CN113020622B - 一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法 - Google Patents

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CN113020622B CN202110231108.1A CN202110231108A CN113020622B CN 113020622 B CN113020622 B CN 113020622B CN 202110231108 A CN202110231108 A CN 202110231108A CN 113020622 B CN113020622 B CN 113020622B
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Abstract

本发明公开了一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，包括构建壳体零件模型、选择和构造填充参数结构体P、对模型进行切片并获得轮廓多边形；轮廓多边形后处理；生成并优化加工轨迹以及送入增材制造设备进行多孔结构加工，本发明采用隐式方法来表达多孔结构，并通过预定义的填充样式来生成多孔结构增材制造轨迹，使得多孔结构增材制造轨迹可以保持和填充样式一样的精度，并且避免传统加工数据链中不同格式文件转换和传递时间，同时，本发明中的轨迹生成过程与制造工艺紧密结合，既保证了所得多孔结构的可制造性，又提高了设计的多孔结构与制造的多孔结构的匹配度。

Description

一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术有着独特的处理复杂形状的能力，这使得其在功能性周期多孔结构、点阵结构的制造中扮演着很重要的角色。一些医疗和工业场景需要用到200微米以下的多孔结构，然而随着特征尺寸的减小，单元数量和模型的数据(几GB甚至几十GB)越来越大，这极大的增加了模型的设计与打印准备工作时间；
目前，对于这种多孔结构、点阵结构而言，现有的增材制造设计方式、前处理方式存在以下一些问题：首先，设计模型与打印的物理实体存在一定的误差；其次，受限于文件格式和前处理方式，对于一个给定的多孔结构CAD模型，想要兼顾加工路径的生成时间和精度是一件比较困难的事情；最后，由于设计过程缺乏考虑制造工艺约束，如输入热源的功率、移动速度、摆放角度、支撑区域等，很难保证模型能一次加工成功，这将给增材制造服务企业带来很大的风险，所以急需一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，解决现有技术中，增材制造精度低，加工成功率低，且需要模型转换，浪费时间的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，具体步骤包括：
S1、构建壳体零件模型，创建实体模型，并根据多孔的取向调整模型的姿态；
S2、选择和构造填充参数结构体P，从制造工艺参数数据库和多孔结构参数数据库中，选择合适的制造工艺参数P_P和多孔结构参数P_S,并使用这两种参数构造填充参数结构体P；
S3、对模型进行切片并获得轮廓多边形；
S4、对轮廓多边形进行后处理，具体为：对轮廓多边形进行偏移、分割，并将不同的参数结构体P分配给不同的区域，然后根据区域特征对工艺参数做优化调整；
S5、对S4中的轮廓多边形进行轨迹的生成和优化，具体为：
a、根据填充参数获取相应的多孔结构参数以及制造工艺参数；
b、根据多孔结构参数和制造工艺参数，填充步骤4中获得的多边形，生成加工轨迹；
c、连接和优化加工轨迹；
S6、将优化后的模型送入增材制造设备进行多孔结构制造。
优选的，在步骤S1中，可采用Solid实体形式或mesh面片形式创建CAD实体模型。
优选的，在步骤S1中，对于多取向的复合多孔结构，对模型进行分割并标记多孔样式。
