CN109648856B - 一种3d打印机的加工时间估算方法 - Google Patents

一种3d打印机的加工时间估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印机的加工时间估算方法，包括：步骤一、将工艺参数包输入3D打印机的主机内，根据工艺参数包进行标准件模拟成形，采集标准件模拟成形过程的加工数据，根据加工数据计算标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间；步骤二、以标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间作为加工零件的支撑成形速度、面成形速度、轮廓成形速度以及单层铺粉时间，结合零件的支撑表面积、实体体积、零件表面积以及零件高度，计算零件的总加工时间。计算效率高，使用方便，无需多次实际加工数据的积累，可以更快速获得新工艺的加工时间。

Description

一种3D打印机的加工时间估算方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印机的加工时间估算方法。
背景技术
目前，3D打印机打印产品模型的加工时间估算方法主要有两种，一种通过计算实际平均体积成形速度，一种通过理论计算，通过扫描速度与空跳时间等步骤的速度，以总加工面积等数据与之相除。前者存在需要多次加工才可以获得初试数据，且偏差较大的问题；后者存在计算量过大，对硬件要求过高的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种使用方便、计算效率高的3D打印机的加工时间估算方法，以克服现有技术的上述缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种3D打印机的加工时间估算方法，包括：步骤一、将工艺参数包输入3D打印机的主机内，根据工艺参数包进行标准件模拟成形，采集标准件模拟成形过程的加工数据，根据加工数据计算标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间；步骤二、以标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间作为加工零件的支撑成形速度、面成形速度、轮廓成形速度以及单层铺粉时间，结合零件的支撑表面积、实体体积、零件表面积以及零件高度，计算零件的总加工时间。
优选地，在步骤一中，标准件模拟成形过程具有最小循环周期，单次最小循环周期内加工n层，采集m次最小循环周期的加工数据，根据m次最小循环周期的加工数据计算标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间。
优选地，在步骤一中，标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间的计算公式分别为：
Figure BDA0001912397130000011
Figure BDA0001912397130000012
Figure BDA0001912397130000021
Figure BDA0001912397130000022
式中，
Figure BDA0001912397130000023
为标准件的平均支撑成形速度，Supportstandard为标准件单层支撑的长度，∑TimeSupportj为m次最小循环周期内的支撑加工总时间；
Figure BDA0001912397130000024
为标准件的平均面成形速度，Aerastandard为标准件单层实体的面积，∑TimeAeraj为m次最小循环周期内的实体加工总时间；
Figure BDA0001912397130000025
为标准件的平均轮廓成形速度，Outlinestandard为标准件单层轮廓的周长，∑TimeOutlinej为m次最小循环周期内的轮廓加工总时间；
Figure BDA0001912397130000026
为标准件的平均单层铺粉时间；∑tj为m次最小循环周期内的铺粉总时间。
优选地，在步骤二中，零件的总加工时间的计算公式为：
Figure BDA0001912397130000027
式中，Total为零件的总加工时间，p为零件的总层数；
Figure BDA0001912397130000028
为零件单层支撑的长度，vo为零件的支撑成形速度，且
Figure BDA0001912397130000029
Figure BDA00019123971300000210
为零件单层实体的面积，vs为零件的支撑成形速度，且
Figure BDA00019123971300000211
Figure BDA00019123971300000212
为零件单层轮廓的周长，vl为零件的支撑成形速度，且
Figure BDA00019123971300000213
ti为零件的单层铺粉时间，且
Figure BDA00019123971300000214
