一种3D打印截面匹配方法、复合成形方法及截面修复方法与流程

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印截面匹配方法，还涉及该方法所适用的复合成形方法及截面修复方法。

背景技术：

3D打印技术是基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造零件的方式。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形系统，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。3D打印技术更高效、更便捷、开发前景更广阔，它可以利用单一金属或混合金属粉末直接制造出具有冶金结合、致密性接近100％、具有较高尺寸精度和较好表面粗糙度的金属零件。其综合运用了新材料、激光技术、计算机技术等前沿技术，受到国内外的高度重视，成为新时代极具发展潜力的高新技术。3D打印技术的发展不仅很大程度上降低了复杂腔体或复杂曲面的加工难度，也大大缩短了零件的加工周期。

但是，目前3D打印技术受限于加工成本高，大多仅用于加工体积较小的复杂结构零件，对于体积较大的复杂结构零件仍采用传统的机械加工方法，因此，出于成本的考虑，3D打印技术还未能在产业上实现普遍应用。

另外，由于3D打印过程中，因发生打印错误或设备故障导致加工过程突然停止，重新摆放零件进行打印时，零件的实际摆放位置与零件剖分时的摆放位置很难完全重合，通过人工调整摆放位置，精度差、效率低，大大影响零件的成形质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种3D打印的截面匹配方法，解决了零件实际摆放位置与零件剖分时的摆放位置难以完全重合的问题。

本发明的另一目的是提供一种3D打印复合成形方法，解决了采用3D打印技术打印体积较大的复杂结构零件成本高的问题。

本发明的第三个目的是提供一种3D打印截面修复方法，解决了现有打印修复时截面匹配精度差的问题。

本发明所采用的一个技术方案是，一种3D打印截面匹配方法，通过坐标转换，调整振镜坐标系或剖分坐标系位置，使截面相对于振镜坐标系和剖分坐标系的位置一致。

进一步，该方法包括以下步骤：

步骤1，根据剖分软件中截面与剖分坐标系X0Y的相对位置，确定剖分坐标系X0Y在成形区域内的位置；

步骤2，通过坐标变换，调整振镜坐标系的位置，使成形区域内的振镜坐标系与剖分坐标系完全重合，完成截面的匹配。

其中，步骤1包括以下子步骤：

S1.打印参考标记点

在成形区域内的非截面区任选两点作为参考标记点，并在该两点进行标记打印，记录该两点在振镜坐标系X’0Y’中的坐标，并反推振镜坐标系X’0Y’；

S2.获取成形区域图像

利用位于成形室顶部的拍照单元对整个成形区域进行拍照，得到成形区域图像，并将该图像传送至计算机；

S3.匹配截面特征点

计算机提取成形区域图像中的截面图像，在截面区内选取任意两个特征点，计算并记录特征点在振镜坐标系X’0Y’中的坐标；在剖分软件中的截面上匹配特征点，记录特征点在剖分坐标系X0Y中的坐标；

S4.反推剖分坐标系X0Y在成形区域内的位置

根据剖分坐标系X0Y中两特征点相对于剖分坐标系X0Y的位置反推剖分坐标系X0Y在成形区域内的原点位置和坐标轴的方向。

上述步骤S3中特征点在振镜坐标系X’0Y’中的坐标根据成形区域图像中参考标记点与特征点的相对位置，及振镜坐标系X’0Y’中参考标记点的坐标计算得到。

上述步骤S4中剖分坐标系X0Y在成形区域内的原点位置根据剖分坐标系X0Y中两特征点相对于剖分坐标系X0Y原点的位置及振镜坐标系X’0Y’中两特征点的坐标反推得到；剖分坐标系X0Y在成形区域内坐标轴的方向根据剖分坐标系X0Y中两特征点连线与剖分坐标系X0Y坐标轴的夹角反推得到。

进一步地，在步骤S3中选取3个以上特征点，两两组合后，分别进行特征点匹配和剖分坐标系X0Y反推，得到至少两组剖分坐标系X0Y；比较各组剖分坐标系X0Y在成形区域内的位置是否一致，若一致，则表明匹配成功，执行步骤2；若不一致，则表明匹配失败，重新执行步骤S3、S4，直至匹配成功，再执行步骤2。

上述截面匹配方法所用的装置包括位于3D打印成形室顶部的拍照单元，以及与拍照单元和3D打印机控制系统相连的计算机。

本发明的第二个技术方案是，一种3D打印复合成形方法，将零件分割为基础部分和复杂结构部分，先采用机械加工完成零件基础部分的成形，再采用3D打印技术在基础部分上成形复杂结构部分。