优选的，在步骤S2中，采用SLM技术，其中，制造工艺参数包括激光功率(L_P)、扫描速度(v)、切片层厚(S_T)和光斑补偿(S_C)。
优选的，在步骤S2中，多孔结构参数P_S包括填充样式(F_P)、填充角度(F_A)和填充单元(U_S)大小。
优选的，在步骤S3中，切片层厚为预设固定值或自适应厚度。
优选的，在步骤S3中，对模型进行切片具体包括：
a、根据零件位置以及切片层厚度，生成一组z方向的平面，其表达式为：
Figure BDA0002958143450000031
b、根据平面的高度从STL模型上选取相应的三角面片；
c、将三角面片与平面求交；
d、根据求交的结果重新构造闭合的轮廓；
e、根据轮廓构造多边形；
f、选取下一个平面，并重复b-e操作，直至完成所有平面与STL模型求交。
优选的，在步骤S6中，增材制造设备为金属增材制造设备或非金属增材制造设备，包括选区激光熔化设备、激光熔化沉积设备、电子束增材制造设备、光固化成型设备、FDM设备和选区激光烧结设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明采用隐式方法来表达多孔结构，并通过预定义的填充样式来生成多孔结构增材制造轨迹，使得多孔结构增材制造轨迹可以保持和填充样式一样的精度，并且避免传统加工数据链中不同格式文件转换和传递时间，同时，本发明中的轨迹生成过程与制造工艺紧密结合，既保证了所得多孔结构的可制造性，又提高了设计的多孔结构与制造的多孔结构的匹配度，另外，本发明数据量小，模型从设计到加工前整体流程消耗时间短，同时考虑了多孔结构、点阵结构的可制造性约束，即按照本发明生成的多孔结构、点阵结构，提高加工的成功率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明制造方法流程图；
图2是本发明立方体模型图；
图3是本发明立方体切片过程图；
图4是本发明四边形曲线通道结构第一层轨迹图；
图5是本发明六边形点阵结构第一层和第十层轨迹图；
图6是本发明TPMS-Schwarz-P多孔结构第一层轨迹图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其中，多孔结构为周期性元胞结构，包含孔通道结构、点阵结构和TPMS结构，制造方法具体步骤包括：
S1、构建壳体零件模型，创建实体模型，可采用Solid实体或者mesh面片形式来创建CAD模型，其中CAD模型格式包括‘.x_t’、‘.iges’、‘.step’、‘.STL’和‘.obj’等，并根据多孔的取向调整模型的姿态，对于多取向的复合多孔结构，对模型进行分割并标记多孔样式。
S2、选择和构造填充参数结构体P，从制造工艺参数数据库和多孔结构参数数据库中，选择合适的制造工艺参数P_P和多孔结构参数P_S,并使用这两种参数构造填充参数结构体P；
其中，制造工艺参数由制造工艺路线决定，以采用SLM技术为例，其中，制造工艺参数包括激光功率(L_P)、扫描速度(v)、切片层厚(S_T)和光斑补偿(S_C)，多孔结构参数P_S包括填充样式(F_P)、填充角度(F_A)和填充单元(U_S)大小；
S3、对模型进行切片并获得轮廓多边形，在切片时，对于切片层厚可为预设固定值，也可根据实际情况自适应厚度；其中，对模型进行切片具体包括：
a、根据零件位置以及切片层厚度，生成一组z方向的平面，其表达式为：
Figure BDA0002958143450000051
b、根据平面的高度从STL模型上选取相应的三角面片；
c、将三角面片与平面求交；
d、根据求交的结果重新构造闭合的轮廓；
e、根据轮廓构造多边形；
f、选取下一个平面，并重复b-e操作，直至完成所有平面与STL模型求交。
S4、对轮廓多边形进行后处理，具体为：对轮廓多边形进行偏移、分割，并将不同的参数结构体P分配给不同的区域，然后根据区域特征对工艺参数做优化调整；
S5、对S4中的轮廓多边形进行轨迹的生成和优化，具体为：
a、根据填充参数获取相应的多孔结构参数以及制造工艺参数；
b、根据多孔结构参数和制造工艺参数，填充步骤4中获得的多边形，生成加工轨迹；