优选地，在步骤二中，设定零件的支撑表面积、实体体积以及零件表面积分别满足以下公式：
Figure BDA00019123971300000215
Figure BDA00019123971300000216
Figure BDA00019123971300000217
式中，d为零件单层厚度，Aerasupport为零件的支撑表面积，Volume为零件的实体体积，Aerapart为零件表面积。
优选地，在步骤一中，记录：标准件第j层的支撑开始加工时间点为Tj1，标准件第j层的实体开始加工时间点为Tj2，标准件第j层的轮廓开始加工时间点为Tj3，标准件第j层开始铺粉加工的时间点为Tj4；得到：标准件第j层的支撑加工时间为TimeSupportj＝Tj2-Tj1，标准件第j层的实体加工时间为TimeAeraj＝Tj3-Tj2，标准件第j层的轮廓加工时间为TimeOutlinej＝Tj4-Tj3，标准件第j层的铺粉时间为tj＝Tj+11-Tj4。
与现有技术相比，本发明具有显著的进步：
本发明的3D打印机的加工时间估算方法具有高度的独立性，仅需在短时间的试运行(标准件模拟成形)后，即可读出当前工艺参数包的加工时间估算的相关参数，计算效率高，可自由脱离打印设备后在其它电脑上进行生产效率预估，使用方便，无需多次实际加工数据的积累，可以更快速获得新工艺参数包的加工时间。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种3D打印机的加工时间估算方法。本实施例的3D打印机的加工时间估算方法是用于对零件通过3D打印机加工成形需要的加工时间进行估算的方法。在3D打印技术领域，针对各种零件，为实现其3D打印成形，研发有相应的工艺参数包，将工艺参数包输入3D打印机的主机内，3D打印机的主机则可根据该工艺参数包控制3D打印机逐层打印模型，每层的打印包括支撑的加工、实体的加工、轮廓的加工以及铺粉加工，最终完成相应零件的打印成形，获得需要的零件，这是本领域技术人员所知晓的现有技术，本文不予赘述。
本实施例的3D打印机的加工时间估算方法包括以下步骤：
步骤一、在零件的工艺参数包研发完成后，将工艺参数包输入3D打印机的主机内，3D打印机的主机先根据工艺参数包进行一次标准件模拟成形。所述标准件包括具有规则形状的实体(如50×50mm的正方体)和支撑(如高度为10mm)，所述模拟成形是指3D打印机的主机只出具信号，无激光器激发无正式出光，由此对标准件进行模拟扫描。采集标准件模拟成形过程的加工数据，根据加工数据计算标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间。
具体地，在标准件模拟成形过程中，由3D打印机的主机记录标准件各层的支撑、实体、轮廓及铺粉加工开始时间点，分别记为：标准件第j层的支撑开始加工时间点为Tj1，标准件第j层的实体开始加工时间点为Tj2，标准件第j层的轮廓开始加工时间点为Tj3，标准件第j层开始铺粉加工的时间点为Tj4，j为正整数。由此可以得到：标准件第j层的支撑加工时间为TimeSupportj＝Tj2-Tj1，标准件第j层的实体加工时间为TimeAeraj＝Tj3-Tj2，标准件第j层的轮廓加工时间为TimeOutlinej＝Tj4-Tj3，标准件第j层的铺粉时间为tj＝Tj+11-Tj4。
通常，零件的工艺参数包存在最小循环周期，在一次最小循环周期内，3D打印机的扫描方向会旋转多次，即打印多层，由于加工策略的不同，一次最小循环周期内各层的加工时间会存在一定的不一致，但每次最小循环周期内的支撑成形速度、面成形速度、轮廓成形速度、每个面的速度理论上应完全一致，因此可以用面加工的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度、速度来表征。此外，由于铺粉的机械动作则每次都完全一致，因此可以直接对总的铺粉时间求平均值。
故，本实施例中，标准件模拟成形过程具有最小循环周期，单次最小循环周期内加工n层，n为正整数，n的数值由标准件的尺寸确定。采集m次最小循环周期的加工数据，m为正整数，m的数值由标准件的尺寸确定。根据m次最小循环周期的加工数据计算标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间，由此获得面加工的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间。
标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间的计算公式分别为：
Figure BDA0001912397130000041
Figure BDA0001912397130000042
Figure BDA0001912397130000043
Figure BDA0001912397130000044
式(1)中：
Figure BDA0001912397130000045
为标准件的平均支撑成形速度；
Supportstandard为标准件单层支撑的长度，由标准件的支撑的尺寸确定；
