CN109648080A - 一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，首先输入零件模型的各层切片文件，然后根据零件结构特征及用户设置确定分区基准线，对零件各层切片进行分区，最后在各分区内进行蛇形扫描规划，蛇形扫描路径包括基准线、圆弧段和直线段。本发明公开的方法通过对切片文件进行蛇形扫描路径规划，能够在扫描过程中提高热输入，维持较高能量，能够有效避免大幅面、大光斑零件加工时冷速过高造成热应力过大或扫描速度低造成烧损而导致的成形质量问题。在提高了零件质量的同时，通过圆弧震荡实现跳转减少，延长了激光器的使用寿命。

Description

一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法。

背景技术

增材制造技术是基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式。其是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型***，利用高能束将材料进行逐层堆积，最终叠加成型，制造出实体产品。

增材制造的工艺方法有很多种，主要分为基于送粉方式和铺粉方式的制造方法。基于铺粉方式的制造方法包括选区激光熔化技术，其加工过程为：先在计算机上设计出零件的三维实体模型，然后通过切分软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，并对得到的各层截面进行扫描路径规划，之后将这些数据导入增材制造设备，铺粉装置按照预定粉末层厚度在成形缸表面铺设一层粉末，设备按照扫描路径控制激光选择性地熔化各层粉末材料，逐步堆叠成三维零件。

目前，对大幅面、大光斑零件按照常规扫描路径规划和扫描时，如图1所示，针对待扫描区域采用相同的工艺参数进行长线扫描加工。若扫描速度过快导致零件冷速过高，容易造成成形过程热应力过大，影响零件成形质量；若扫描速度过低，容易出现烧损，并且成形效率过低。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，解决了现有长线扫描路径的加工方式存在大幅面、大光斑零件加工时成形质量低的问题，同时提高了成形效率。

本发明所采用的技术方案是，一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.输入零件模型的各层切片文件；

步骤2.根据零件结构特征及用户设置确定分区基准线，对零件各层切片进行分区；

步骤3.在各分区内进行蛇形扫描路径规划，蛇形扫描路径包括基准线、圆弧段和直线段。

本发明的其他特点还在于，

步骤2的具体过程如下：

步骤2.1读入用户设置的蛇形路径中直线段的高度H、圆弧段半径R、扫描间距A及光斑的直径D；其中，

步骤2.2根据零件的结构特征及直线段的高度H、圆弧段的半径R、扫描间距A确定各分区基准线的位置，对零件各层切片进行分区；

步骤2.3以扫描间距A为间隔对当前分区基准线进行分段。

步骤3中在各分区内进行蛇形扫描规划的具体过程如下：

步骤3.1选择直线段的扫描路径与分区基准线垂直，在分区基准线上方和下方长度分别为H/2，直线段扫描速度V、激光功率P为固定值，对步骤2.3中各分段依次规划直线段的扫描路径；

步骤3.2选择奇数段在基准线上方规划圆弧段的扫描路径，偶数段在基准线下方规划圆弧段的扫描路径，圆弧段扫描速度V由函数f(D,A,R)得出，激光功率P由函数g(D,A,R)得出，对步骤2.3中各分段依次规划圆弧段的扫描路径；

步骤3.3遍历零件所有切片分区，输出扫描路径。

所述函数f(D,A,R)表示的函数关系为：V＝V₀-V₁*cos(θ)/R，所述函数g(D,A,R)所表示的函数关系为：P＝P₀-P₁*cos(θ)/R；

其中V₀为直线处速度，V₁为固定补偿值，θ为圆弧上一点相较于起始点的角度，P₀为直线处功率，P₁为固定补偿值。

本发明的有益效果是，一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，解决了现有技术中加工条件不易控制，成形效率低的问题。通过对切片文件进行蛇形扫描路径规划，能够在扫描过程中提高热输入，维持较高能量，能够有效避免大幅面、大光斑零件加工时冷速过高造成热应力过大或扫描速度低造成烧损而导致的成形质量问题。在提高了零件质量的同时，通过圆弧震荡实现跳转减少，延长了激光器的使用寿命。此外，用户还可以根据加工要求，自行设定蛇形扫描路径的高度、宽度，从而对能量密度进行控制，保证零件成形质量。

附图说明

图1是现有技术进行长线扫描的路径示意图；

图2是本发明的扫描路径的示意图。

图中，1.基准线，2.圆弧段，3.直线段，4.光斑。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，具体操作过程包括如下步骤，如图2所示：

