少制件內應力及形變，提高制件尺寸精度，避免制件開裂現象，增加制件強度。
【主權項】
1.一種用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，該方法包括下列順序的步驟: (1)根據被加工工件截面的輪廓信息，將待掃描區域分成多個相互之間存在一定間距的蜂窩形子區域； (2)計算出蜂窩形子區域內及蜂窩形子區域間的掃描路徑； (3)高能束在計算機控制下按照上述掃描路徑進行掃描。2.根據權利要求1所述的用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，其特征在于:所述蜂窩形子區域為規則正六邊形區域，與被加工工件截面輪廓相交的正六邊形區域被輪廓裁剪后呈非規則正六邊形區域。3.根據權利要求1所述的用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，其特征在于:所述掃描路徑的模式為三角網格式、平行掃描線格式中的任意一種。4.根據權利要求1所述的用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，其特征在于:在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑對蜂窩形子區域內的粉末材料進行掃描，所述蜂窩形子區域內是指子區域內及邊緣處被裁剪后的子區域內。5.根據權利要求1所述的用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，其特征在于:在步驟(3 )中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑沿蜂窩形子區域的邊界進行掃描。6.根據權利要求1所述的用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，其特征在于:在步驟(3)中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑對蜂窩形子區域間的粉末材料進行掃描;所述蜂窩形子區域間是指子區域之間，以及子區域與邊緣處被裁剪后的子區域之間。7.根據權利要求1所述的用于增材制造的蜂窩式分區掃描方法，其特征在于:在步驟(3 )中，所述高能束在計算機控制下的掃描過程包括由計算機控制高能束按掃描路徑沿被加工工件的截面輪廓進行掃描。
【文檔編號】B22F3/105GK106077638SQ201610374147
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發明人】李維詩, 王雨, 于連棟, 夏豪杰
【申請人】合肥工業大學