CN103752823B - 一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法。根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，激光束在计算机的控制下，按照扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。本发明以三组平行的直线扫描路径，最终构成三角网格形状的整体路径。该方法在工艺上控制简单，实用性强，可以增加制件强度，减少制件形变，提高制件尺寸精度。

Description

一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体为一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing)，也称快速成形或快速成型(RapidPrototyping，简称RP)，是一种快速制造零件或者模型的新技术，集成了数控技术、机械设计与制造、新材料技术以及计算机应用技术，是多学科综合的产物。增材制造俗称3D打印。
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)工艺由Carl Dechard博士和他的导师Joe Beaman博士于19世纪80年代中期在美国德克萨斯大学奥斯汀分校研制成功，并进行了商业化开发。SLS工艺利用粉末状材料成形：(1)将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；(2)用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；(3)材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；(4)当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面，经过若干层的扫描烧结叠加，最后完成整个原型或者工件的制造。
在选择性激光烧结制造过程中，其加工质量受激光光斑尺寸、扫描速度、扫描间距、扫描路径、激光器发出激光能量等因素影响。在加工过程中，当粉末材料熔融固化时，由于冷却的时间顺序不同会造成制件非均匀收缩，使得上层材料的收缩会使与之相连的下层材料受到压应力的作用，而正在冷却和收缩的上层材料因为有下层材料的约束，而受到拉应力的作用，这种应力严重时就会导致已成型层的翘曲变形，严重时会产生裂纹，这是选择性激光烧结制造中的一个国际性难题。激光束的扫描方式决定着加工层面上的温度场分布，因此决定了翘曲变形的程度。
在选择性激光烧结制造过程中，目前采用的填充扫描方式主要可以分为平行线扫描、轮廓等距线扫描、以及平行线与轮廓等距线混合式扫描。采用混合式扫描时，界面轮廓的边界按轮廓等距线扫描；内部按平行线扫描。平行线扫描只需快速成型机一个轴运动，扫描速度快。而且扫描算法简单，所以程序也较简单，容易实现。选择性激光烧结技术的应用范围不断扩大，对制件的精度等评价标准提出了更高的要求，进一步的研究出合适的激光束扫描路径，对于提高选择性激光烧结所制造出工件的质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，以实现在减少制件的翘曲变形，提高制件的精度的同时，增加制件的强度。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，所述激光扫描路径为三组平行的直线扫描路径构成的三角网格状整体扫描路径，每组直线扫描路径由直线状的规则性线条构成，激光束在计算机的控制下，按照激光扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。
所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：每组内的线条互相平行，三组线条分别沿三个不同方向布置，三组线条之间相交，扫描后形成三角网格状的扫描轨迹，三角网格中每个三角形都为正三角形。
所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：激光束在计算机控制下扫描过程为：
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿x/y轴进行扫描，产生一系列与x/y轴平行的扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成60°的方向上进行扫描，产生一系列与x/y轴成60°的扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成120°的方向上进行扫描，产生一系列与x/y轴成120°的扫描轨迹；
由计算机控制激光束沿工件的截面轮廓进行扫描。
所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：各个方向扫描过程顺序不分先后。
所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：每个方向扫描中相邻路径间距相同。
所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：第三个方向扫描轨迹经过前两个方向扫描轨迹的交点
所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：扫描轨迹交点经历三次激光熔接。
本发明提供了一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，根据截面轮廓的信息，激光束在计算机的控制下，对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，扫描路径相交，最终构成三角网格状的整体路径。扫描路径交点处得到三次激光熔接，对于选择性激光烧结可以提高相邻层的结合程度。本发明在工艺上控制简单，实用性强，可以增加制件强度，减少制件形变，提高整个制件尺寸精度。
附图说明
图1是用于选择性激光烧结的三角网格状扫描路径生成原理示意图。
图2是用于选择性激光烧结的三角网格状扫描路径生成结果示意图。
图3是激光束沿x轴方向进行扫描结果示意图。
图4是激光束沿与x轴成120°的方向上进行扫描结果示意图。
图5是激光束沿与x轴成60°的方向上进行扫描结果示意图。
图6是激光束沿截面轮廓线扫描结果示意图。
图7是激光束沿截面轮廓线的等距线扫描结果示意图。
图8是激光束沿x轴方向进行低分辨率扫描结果示意图。
图9是激光束沿与x轴成120°的方向上进行低分辨率扫描结果示意图。
图10是激光束沿与x轴成60°的方向上进行低分辨率扫描结果示意图。
图11是激光束沿x轴方向进行细分扫描结果示意图。
图12是激光束沿与x轴成120°的方向上进行细分扫描结果示意图。
图13是激光束沿与x轴成60°的方向上进行细分扫描结果示意图。
图14是激光束沿截面轮廓线扫描结果示意图。
图15是激光束沿截面轮廓线的等距线扫描结果示意图。
图16是选择性激光烧结的三角网格形状扫描路径生成中三层模板交错布置示意图。
具体实施方式
一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，激光扫描路径为三组平行的直线扫描路径构成的三角网格状整体扫描路径，每组直线扫描路径由直线状的规则性线条构成，激光束在计算机的控制下，按照激光扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。
激光束在计算机控制下扫描过程为：
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿x/y轴进行扫描，产生一系列与x/y轴平行的扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成60°的方向上进行扫描，产生一系列与x/y轴成60°的扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成120°的方向上进行扫描，产生一系列与x/y轴成120°的扫描轨迹；
由计算机控制激光束沿工件的截面轮廓进行扫描。
各个扫描过程顺序不分先后。
每个方向扫描中相邻路径间距相同。
第三个方向扫描轨迹经过前两个方向扫描轨迹的交点
扫描轨迹交点经历三次激光熔接。
本发明主要包括步骤：
S1.根据制件数字化模型的截面轮廓的包围盒，得到一个正三角形规则排列组合的模板，要求模板的边界线完全位于包围盒的外部如图1所示。
S2.利用制件数字化模型的截面轮廓裁剪模板，得到位于轮廓线内部的模板部分，即整体扫描路径如图2所示。
S3.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿x轴进行扫描，产生一系列与x轴平行的扫描轨迹如图3所示。
S4.按照整体扫描路径，先由计算机控制激光束沿与x轴成120°的方向上进行扫描，产生一系列与x轴成120°的扫描轨迹如图4所示。
S5.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿与x轴成60°的方向上进行扫描，产生一系列与x轴成60°且通过前两次扫描轨迹交点的扫描轨迹如图5所示。由于扫描路径相交，这些交点经历三次激光熔接；
S6.由计算机控制激光束沿工件的截面轮廓进行扫描如图6所示，根据需要可以沿工件的截面轮廓线的等距线进行扫描(图7)，进一步提高制件强度。
所产生的各方向的平行扫描轨迹间距相同，即L1＝L2＝L3。
实施例一：
一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，主要包括步骤：
S1.根据制件数字化模型的截面轮廓的包围盒，得到一个正三角形规则排列组合的模板，要求模板的边界线完全位于包围盒的外部如图1所示。
S2.利用制件数字化模型的截面轮廓裁剪模板，得到位于轮廓线内部的模板部分，即整体扫描路径如图2所示。
S3.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿x轴进行激光扫描，产生一系列与x轴平行的扫描轨迹如图3所示。
S4.按照整体扫描路径，先由计算机控制激光束沿与x轴成120°的方向上进行扫描，产生一系列与x轴成120°的扫描轨迹如图4所示。
S5.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿与x轴成60°的方向上进行扫描，产生一系列与x轴成60°且通过前两次扫描轨迹交点的扫描轨迹如图5所示。由于扫描路径相交，这些交点经历三次激光熔接；
S6.由计算机控制激光束沿工件的截面轮廓进行扫描如图6所示，根据需要可以沿工件的截面轮廓线的等距线进行扫描如图7所示，进一步提高制件强度。
所产生的各方向的平行扫描轨迹相互间距相同，即L1＝L2＝L3。
实施例二：
一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，主要包括步骤：
S1.根据制件数字化模型截面轮廓的包围盒，得到一个正三角形规则排列组合的模板，要求模板的边界线完全位于包围盒的外部如图1所示。
S2.利用制件数字化模型的截面轮廓裁剪模板，得到位于轮廓线内部的模板部分，即整体扫描路径如图2所示。
S3.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿x轴进行低分辨率激光扫描，产生一系列与x轴平行的扫描轨迹如图8所示。
S4.按照整体扫描路径，先由计算机控制激光束沿与x轴成120°的方向上进行低分辨率扫描，产生一系列与x轴成120°的扫描轨迹如图9所示。
S5.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿与x轴成60°的方向上进行低分辨率扫描，产生一系列与x轴成60°且通过前两次扫描轨迹交点的扫描轨迹如图10所示。由于扫描路径相交，这些交点经历三次激光熔接；
S6.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿x轴进行细分扫描，产生一系列与x轴平行的扫描轨迹如图11所示。
S7.按照整体扫描路径，先由计算机控制激光束沿与x轴成120°的方向上进行细分扫描，产生一系列与x轴成120°的扫描轨迹如图12所示。
S8.按照整体扫描路径，由计算机控制激光束沿与x轴成60°的方向上进行细分扫描，产生一系列与x轴成60°的且通过前两次扫描轨迹交点扫描轨迹如图13所示。由于扫描路径相交，这些交点经历三次激光熔接；
S9.由计算机控制激光束沿工件的截面轮廓进行扫描如图14所示。根据需要可以沿工件的截面轮廓线的等距线进行扫描如图15所示，进一步提高制件强度。
在低分辨率扫描和细分扫描阶段，所产生的各方向的平行扫描轨迹间距相同。
相邻层模板中的正三角形可以在x-y平面布置在相同位置，也可以交错布置，图16为三层模板交错布置正三角形的示意图，第四层模板中正三角形的布置位置与第一层相同。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (7)