步骤1.输入零件模型的各层切片文件；

步骤2.根据零件结构特征及用户设置确定分区基准线，对零件各层切片进行分区；

步骤2的具体过程如下：

步骤2.1读入用户设置的蛇形路径中直线段3的高度H、圆弧段2半径R、扫描间距A及光斑4的直径D；其中，

步骤2.2根据零件的结构特征及直线段3的高度H、圆弧段2的半径R、扫描间A确定各分区基准线1的位置，对零件各层切片进行分区；

步骤2.3以扫描间距A为间隔对当前分区基准线进行分段。

步骤3.在各分区内进行蛇形扫描规划，蛇形扫描路径包括基准线1、圆弧段2和直线段3。

步骤3中具体过程如下：

步骤3.1选择直线段3的扫描路径与分区基准线1垂直，在分区基准线1上方和下方长度分别为H/2，直线段扫描速度V、激光功率P为固定值，对步骤2.3中各分段依次规划直线段3的扫描路径；

步骤3.2选择奇数段在基准线1上方规划圆弧段2的扫描路径，偶数段在基准线1下方规划圆弧段2的扫描路径，圆弧段2扫描速度V由函数f(D,A,R)得出，激光功率P由函数g(D,A,R)得出，对步骤2.3中各分段依次规划圆弧段2的扫描路径；

所述函数f(D,A,R)表示的函数关系为：V＝V₀-V₁*cos(θ)/R，所述函数g(D,A,R)所表示的函数关系为：P＝P₀-P₁*cos(θ)/R；

其中V₀为直线处速度，V₁为固定补偿值，θ为圆弧上一点相较于起始点的角度，P₀为直线处功率，P₁为固定补偿值。

步骤3.3遍历零件所有切片分区，输出扫描路径。

本发明的方法主要原理是：在圆弧处激光运动过程中由于机械运动加减速缘故速度以及加速度会发生变化，并且由于是圆弧路径会造成单位面积过热，如果不对功率以及速度进行补偿那么会加剧局部热输入不均匀现象。从而造成局部过热、过烧等情况出现，温度场的不一致会导致热应力出现。轻者有较大热应力，严重的会造成零部件变形、内部金相组织改变等问题出现。

相比现有技术的优势在于：通过对切片文件进行蛇形扫描路径规划，能够在扫描过程中提高热输入，维持较高能量，能够有效避免大幅面、大光斑零件加工时冷速过高造成热应力过大或扫描速度低造成烧损而导致的成形质量问题。在提高了零件质量的同时，通过圆弧震荡实现跳转减少，延长了激光器的使用寿命。此外，用户还可以根据加工要求，自行设定蛇形扫描路径的高度、宽度，从而对能量密度进行控制，保证零件成形质量。

Claims (4)

1.一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，其特征在于，具体操作过程包括如下步骤：

步骤1.输入零件模型的各层切片文件；

步骤2.根据零件结构特征及用户设置确定分区基准线，对零件各层切片进行分区；

步骤3.在各分区内进行蛇形扫描规划，所述蛇形扫描路径包括基准线(1)、圆弧段(2)和直线段(3)。

2.如权利要求1所述的一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：

步骤2.1读入用户设置的蛇形路径中直线段(3)的高度H、圆弧段(2)半径R、扫描间距A及光斑(4)的直径D；其中，

步骤2.2根据零件的结构特征及直线段(3)的高度H、圆弧段(2)的半径R、扫描间距A确定各分区基准线(1)的位置，对零件各层切片进行分区；

步骤2.3以扫描间距A为间隔对当前分区基准线进行分段。

3.如权利要求2所述的一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述步骤3中在各分区内进行蛇形扫描规划的具体过程如下：

步骤3.1选择直线段(3)的扫描路径与分区基准线(1)垂直，在分区基准线(1)上方和下方长度分别为H/2，直线段扫描速度V、激光功率P为固定值，对步骤2.3中各分段依次规划直线段(3)的扫描路径；

步骤3.2选择奇数段在基准线(1)上方规划圆弧段(2)的扫描路径，偶数段在基准线(1)下方规划圆弧段(2)的扫描路径，圆弧段(2)扫描速度V由函数f(D,A,R)得出，激光功率P由函数g(D,A,R)得出，对步骤2.3中各分段依次规划圆弧段(2)的扫描路径；

步骤3.3遍历零件所有切片分区，输出扫描路径。

4.如权利要求3所述的一种用于增材制造三维物体的激光扫描路径规划方法，其特征在于，所述函数f(D,A,R)表示的函数关系为：V＝V₀-V₁*cos(θ)/R，所述函数g(D,A,R)所表示的函数关系为：P＝P₀-P₁*cos(θ)/R；

其中V₀为直线处速度，V₁为固定补偿值，θ为圆弧上一点相较于起始点的角度，P₀为直线处功率，P₁为固定补偿值。