CN114559055B - 一种3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属增材制造技术领域，为了解决成形大面积或截面积变化较大的零件存在应力大的技术问题，本发明公开了一种3D打印方法，包括在轮廓区域，定义激光束扫描线以蛇形线布局，逐行扫描；在核心区域，定义激光扫描线以口字形布局；以固定激光束直径、预定功率和速度，自左向右，自下而上，逐行对实体轮廓区域扫描一次；以预定放大系数增大激光束直径，对实体核心区域进行随机扫描两个不相交的口字形；恢复激光束原始直径，沿实体轮廓进行预定次数扫描，扫描结束后进行铺粉动作。设置分区、扫描线形状及扫描旋转方式，减少扫描线长度，通过分区、分段扫描，减少热量集中，降低应力集中系数，防止变形开裂。

Description

一种3D打印方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种3D打印方法。

背景技术

激光选区熔化成形技术，因其快速熔融、凝固的技术特点。在成形大面积零件或者截面积变化较大的产品时，现有扫描方式极易产生高应力。同时扫描时间长，成形效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印方法，以解决成形大面积零件或截面积变化较大的零件存在应力大的技术问题。

为实现上述目的，本发明的一种3D打印方法的具体技术方案如下：

一种3D打印方法，包括如下步骤：

步骤S1，将目标零件的文件导入至激光选区熔化工艺切片软件；

步骤S2，定义目标零件的A-A型截面为实体截面，定义目标零件的B-B型截面为中空截面；

对实体截面划分区域，定义截面边界线为实体轮廓，沿实体轮廓向内水平延伸预定距离定义为实体轮廓区域，实体轮廓区域的剩余区域定义为实体核心区域；

对中空截面划分区域，定义中空截面的内外边界线分别为内轮廓和外轮廓，沿外轮廓向内水平延伸预定距离定义为外轮廓区域，沿内轮廓向外水平延伸预定距离定义为内轮廓区域，中空截面剩余区域定义为中空核心区域；

步骤S3，在实体轮廓区域、内轮廓区域和外轮廓区域，定义激光束扫描线以蛇形线布局，逐行扫描；在实体核心区域和中空核心区域，定义激光扫描线以口字形布局；

步骤S4，定义蛇形线间距为D，定义口字形在X方向长度为L，Y方向长度为H，口字形扫描线在X方向间距为w，Y方向间距为h，定义激光束直径为Φ；其中，D＜Φ，L＞Φ，H＞Φ，w＜Φ，h＜Φ，H＞h，L＞w；

步骤S5，若当前扫描对象为实体截面，激光束在扫描当前层时，包括如下步骤：

步骤S51，以固定激光束直径、预定功率和速度，自左向右，自下而上，逐行对实体轮廓区域扫描一次；

步骤S52，以预定放大系数增大激光束直径，对实体核心区域进行随机扫描两个不相交的口字形；

步骤S53，恢复激光束原始直径，沿实体轮廓进行预定次数扫描，扫描结束后打印机进行铺粉动作；

步骤S54，扫描下一层，循环执行步骤S51至步骤S53；

若当前扫描对象为中空截面，激光束在扫描当前层时，包括如下步骤：

步骤S51’，以固定激光束直径、预定功率和速度，自左向右，自下而上，逐行对内轮廓区域和外轮廓区域同时扫描一次；

步骤S52’，以预定放大系数增大激光束直径，对中空核心区域进行随机扫描两个不相交的口字形；

步骤S53’，恢复激光束原始直径，沿内轮廓和外轮廓同时进行预定次数扫描，扫描结束后打印机进行铺粉动作；

步骤S54’，扫描下一层，循环执行步骤S51’至步骤S53’。

通过设置分区、扫描线形状及扫描旋转方式，减少扫描线长度；通过分区、分段扫描，减少热量集中，进而降低应力集中系数，防止变形开裂。

进一步的，在步骤S5中，相邻层的蛇形扫描线呈夹角α，180°＞α＞1°。

进一步的，在步骤S5中，相邻层的口字形扫描线沿顺时针方向旋转角度β，180°＞β＞91°，同时口字形扫描线沿X方向移动距离δ，沿Y方向移动距离Ω，其中，δ＞10*Φ，Ω＞10*Φ。通过扫描旋转方式，防止上下两侧扫描线重叠，避免出现冶金缺陷。