c、连接和优化加工轨迹；
S6、将优化后的模型送入增材制造设备进行多孔结构制造，对于增材制造设备，可以采用金属增材制造设备，也可采用非金属增材制造设备，具体包括选区激光熔化(SLM)设备、激光熔化沉积(LMD)设备、电子束增材制造(EBM)设备、光固化成型(SLA)设备、FDM设备和选区激光烧结(SLA)设备。
实施例1，采用图1中方法，对四边形曲线通道结构一体化设计制造，具体为：
S1、构建壳体零件模型，，本实施例采用简单的立方体模型，模型尺寸为10mm*10mm*10mm，模型格式为STL，调整好姿态，并将摆放好，位置如图2所示；
S2、选择并构造填充参数结构体，该结构为六边形曲线通道结构，填充样式为六边形，曲线方程为
Figure BDA0002958143450000061
其中，壁厚为0.1mm，根据壁厚从制造工艺参数库中选取合适的制造工艺参数PP：激光功率L_P＝90W，扫描速度v＝1200mm/s，光斑补偿S_C＝0.05mm，切片层厚S_T＝0.03mm；从多孔结构参数数据库中选择多孔结构参数P_S：填充样式F_P＝‘rectangle’，填充单元大小U_S＝2mm，填充角度F_A＝45°，使用上述参数构造一个完整的参数结构体P；
S3、对壳体模型进行切片，包括：
a、根据切片层厚和模型位置构造一组平面，平面簇方程为：
Ωp＝{p|p(x,y,z):z＝(i-1)*0.03,i＝1,2,，3，...334}；
b、根据平面的高度从STL模型上选取相应的三角面片；
c、将三角面片与平面求交；
d、根据求交的结果(点、线)重新构造闭合的轮廓；
e、根据轮廓构造多边形；
f、选取下一个平面，并重复b-e操作，直至完成所有平面与STL模型求交。
S4、对步骤S3中获得的轮廓进行偏移，偏移距离为光斑补偿S_C，偏移方向向内，并将参数结构体P分给偏移后的区域，本实施例中，只有一个填充区域和一种填充结构，此处无需再划分区域；
S5、使用步骤S4中得到的多边形进行轨迹的生成和优化，具体包括：
a、根据填充参数获取相应区域的多孔结构参数P_S以及制造工艺参数P_P；
b、根据多孔结构参数P_S和制造工艺参数P_P，填充步骤S4中获得的多边形，生成加工轨迹，其中，本实施例中填充样式为四边形，各填充参数从参数结构体中获取，具体的填充方法为：首先，将正方形顺时针旋转45°；然后生成一组与y轴平行的直线，其方程为：Ωl＝{l|l(x,y):x＝-8+(i-1)*2,i＝1,2,3,...9}；接着将多边形与平行线求交，取正方形内部的线段；最后将得到的线段逆时针旋转45°即可得到一个方向的填充线，其中，另一方向的填充线，将旋转角度改为135°，然后重复上述操作可得；
c、根据算法连接和优化加工轨迹，其中，本实施例中六边形曲线通道每层加工轨迹相似，仅中心位置有一个偏移，第一层的加工轨迹如图3所示；
S6、将生成的加工轨迹送入SLM设备中进行打印。
实施例2，采用图1中方法，对六边形点阵结构一体化设计与制造，具体为：
S1、构建壳体零件模型，本实施例采用简单的立方体模型，模型尺寸为10mm*10mm*10mm，模型格式为STL，调整好姿态，并将摆放好，位置如图2所示；
S2、选择并构造填充参数结构体，该结构为六边形点阵结构，其填充图案包括六边形和圆阵列两种；其中，壁厚为0.1mm，首先根据壁厚从制造工艺参数库中选取合适的制造工艺参数PP：激光功率L_P＝90W，扫描速度v＝1200mm/s，光斑补偿S_C＝0.05mm，切片层厚S_T＝0.03mm；然后从多孔结构参数数据库中选择多孔结构参数P_S：填充样式F_P＝‘hexagon-scaffold’，填充单元大小U_S＝2mm，填充角度F_A＝0°，六边形层厚度H_LT＝0.48mm，支柱层厚度P_LT＝0.48mm，支柱半径为0.2mm。使用这些参数构造一个完整的参数结构体P；
S3、对壳体模型进行切片，包括：
a、根据切片层厚和模型位置构造一组平面，平面簇方程为：
Ωp＝{p|p(x,y,z):z＝(i-1)*0.03,i＝1,2,，3，...334}；