成形复杂结构部分前，采用上述截面匹配方法完成基础部分和复杂结构部分的复合截面匹配。

本发明的第三个技术方案是，一种3D打印截面修复方法，包括采用上述截面匹配方法将零件当前层已打印部分截面与剖分软件中零件当前层截面进行匹配，然后对当前层截面待修复部分进行打印。

本发明的有益效果是，本发明的3D打印的截面匹配方法基于坐标变换法，通过调整振镜坐标系或剖分坐标系，使二者保持一致，来确保零件相对于两个坐标系的位置保持一致，进而实现截面的准确匹配。该方法适用于本发明提出的新的3D打印复合成形方法的截面匹配，同时，本发明提出的新的3D打印复合成形方法将传统机械加工和3D打印技术进行结合，在缩短零件加工周期的同时，大大降低了零件的加工成本，使3D打印技术的应用前景更加广阔。还适用于3D打印过程截面修复时的截面匹配，克服了现有打印修复时截面匹配度不高的问题。该方法简单，易于实现，能够有效确保后续的打印能够精准地与已成形部分结合，保证了零件的成形质量。

附图说明

图1是本发明3D打印设备成形室的结构示意图；

图2是本发明3D打印的截面匹配方法的流程图；

图3是本发明方法用于复合成形的截面匹配示意图，a为振镜坐标系下截面，b为剖分坐标系下截面，c为坐标转换后截面；

图4是本发明反推剖分坐标系的原理图；

图5是本发明方法用于截面修复的截面匹配示意图，a为振镜坐标系下截面，b为剖分坐标系下截面。

图1中，1.成形室，2.拍照单元，3.成形区域，4.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明的3D打印截面匹配方法是为了将3D打印中待打印部分的截面与零件已成形部分的截面相匹配，使后续的打印能够精准地与已成形部分结合而提出。

该截面匹配方法适用于本发明提出的一种新的3D打印方法，即3D打印复合成形方法，该复合成形方法包括：将零件分割为基础部分及复杂结构部分，先采用机械加工完成零件的基础部分成形，再采用3D打印技术在零件基础部分上成形复杂结构部分。

该3D打印复合成形方法在缩短零件加工周期的同时，大大降低了零件的加工成本。但是采用该方法进行零件加工时，存在零件基础部分与复杂结构部分结合面的匹配问题。在复合加工中基础部分成形后，零件的实际摆放位置与零件剖分时的摆放位置很难完全重合，通过人工调整摆放位置，精度差、效率低，容易导致基础部分与复杂结构部分的结合面不能准确匹配，会大大影响零件的成形质量。因此，需要一种截面匹配方法。

该截面匹配方法还适用于3D打印过程中，发生打印错误或设备故障导致加工过程突然停止，重新打印时，对当前层截面修复时的截面匹配。

本发明3D打印截面匹配方法的原理是，正常打印过程中，振镜坐标系默认与剖分坐标系一致，即成形零件在振镜坐标系中与其在剖分坐标系中的位置一致，但若采用3D打印复合成形方法，或者传统3D打印出现故障，在零件重新摆放打印时，则会导致零件相对于振镜坐标系的位置与其相对于剖分坐标系的位置不一致。为了保证复合截面的准确匹配，必须使零件相对于两个坐标系的位置保持一致。因此，本发明基于坐标变换法，通过调整振镜坐标系或剖分坐标系，来确保零件相对于两个坐标系的位置保持一致，进而实现复合截面的准确匹配。

本发明所使用的装置如图1所示，包括位于3D打印成形室1顶部的拍照单元2，用于对成形区域3进行拍照，还包括与拍照单元2和3D打印机控制系统相连的计算机4，用于对实际加工截面进行分析匹配。

本发明优选，基于坐标变换，通过调整振镜坐标系，使其与剖分坐标系保持一致，确保零件相对于两个坐标系的位置保持一致，从而实现截面的准确匹配。

如图2所示，该方法具体包括：

步骤1，根据剖分软件中零件截面与剖分坐标系X0Y的相对位置，确定剖分坐标系X0Y在成形区域内的位置。

S1.打印参考标记点

在成形区域内的非截面区任选两点A、B作为参考标记点，如图3a所示，并在该两点进行标记打印，记录该两点在振镜坐标系X’0Y’中的坐标(X_A,Y_A)、(X_B,Y_B)，并反推振镜坐标系X’0Y’。