进一步的，步骤S5中，在X方向上，所述口字形之间的距离大于10(L+w)；在Y方向上，所述口字形之间的距离大于10(H+h)。

进一步的，在步骤S5中，激光束功率与扫描速度的比值，在激光束直径变化前维持或增加。

进一步的，在步骤S5中，恢复激光束原始直径后，激光束的功率范围为35～300W，激光束的扫描速度的功率范围为50～900mm/s。

进一步的，在步骤S5中，预定放大系数的范围为1.05～2。

进一步的，在步骤S5中，预定扫描次数的范围为0～4。

本发明提供的一种3D打印方法具有以下优点：

通过设置分区，不同分区设置不同的扫描线形状，相邻层之间的扫描线设置旋转角度，可以减少扫描线长度，扫描线较短，使得反应速度加快，热量集中度小，有助于减少应力集中；通过分区、分段扫描，减少热量集中，进而降低应力集中系数，防止变形开裂；扫描旋转方式的设置可以防止上下两侧扫描线重叠，避免出现冶金缺陷。采用该种形式或形态的扫描线，同时还解决了扫描时间长和成形效率较低的问题。

附图说明

图1为本发明提供的中空箱体零件示意图；

图2为本发明提供的零件A-A和B-B截面图；

图3为本发明提供的激光扫描形式A-A截面图；

图4为针对图3中A处的局部放大图；

图5为本发明提供的激光扫描形式B-B截面图；

图6为针对图5中B处的局部放大图；

图7为本发明提供的无轮廓区域的扫描示意图。

图中：11、实体轮廓；12、实体核心区域；13、实体轮廓区域；211、外轮廓；212、内轮廓；22、中空核心区域；231、外轮廓区域；232、内轮廓区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对激光选区熔化成形大面积零件或截面积变化较大的产品，其应力大以及成形效率低的问题，本发明提供了一种3D打印方法。

参阅图1，定义预打印的零件，一般零件具有或凹或凸部分，本发明以能代表零件基础结构的中空箱体为例进行说明。

根据激光选区熔化成形原理，零件采用层层堆叠的方式进行成形。将内部中空的箱体作为目标零件的文件导入至激光选区熔化工艺切片软件，每个零件的分层厚度定义为d。

参阅图2，箱体因高度方向截面积有突变，不同位置处截面形状有较大差异。箱体零件经切片软件，进行切片后。形成一层层厚度为d的轮廓切片。因高度不同，其截面形状也呈现不同的状态。

定义A-A型截面为实体截面，定义B-B型截面为中空截面。因实体截面与中空截面面积不同，为有效降低产品应力，提高成形效果。后续扫描时，定义不同的扫描策略。

参阅图3和图4，根据实体截面面积，对其截面区域进行划分。定义实体截面边界线为实体轮廓11。在X方向，与实体轮廓11相距尺寸为T，在Y方向与实体轮廓相距尺寸为t的区域，定义为实体轮廓区域13。实体轮廓区域13以外的区域定义为实体核心区域12。其中上述尺寸T与t数值可以相同也可不同，也可定义为沿实体轮廓11法向量的距离。同时满足T与t的数值均小于实体截面的水平及竖直方向的边长的一半。