b、根据平面的高度从STL模型上选取相应的三角面片；
c、将三角面片与平面求交；
d、根据求交的结果(点、线)重新构造闭合的轮廓；
e、根据轮廓构造多边形；
f、选取下一个平面，并重复b-e操作，直至完成所有平面与STL模型求交。
S4、对步骤S3中获得的轮廓进行偏移，偏移距离为光斑补偿S_C，偏移方向向内，并将参数结构体P分给偏移后的区域，本实施例中，只有一个填充区域和一种填充结构，此处无需再划分区域；
S5、使用步骤S4中得到的多边形进行轨迹的生成和优化，具体包括：
a、根据填充参数获取相应区域的多孔结构参数P_S以及制造工艺参数P_P；
b、根据多孔结构参数P_S和制造工艺参数P_P，填充步骤S4中获得的多边形，生成加工轨迹，其中，本实施例中填充样式为六边形，支柱层填充样式为圆阵列，各填充参数从参数结构体中获取，具体的填充方法为：
1)、生成六边形中心点阵，其坐标为：
Figure BDA0002958143450000091
Figure BDA0002958143450000092
2)、将正方形与中心点阵求交，取正方形内部的点和所属六边形与正方形相交的点；
3)、在中心点四周生成六边形的一半，‘C’型线，线上每个点坐标为：
点A：
Figure BDA0002958143450000093
点B：
Figure BDA0002958143450000094
点C：
Figure BDA0002958143450000095
点D：
Figure BDA0002958143450000096
4)、将‘C’型线与正方形求交，取正方形内部的线；
重复步骤3)和4)直至所有线都填充完成；
其中，支柱层填充方式为：
1)、读取六边形层中所有的六边形端点；
2)、去除重复的端点；
3)、以端点为圆心，半径为0.2mm生成圆；
c、根据算法连接和优化加工轨迹，其中，本实施例中六边形点阵结构有两种不同的填充层轨迹，分别是六边形层和支柱层，这两类填充层的加工轨迹如图4和图5所示；
S6、将生成的加工轨迹送入SLM设备中进行打印。
实施例3，采用图1中方法，对TPMS多孔结构一体化设计与制造，具体为：
S1、构建壳体零件模型，本实施例采用简单的立方体模型，模型尺寸为10mm*10mm*10mm，模型格式为STL，调整好姿态，并将摆放好，位置如图2所示；
S2、选择并构造填充参数结构体，该结构为TPMS-Diamond，填充样式为TPMS-Diamond；
该结构为TPMS-Diamond结构，其中，壁厚为0.1mm，首先根据壁厚从制造工艺参数库中选取合适的制造工艺参数PP：激光功率L_P＝90W，扫描速度v＝1800mm/s，光斑补偿S_C＝0.05mm，切片层厚S_T＝0.03mm；然后从多孔结构参数数据库中选择多孔结构参数P_P，其中填充样式F_P＝‘TPMS-Diamond’，填充单元大小U_S＝1mm，填充角度F_A＝0°，形状控制因子c＝0，使用上述参数构造一个完整的参数结构体P；
S3、对壳体模型进行切片，包括：
a、根据切片层厚和模型位置构造一组平面，平面簇方程为：
Ωp＝{p|p(x,y,z):z＝(i-1)*0.03,i＝1,2,，3，...334}；
b、根据平面的高度从STL模型上选取相应的三角面片；
c、将三角面片与平面求交；
d、根据求交的结果(点、线)重新构造闭合的轮廓；
e、根据轮廓构造多边形；
f、选取下一个平面，并重复b-e操作，直至完成所有平面与STL模型求交。
S4、对步骤S3中获得的轮廓进行偏移，偏移距离为光斑补偿S_C，偏移方向向内，并将参数结构体P分给偏移后的区域，本实施例中，只有一个填充区域和一种填充结构，此处无需再划分区域；
S5、使用步骤S4中得到的多边形进行轨迹的生成和优化，具体包括：
a、根据填充参数获取相应区域的多孔结构参数P_S以及制造工艺参数P_P；
b、根据多孔结构参数P_S和制造工艺参数P_P，填充步骤S4中获得的多边形，生成加工轨迹，其中，本实施例中填充样式为TPMS-Diamond，各填充参数从参数结构体中获取，具体的填充方法为：