∑TimeSupportj为m次最小循环周期内的支撑加工总时间，通过对m次最小循环周期内各层的支撑加工时间TimeSupportj求和得到。
式(2)中：
Figure BDA0001912397130000046
为标准件的平均面成形速度；
Aerastandard为标准件单层实体的面积，由标准件的实体的尺寸确定；
∑TimeAeraj为m次最小循环周期内的实体加工总时间，通过对m次最小循环周期内各层的实体加工时间TimeAeraj求和得到。
式(3)中：
Figure BDA0001912397130000051
为标准件的平均轮廓成形速度；
Outlinestandard为标准件单层轮廓的周长，由标准件的尺寸确定；
∑TimeOutlinej为m次最小循环周期内的轮廓加工总时间，通过对m次最小循环周期内各层的轮廓加工时间TimeOutlinej求和得到。
式(4)中：
Figure BDA0001912397130000052
为标准件的平均单层铺粉时间；
∑tj为m次最小循环周期内的铺粉总时间，通过对m次最小循环周期内各层的铺粉时间tj求和得到。
步骤二、以标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间作为加工零件的支撑成形速度、面成形速度、轮廓成形速度以及单层铺粉时间，结合零件的支撑表面积、实体体积、零件表面积以及零件高度，计算零件的总加工时间。
具体地，对于实际加工的不规则零件，可以将其分割为所有零件支撑部分、零件实体部分以及零件轮廓部分，铺粉加工时间则可以细分到每一层进行加工，故，零件的总加工时间的计算公式为：
Figure BDA0001912397130000053
式(5)中，Total为零件的总加工时间，p为零件的总层数；
Figure BDA0001912397130000054
为零件单层支撑的长度，vo为零件的支撑成形速度；
Figure BDA0001912397130000055
为零件单层实体的面积，vs为零件的支撑成形速度；
Figure BDA0001912397130000056
为零件单层轮廓的周长，vl为零件的支撑成形速度；ti为零件的单层铺粉时间。
由上述可知，零件的支撑成形速度、面成形速度、轮廓成形速度及单层铺粉时间可以用面加工的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间来表征，故有：
Figure BDA0001912397130000057
Figure BDA0001912397130000058
Figure BDA0001912397130000059
Figure BDA0001912397130000061
将式(6)、式(7)、式(8)和式(9)代入式(5)，有：
Figure BDA0001912397130000062
将零件单层厚度记为d，零件高度记为h，则有：
Figure BDA0001912397130000063
代入式(10)中，有：
Figure BDA0001912397130000064
对于3D打印的零件，零件单层厚度d在0.03mm-0.05mm范围内，零件高度h则要远大于零件单层厚度d，因此在估算过程中，可以认为零件单层厚度d趋近于零，故从微积分的角度出发，可以设定零件的支撑表面积、实体体积以及零件表面积分别满足以下公式：
Figure BDA0001912397130000065
Figure BDA0001912397130000066
Figure BDA0001912397130000067
式中，d为零件单层厚度，Aerasupport为零件的支撑表面积，Volume为零件的实体体积，Aerapart为零件表面积。
将式(12)、式(13)和式(14)代入式(11)，有：
Figure BDA0001912397130000068
再将式(1)、式(2)、式(3)和式(4)代入式(15)，有：
Figure BDA0001912397130000071
式(16)即为零件的总加工时间的最终计算公式。在式(16)中，当工艺参数包、模拟成形的标准件尺寸、n的数值以及m的数值确定后，零件单层厚度d、m次最小循环周期内的支撑加工总时间∑TimeSupportj、m次最小循环周期内的实体加工总时间∑TimeAeraj、m次最小循环周期内的轮廓加工总时间∑TimeOutlinej、m次最小循环周期内的铺粉总时间∑tj、标准件单层支撑的长度Supportstandard、标准件单层实体的面积Aerastandard、标准件单层轮廓的周长Outlinestandard均为定值，仅有与零件信息相关的零件的支撑表面积Aerasupport、零件的实体体积Volume、零件表面积Aerapart以及零件高度h四项为因变量，而这四项信息均可以在加工零件前预先读取，因此可以对实际加工零件的总加工时间进行相对精确的计算。