对于实体轮廓区域13，激光扫描线呈蛇形布局，采用逐行扫描形式。对于核心区域，激光扫描线呈口字、回字或多重包围形式。

定义蛇形扫描线间距为D，定义口字形扫描线X方向长度为L。Y方向长度为H，扫描线X方向间距为w，Y方向间距为h。定义激光束直径为Φ。其中D＜Φ，L＞Φ，H＞Φ，w＜Φ，h＜Φ，H＞h，L＞w。

激光束在扫描当前层时，首先保持激光束直径Φ不变。以特定的激光功率P，激光扫描速度V沿蛇形扫描线，自左向右，自下而上，逐行对外轮廓区域进行扫描，只扫描一次。其中，激光束的扫描功率P在50～300W；激光束的扫描速度V在50～1000mm/s。

随后激光束直径Φ放大，直径放大系数K的优选范围是1.05～2。激光束开始沿口字形扫描线对核心区域进行扫描。扫描时，激光束以随机顺序完成单独一个口字形扫描线的完整扫描。随后开始随机扫描下一个口字形扫描线。确保连续扫描的两个口字形扫描线，X方向线段之间不直接相连。相互之间的距离大于10(L+w)；Y方向线段之间同样不直接相连，相互之间的距离大于10(H+h)。只扫描一次。

激光束直径变大后，激光功率增加，激光扫描速度维持不变或适当降低。或者激光功率不变，激光扫描速度减少。激光功率P在60～300W；激光扫描速度V在40～1000mm/s。总之保证激光功率P与激光扫描速度V的比值较激光束直径改变前不变或适当增加。

最后激光束直径调整回原始尺寸Φ。开始沿实体轮廓11进行扫描。激光束直径调整后，激光功率降低，激光扫描速度维持不变或适当增加。激光功率P在35～300W，激光扫描速度V在50～900mm/s。

轮廓扫描次数为N，可以定义为0、1、2、3、4。

扫描完当前层后，3D打印机完成铺粉，激光束开始扫描下一层。

扫描下一层时，如前面所述，激光束首先开始沿蛇形扫描线扫描实体轮廓区域13。激光功率及扫描速度与上一层相同。但此时蛇形扫描线方向发生变化，其与上一层扫描线呈一定夹角α，180°＞α＞1°，后续每层均按此方式进行实体轮廓区域13的扫描。

实体轮廓区域13扫描完成后，激光束开始沿口字形扫描线扫描实体核心区域12，扫描方式与前述一致。不过口字形扫描线方向同样发生变化。沿顺时针方向，第N+1层扫描线段相较于第N层旋转一定角度β，180°＞β＞91°。同时口字形扫描线沿X方向移动一定距离δ，沿Y方向移动一定距离Ω。且δ＞10*Φ；Ω＞10*Φ。确保相连两层的扫描线不重合。后续每层均按此方式进行核心区域的扫描。

循环往复，依次完成实体截面的扫描。

参阅图5和图6，对于中空截面，根据其截面面积，对其截面区域进行划分。定义截面内外边界线分别为外轮廓211、内轮廓212。在X方向，与外轮廓211相距尺寸为T1，在Y方向与外轮廓211相距尺寸为t1的区域，定义为外轮廓区域231。在X方向，与内轮廓212相距尺寸为T3，在Y方向与内轮廓212相距尺寸为t3的区域，定义为内轮廓区域232。

中空截面除内、外轮廓区域231以外的区域定义为中空核心区域22。核心区域X方向尺寸为T2，Y方向尺寸为t2。

其中上述尺寸T1、T3与t1、t3数值可以相同也可不同，也可定义为沿轮廓法向量的距离。同时满足T1、T3与t1、t3的数值均小于中空截面的水平及竖直方向的边长的一半。

对于内、外轮廓区域，激光扫描线呈蛇形布局，采用逐行扫描形式。对于核心区域，激光扫描线呈口字、回字或多重包围形式。各个扫描线等间距相间分布，如图4所示(为便于说明只显示口字形式)。