1)、根据TPMS-Diamond曲面方程生成一个元胞的轨迹，方程为：
cos2πx*cos2πy*cos2πz-sin2πx*sin2πy*sin2πz＝0；
2)、生成点阵，点阵坐标为：
Ωpoint1＝{point|point(x,y):x＝(i)*1,y＝(i)*1,i＝-7,-6,-5,...7}；
3)、正方形与点阵求交，分辨出边缘点、内部点和外部点，并舍去外部点；
4)、把步骤1)中生成的轨迹平移到点阵中的每个点上；
5)、边缘点上平移过来的轨迹与正方形求交；
c、根据算法连接和优化加工轨迹，其中，本实施例TPMS-Diamond多孔结构第一层加工轨迹如图6所示；
S6、将生成的加工轨迹送入SLM设备中进行打印。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1、构建壳体零件模型，创建实体模型，并根据多孔的取向调整模型的姿态；
S2、选择和构造填充参数结构体P，从制造工艺参数数据库和多孔结构参数数据库中，选择合适的制造工艺参数P_P和多孔结构参数P_S,并使用这两种参数构造填充参数结构体P；
S3、对模型进行切片并获得轮廓多边形；
S4、对轮廓多边形进行后处理，具体为：对轮廓多边形进行偏移、分割，并将不同的参数结构体P分配给不同的区域，然后根据区域特征对工艺参数做优化调整；
S5、对S4中的轮廓多边形进行轨迹的生成和优化，具体为：
a、根据填充参数获取相应的多孔结构参数以及制造工艺参数；
b、根据多孔结构参数和制造工艺参数，填充步骤4中获得的多边形，生成加工轨迹；
c、连接和优化加工轨迹；
S6、将优化后的模型送入增材制造设备进行多孔结构制造。
2.根据权利要求1所述的一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于：在步骤S1中，采用Solid实体形式或mesh面片形式创建CAD实体模型。
3.根据权利要求1所述的一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于：在步骤S1中，对于多取向的复合多孔结构，对模型进行分割并标记多孔样式。
4.根据权利要求1所述的一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于：在步骤S2中，其中，采用SLM技术，制造工艺参数包括激光功率(L_P)、扫描速度(v)、切片层厚(S_T)和光斑补偿(S_C)。
5.根据权利要求4所述的一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于：在步骤S2中，多孔结构参数P_S包括填充样式(F_P)、填充角度(F_A)和填充单元(U_S)大小。
6.根据权利要求1所述的一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于：在步骤S3中，切片层厚为预设固定值或自适应厚度。
7.根据权利要求1所述的一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于：在步骤S3中，对模型进行切片具体包括：
a、根据零件位置以及切片层厚度，生成一组z方向的平面，其表达式为：
Figure FDA0003420641240000021
b、根据平面的高度从STL模型上选取相应的三角面片；
c、将三角面片与平面求交；
d、根据求交的结果重新构造闭合的轮廓；
e、根据轮廓构造多边形；
f、选取下一个平面，并重复b-e操作，直至完成所有平面与STL模型求交。
8.根据权利要求1所述的一种面向增材制造的可控多孔结构一体化设计制造方法，其特征在于：在步骤S6中，增材制造设备为金属增材制造设备或非金属增材制造设备，包括选区激光熔化设备、激光熔化沉积设备、电子束增材制造设备、光固化成型设备、FDM设备和选区激光烧结设备。
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