本发明涉及增材制造领域，尤其是一种激光选区熔化扫描策略。
背景技术：
增材制造又称3d打印，能够成型复杂形状零件、成型精度高、节约材料，具有复杂物品成型的成本优势，能够进行个性化定制服务，简化了生产流程，而且生产过程中节能环保。目前已广泛应用于航空航天、生物医疗、军工、建筑、汽车、珠宝、模具等行业。
激光选区熔化成型工艺(slm)是3d打印技术的一种，尤其针对个性化定制、复杂结构一体化成型等应用可以提供一种理想的解决方案，因此在航空航天和生物医疗领域拥有广阔的应用前景。但是航空航天领域和生物医疗领域，尤其是牙科领域，对零部件的表面质量要求非常高，slm工艺成型的零件表面质量还无法与切削件相比，工艺参数的不合理设置导致成型件的表面粗糙，后续处理繁琐。特别是对于悬垂面而言，其表面质量相对更差，针对这一问题，相关技术人员虽然一直在努力探究改进方法，但是一直未取得较好的进展。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光选区熔化扫描策略及成型工艺，可以有效提高成型件表面质量，特别是悬垂面的成型质量。
本发明公开的激光选区熔化扫描策略，其层面扫描包括如下区域扫描：
轮廓扫描：沿层面的外部轮廓线进行扫描；
内部填充线扫描：在层面的内部区域进行填充扫描；
上表皮扫描：在轮廓线内侧的上表皮区域进行扫描，所述上表皮区域位于层面靠近成型件的上表面的一侧，并且上表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度d1满足以下关系式：
d1＝ah·tanα，
其中，h为扫描层的层厚，a的取值范围为1≤a≤4，α为层面所在位置对应的上表面与竖直面的夹角或者切面与竖直面的夹角，α的取值范围为0°＜α＜90°；
下表皮扫描：在轮廓线内侧的下表皮区域进行扫描，所述下表皮区域位于层面靠近成型件的下表面的一侧，并且下表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度d1满足以下关系式：
d2＝bh·tanβ，
其中，h为扫描层的层厚，b的取值范围为1≤a≤3，β为层面所在位置对应的下表面与竖直面的夹角或者切面与竖直面的夹角，β的取值范围为0°＜β＜90°。
优选地，所述α的取值范围为30°≤α≤60°，所述β的取值范围为30°≤β≤60
优选地，所述外部轮廓扫描为双层轮廓扫描，包括位于外侧的外轮廓扫描和位于内侧的内轮廓扫描。
优选地，所述外部轮廓扫描为单层轮廓扫描。
优选地，所述外部轮廓扫描的区域包括上轮廓、标准轮廓和下轮廓，所述上轮廓为成型件上表皮区域对应的轮廓，所述下轮廓为成型件下表皮区域对应的轮廓，所述标准轮廓为成型件的竖直面对应的轮廓。
优选地，所述上轮廓、标准轮廓、下轮廓的扫描激光功率均为150w～200w，扫描速度设为800mm/s～1300mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm。
优选地，激光线能量密度为0.15j/mm～0.19j/mm。
优选地，所述上表皮区域的宽度为0.05～0.20mm，扫描激光功率为200w～250w，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm。
优选地，激光线能量密度为0.16j/mm～0.2j/mm。
优选地，所述下表皮区域的宽度为0.03～0.15mm，扫描激光功率为150w～200w，扫描速度为1500mm/s～2000mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm。
优选地，激光线能量密度设0.09～0.11j/mm。
优选地，所述内部填充线扫描采用单向扫描，相邻的不同层面之间进行扫描角度转换。
优选地，所述内部填充线扫描的激光功率为200w～250w，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s,激光光斑的直径0.07～0.11mm。
优选地，即激光线能量密度设为0.16j/mm～0.2j/mm。
优选地，各区域的扫描顺序依次为内部填充线扫描、下表皮扫描、上表皮扫描及轮廓扫描；或者依次为内部填充线扫描、上表皮扫描、下表皮扫描及轮廓扫描
本发明的有益效果是：
1.添加轮廓和表皮扫描，成型件表面具有明显的金属光泽，表面质量较优；
2.由于内部填充线能量密度较高，粉末冶金结合充分，成型件性能较好；
3.在保证能量密度足够熔化成型的前提下，提高了扫描速度，成型效率较高。