S2.获取成形区域图像

利用位于成形室顶部的拍照单元对整个成形区域进行拍照，得到成形区域图像，并将该图像传送至计算机。

S3.匹配截面特征点

计算机提取成形区域图像中的截面图像，在截面区内选取任意两个特征点a、b。

根据振镜系统中参考标记点A、B的坐标(X_A,Y_A)或(X_B,Y_B)，及特征点a、b与参考标记点A或B的相对位置，计算并记录特征点在振镜坐标系X’0Y’中的坐标(x₁’，y₁’)和(x₂’，y₂’)。

在剖分软件中的截面上匹配特征点a、b，记录特征点a、b在剖分坐标系X0Y中的坐标(x₁，y₁)和(x₂，y₂)。

S4.反推剖分坐标系X0Y在成形区域内的位置

(1)根据剖分坐标系X0Y中两特征点a、b相对于剖分坐标系X0Y原点的位置，及振镜坐标系X’0Y’中两特征点的坐标(x₁’，y₁’)和(x₂’，y₂’)，反推剖分坐标系X0Y原点在成形区域内的位置。

(2)根据公式(1)计算剖分坐标系X0Y中两特征点的连线与剖分坐标系X0Y坐标轴的夹角α，如图4所示。

根据剖分坐标系X0Y中两特征点连线与剖分坐标系X0Y坐标轴的夹角α，及振镜坐标系X’0Y’中两特征点连线，反推剖分坐标系X0Y在成形区域内坐标轴的方向。

由步骤(1)、(2)得到剖分坐标系X0Y在成形区域内的位置。

步骤2，根据成形区域内振镜坐标系X’0Y’与剖分坐标系X0Y的相对位置，通过将振镜坐标系X’0Y’旋转θ角度、平移距离，使其与成形区域内剖分坐标系X0Y完全重合，如图3b、3c所示，来确保截面相对于两个坐标系的位置保持一致，完成截面的准确匹配。

为了进一步确保剖分坐标系反推的准确性，尤其对于截面复杂的零件而言，在步骤S3中，可选取3个以上的特征点，两两组合后，分别进行上述特征点匹配和剖分坐标系X0Y反推，比较反推得到的各组剖分坐标系X0Y在成形区域内的位置是否一致，若一致，则表明匹配成功，执行步骤2；若不一致，则表明匹配失败，重新执行步骤S3、S4，直至匹配成功，再执行步骤2，避免出现匹配错误。

经过上述步骤，确保了截面的正确匹配，避免了因错位等问题引起的零件加工失败。

同理，也可通过调整剖分坐标系X0Y的位置，将振镜坐标系X’0Y’旋转θ角度、平移距离，使其与振镜坐标系X’0Y’保持一致，从而完成截面的匹配。

将本发明截面匹配方法用于3D打印复合成形方法进行零件成形的过程如下：

(1)、固定零件

利用工装或者螺钉紧固等方式将已经过机械加工成形的零件基础部分固定在基材上，并将基材放至设备成形区域。

(2)、调平、铺粉

对基材进行调平，并调整工作平面Z轴高度，确保零件已成形基础部分的上表面与成形平面保持一致。然后，将成形区域铺满粉末，为下一步成形做好准备。

(3)、根据剖分软件中零件与剖分坐标系X0Y的相对位置，确定剖分坐标系X0Y在成形面内的位置。

(4)、通过坐标变换，调整振镜坐标系的位置，使二者在成形区域内完全重合，完成截面的匹配。

(5)、打印零件

设备打印系统控制振镜根据变换后的振镜坐标系读取打印点位置，开始打印，直至完成整个零件的打印。

将本发明截面匹配方法用于3D打印过程截面修复的过程如下：

(1)根据剖分软件中零件截面与剖分坐标系X0Y的相对位置，确定剖分坐标系X0Y在成形面内的位置。

(2)、通过坐标变换，调整振镜坐标系的位置，使二者在成形区域内完全重合，完成截面的匹配。

(3)将变换后的振镜坐标系下的截面轮廓与剖分坐标系下截面轮廓进行对比，如图5a、5b所示，识别并提取缺失截面信息。

(4)、打印零件

设备打印系统控制振镜对当前层截面缺失部分进行打印，完成当前层打印后，继续下一层打印，直至完成整个零件的打印。

本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。