本实施例的3D打印机的加工时间估算方法具有高度的独立性，仅需在短时间的试运行(标准件模拟成形)后，即可读出当前工艺参数包的加工时间估算的相关参数，计算效率高，可自由脱离打印设备后在其它电脑上进行生产效率预估，使用方便，无需多次实际加工数据的积累，可以更快速获得新工艺参数包的加工时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种3D打印机的加工时间估算方法，其特征在于，包括：
步骤一、将工艺参数包输入3D打印机的主机内，根据所述工艺参数包进行标准件模拟成形，所述标准件包括具有规则形状的实体和支撑，且所述标准件单层支撑的长度、单层实体的面积和单层轮廓的周长均各层相同，采集所述标准件模拟成形过程的加工数据，根据所述加工数据计算标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间；
步骤二、以所述标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间作为加工零件的支撑成形速度、面成形速度、轮廓成形速度以及单层铺粉时间，结合零件的支撑表面积、实体体积、零件表面积以及零件高度，计算零件的总加工时间。
2.根据权利要求1所述的3D打印机的加工时间估算方法，其特征在于，在所述步骤一中，标准件模拟成形过程具有最小循环周期，单次最小循环周期内加工n层，采集m次最小循环周期的加工数据，根据m次最小循环周期的加工数据计算标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间。
3.根据权利要求2所述的3D打印机的加工时间估算方法，其特征在于，在所述步骤一中，标准件的平均支撑成形速度、平均面成形速度、平均轮廓成形速度以及平均单层铺粉时间的计算公式分别为：
Figure FDA0002755572600000011
Figure FDA0002755572600000012
Figure FDA0002755572600000013
Figure FDA0002755572600000014
式中，
Figure FDA0002755572600000015
为标准件的平均支撑成形速度，Supportstandard为标准件单层支撑的长度，∑TimeSupportj为m次最小循环周期内的支撑加工总时间；
Figure FDA0002755572600000016
为标准件的平均面成形速度，Aerastandard为标准件单层实体的面积，∑TimeAeraj为m次最小循环周期内的实体加工总时间；
Figure FDA0002755572600000017
为标准件的平均轮廓成形速度，Outlinestandard为标准件单层轮廓的周长，∑TimeOutlinej为m次最小循环周期内的轮廓加工总时间；
Figure FDA0002755572600000021
为标准件的平均单层铺粉时间；
∑tj为m次最小循环周期内的铺粉总时间。
4.根据权利要求3所述的3D打印机的加工时间估算方法，其特征在于，在所述步骤二中，零件的总加工时间的计算公式为：
Figure FDA0002755572600000022
式中，
Total为零件的总加工时间，p为零件的总层数；
Figure FDA0002755572600000023
为零件单层支撑的长度，vo为零件的支撑成形速度，且
Figure FDA0002755572600000024
Figure FDA0002755572600000025
为零件单层实体的面积，vs为零件的支撑成形速度，且
Figure FDA0002755572600000026
Figure FDA0002755572600000027
为零件单层轮廓的周长，vl为零件的支撑成形速度，且
Figure FDA0002755572600000028
ti为零件的单层铺粉时间，且
Figure FDA0002755572600000029
5.根据权利要求4所述的3D打印机的加工时间估算方法，其特征在于，在所述步骤二中，设定零件的支撑表面积、实体体积以及零件表面积分别满足以下公式：
Figure FDA00027555726000000210
Figure FDA00027555726000000211
Figure FDA00027555726000000212
式中，d为零件单层厚度，Aerasupport为零件的支撑表面积，Volume为零件的实体体积，Aerapart为零件表面积。
6.根据权利要求3所述的3D打印机的加工时间估算方法，其特征在于，在所述步骤一中，记录：标准件第j层的支撑开始加工时间点为Tj1，标准件第j层的实体开始加工时间点为Tj2，标准件第j层的轮廓开始加工时间点为Tj3，标准件第j层开始铺粉加工的时间点为Tj4；得到：标准件第j层的支撑加工时间为TimeSupportj＝Tj2-Tj1，标准件第j层的实体加工时间为TimeAeraj＝Tj3-Tj2，标准件第j层的轮廓加工时间为TimeOutlinej＝Tj4-Tj3，标准件第j层的铺粉时间为tj＝Tj+11-Tj4。
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