内轮廓区域232和外轮廓区域231，激光束扫描线以蛇形线布局，逐行扫描。不同之处在于内轮廓区域232和外轮廓区域231，无需区分先后顺序。且内轮廓区域232和外轮廓区域231的蛇形扫描线方向可以相同，也可不同。若不同，在同一截面。相互之间存在一定夹角，夹角数值0°～180°。

对于中空核心区域22，激光扫描线以口字形、回字或多重包围形式布局。

对于中空截面的外轮廓211和内轮廓212，与上述扫描实体轮廓的方式一致。

当前层扫描完成后，按照扫描实体截面的方式进行，直至中空截面区域扫描完成。

进一步的，为提高产品外观质量，参阅图7，在箱体高度方向，或沿轮廓线法向量方向量尺寸小于M时。此时，高度方向截面只有核心区域及轮廓线。其核心区域采用蛇形方式进行扫描，具体扫描方式如前述扫描方式一致，如此循环往复完成箱体零件的打印工作。

综上所述，可得出一种3D打印方法，包括如下步骤：

步骤S1，将目标零件的文件导入至激光选区熔化工艺专业软件；

步骤S2，定义目标零件的A-A型截面为实体截面，定义目标零件的B-B型截面为中空截面；

对实体截面划分区域，定义截面边界线为实体轮廓11，沿实体轮廓11向内水平延伸预定距离定义为实体轮廓区域13，实体轮廓区域(13)的剩余区域定义为实体核心区域12；

对中空截面划分区域，定义中空截面的内外边界线分别为内轮廓212和外轮廓211，沿外轮廓211向内水平延伸预定距离定义为外轮廓区域231，沿内轮廓212向外水平延伸预定距离定义为内轮廓区域232，中空截面剩余区域定义为中空核心区域22；

步骤S3，在实体轮廓区域13、内轮廓区域232)和外轮廓区域231，定义激光束扫描线以蛇形线布局，逐行扫描；在实体核心区域12和中空核心区域22，定义激光扫描线以口字形布局；

步骤S4，定义蛇形线间距为D，定义口字形在X方向长度为L，Y方向长度为H，口字形扫描线在X方向间距为w，Y方向间距为h，定义激光束直径为Φ；其中，D＜Φ，L＞Φ，H＞Φ，w＜Φ，h＜Φ，H＞h，L＞w；

步骤S5，若当前扫描对象为实体截面，激光束在扫描当前层时，包括如下步骤：

步骤S51，以固定激光束直径、预定功率和速度，自左向右，自下而上，逐行对实体轮廓区域13扫描一次；

步骤S52，以预定放大系数增大激光束直径，对实体核心区域12进行随机扫描两个不相交的口字形；

步骤S53，恢复激光束原始直径，沿实体轮廓11进行预定次数扫描，扫描结束后打印机进行铺粉动作；

步骤S54，扫描下一层，循环执行步骤S51至步骤S53；

若当前扫描对象为中空截面，激光束在扫描当前层时，包括如下步骤：

步骤S51’，以固定激光束直径、预定功率和速度，自左向右，自下而上，逐行对内轮廓区域232和外轮廓区域231同时扫描一次；

步骤S52’，以预定放大系数增大激光束直径，对中空核心区域22进行随机扫描两个不相交的口字形；

步骤S53’，恢复激光束原始直径，沿内轮廓212和外轮廓211同时进行预定次数扫描，扫描结束后打印机进行铺粉动作；

步骤S54’，扫描下一层，循环执行步骤S51’至步骤S53’。

本发明提供的一种3D打印方法，通过设置分区，不同分区设置不同的扫描线形状，相邻层之间的扫描线设置旋转角度，可以减少扫描线长度，扫描线较短，使得反应速度加快，热量集中度小，有助于减少应力集中；通过分区、分段扫描，减少热量集中，进而降低应力集中系数，防止变形开裂；扫描旋转方式的设置可以防止上下两侧扫描线重叠，避免出现冶金缺陷。采用该种形式或形态的扫描线，同时还解决了扫描时间长和成形效率较低的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将目标零件的文件导入至激光选区熔化工艺切片软件；