1.一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：根据截面轮廓的信息，计算出截面轮廓内的激光扫描路径，所述激光扫描路径为三组平行的直线扫描路径构成的三角网格状整体扫描路径，每组直线扫描路径由直线状的规则性线条构成，激光束在计算机的控制下，按照激光扫描路径对制件的实心部分所在的金属粉末进行扫描，直接制造出工件。
2.根据权利要求1所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：每组内的线条互相平行，三组线条分别沿三个不同方向布置从而三组线条之间相交，扫描后形成三角网格状的扫描轨迹，三角网格中每个三角形都为正三角形。
3.根据权利要求1所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：激光束在计算机控制下扫描过程为：
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿x/y轴进行扫描，产生一系列与x/y轴平行的扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成60°的方向上进行扫描，产生一系列与x/y轴成60°的扫描轨迹；
由计算机控制激光束按激光扫描路径沿与x/y轴成120°的方向上进行扫描，产生一系列与x/y轴成120°的扫描轨迹；
由计算机控制激光束沿工件的截面轮廓进行扫描。
4.根据权利要求3所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：各个扫描过程顺序不分先后。
5.根据权利要求3所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：每个方向扫描中相邻路径间距相同。
6.根据权利要求3所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：第三个方向扫描轨迹经过前两个方向扫描轨迹的交点。
7.根据权利要求3所述的一种用于选择性激光烧结的三角网格式激光扫描方法，其特征在于：扫描轨迹交点经历三次激光熔接。
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