步骤S2，定义目标零件的A-A型截面为实体截面，定义目标零件的B-B型截面为中空截面；

对实体截面划分区域，定义截面边界线为实体轮廓(11)，沿实体轮廓(11)向内水平延伸预定距离定义为实体轮廓区域(13)，实体轮廓区域(13)的剩余区域定义为实体核心区域(12)；

对中空截面划分区域，定义中空截面的内外边界线分别为内轮廓(212)和外轮廓(211)，沿外轮廓(211)向内水平延伸预定距离定义为外轮廓区域(231)，沿内轮廓(212)向外水平延伸预定距离定义为内轮廓区域(232)，中空截面剩余区域定义为中空核心区域(22)；

步骤S3，在实体轮廓区域(13)、内轮廓区域(232)和外轮廓区域(231)，定义激光束扫描线以蛇形线布局，逐行扫描；在实体核心区域(12)和中空核心区域(22)，定义激光扫描线以口字形布局；

步骤S4，定义蛇形线间距为D，定义口字形在X方向长度为L，Y方向长度为H，口字形扫描线在X方向间距为w，Y方向间距为h，定义激光束直径为Φ；其中，D＜Φ，L＞Φ，H＞Φ，w＜Φ，h＜Φ，H＞h，L＞w；

步骤S5，若当前扫描对象为实体截面，激光束在扫描当前层时，包括如下步骤：

步骤S51，以固定激光束直径、预定功率和速度，自左向右，自下而上，逐行对实体轮廓区域(13)扫描一次；

步骤S52，以预定放大系数增大激光束直径，对实体核心区域(12)进行随机扫描两个不相交的口字形；

步骤S53，恢复激光束原始直径，沿实体轮廓(11)进行预定次数扫描，扫描结束后打印机进行铺粉动作；

步骤S54，扫描下一层，循环执行步骤S51至步骤S53；

若当前扫描对象为中空截面，激光束在扫描当前层时，包括如下步骤：

步骤S51’，以固定激光束直径、预定功率和速度，自左向右，自下而上，逐行对内轮廓区域(232)和外轮廓区域(231)同时扫描一次；

步骤S52’，以预定放大系数增大激光束直径，对中空核心区域(22)进行随机扫描两个不相交的口字形；

步骤S53’，恢复激光束原始直径，沿内轮廓(212)和外轮廓(211)同时进行预定次数扫描，扫描结束后打印机进行铺粉动作；

步骤S54’，扫描下一层，循环执行步骤S51’至步骤S53’。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印方法，其特征在于，在步骤S5中，相邻层的蛇形扫描线呈夹角α，180°＞α＞90°。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印方法，其特征在于，在步骤S5中，相邻层的口字形扫描线沿顺时针方向旋转角度β，180°＞β＞91°，同时口字形扫描线沿X方向移动距离δ，沿Y方向移动距离Ω，其中，δ＞10*Φ，Ω＞10*Φ。

4.根据权利要求3所述的一种3D打印方法，其特征在于，步骤S5中，在X方向上，所述口字形之间的距离大于10(L+w)；在Y方向上，所述口字形之间的距离大于10(H+h)。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印方法，其特征在于，在步骤S5中，激光束功率与扫描速度的比值，在激光束直径变化前维持或增加。

6.根据权利要求5所述的一种3D打印方法，其特征在于，在步骤S5中，恢复激光束原始直径后，激光束的功率范围为35～300W，激光束的扫描速度的功率范围为50～900mm/s。

7.根据权利要求5所述的一种3D打印方法，其特征在于，在步骤S5中，所述预定放大系数的范围为1.05～2。

8.根据权利要求7所述的一种3D打印方法，其特征在于，在步骤S5中，所述预定扫描次数的范围为0～4。