4、特别是对于成型件的悬垂面而言，可以减少其表层的台阶效应，进而提高其成型质量。
附图说明
图1是本发明的实施例的成型零件示意图；
图2为图1成型零件虚线位置的横向剖视图；
图3为上表皮区域的选取示意图；
图4为下表皮区域的选取示意图。
附图标记：外轮廓扫描路径1，内轮廓扫描路径2，上表皮区域3，下表皮区域4，内部扫描区域5。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
激光选区熔化成型工艺通常包括如下步骤：
数据处理：将设计好的成型件进行分层处理，
增材加工：采用下述的激光选区熔化扫描策略对分层处理后的每个层面进行激光扫描加工。
本发明改进了激光选区熔化扫描策略，其层面扫描包括如下区域扫描：
轮廓扫描：沿层面的外部轮廓线进行扫描；
内部填充线扫描：在层面的内部区域进行填充扫描；
上表皮扫描：在轮廓线内侧的上表皮区域进行扫描，所述上表皮区域位于层面靠近成型件的上表面的一侧，并且上表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度d1满足以下关系式：
d1＝ah·tanα，
其中，h为扫描层的层厚，a的取值范围为1≤a≤4，α为层面所在位置对应的上表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，α的取值范围为0°＜α＜90°；
下表皮扫描：在轮廓线内侧的下表皮区域进行扫描，所述下表皮区域位于层面靠近成型件的下表面的一侧，并且下表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，所述上表皮区域的宽度d1满足以下关系式：
d2＝bh·tanβ，
其中，h为扫描层的层厚，b的取值范围为1≤a≤3，β为层面所在位置对应的下表面与竖直面的夹角或者其切面与竖直面的夹角，β的取值范围为0°＜β＜90°。
如上所述本发明将每个层面分不同区域扫描，包括轮廓扫描(contour)、表皮扫描(skin)和内部填充线扫描(stripes)。其中轮廓扫描的目的是提高表面亮度，上表皮扫描和下表皮扫描主要是为了使得表层结构熔化彻底，获得均匀的组织，上表皮扫描和下表皮扫描的定位十分重要，对于两个对应表面的质量有着关键的影响，如图3所示，上表皮位于层面靠近成型件的上表面的一侧，并且上表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，这里的上表面即是指成型件增材制造设计摆放完成后，其朝上的表面，包括朝上的倾斜平面、曲面等等；相似的，所述下表皮区域位于层面靠近成型件的下表面的一侧，并且下表皮区域位于外部轮廓线与内部区域之间，下表面则是指成型件增材制造设计摆放完成后，其朝下的表面，同样包括朝下的倾斜平面、曲面等等；这是上下表皮区域的位置确定，位置确定后需要确定上下表皮区域的宽度，宽度太窄或者太厚均无法实现提高表面质量的目的。如图3所示，为上表皮区域的选取示意图，其中d1’表示上表皮区域的最小宽度，d1表示上表皮区域的最大宽度；如图4所示，d2’表示下表皮区域的最小宽度，d2则表示下表皮区域的最大宽度。内部填充线扫描要使得成型件内部充分熔化，粉末之间实现冶金接合，达到良好的力学性能。通过上述的分区域扫描可以得到良好的表面质量。上述区域的扫描顺序可以是由内至外或者由外至内等方式，不过最优选的方式为由内至外扫描，即是各区域的扫描顺序依次为内部填充线扫描、下表皮扫描、上表皮扫描及轮廓扫描；或者依次为内部填充线扫描、上表皮扫描、下表皮扫描及轮廓扫描可以获得最优的效果。
实际上，所述的α和β都不能过大或者过小，否则是不利于上下表皮区域的设置的，作为优选方式，所述α的取值范围为30°≤α≤60，所述β的取值范围为30°≤β≤60。此时，最易设置上下表皮区域，且能加工出表面质量更好的成型件。因此，可以根据α和β的大小要求，在设计成型件过程中，就注意设计增材制造过程中的成型件的摆放角度，使其最多的表面能够达到上述要求。
轮廓扫描可以采用双层轮廓扫描或者单层轮廓扫描。所谓双层轮廓扫描即包括位于外侧的外轮廓扫描和位于内侧的内轮廓扫描。采用双层扫描成型的表面更亮，但易出现边缘凸起、熔道凸显等过熔现象，因此，多数情况下可采用单层轮廓扫描，单层轮廓扫描时，光斑补偿值(beamoffset)设为0。在具有悬垂面的成型件中，所述外部轮廓扫描的区域包括上轮廓、标准轮廓和下轮廓，所述上轮廓为成型件上表面对应的轮廓，所述下轮廓为成型件下表面对应的轮廓，所述标准轮廓为成型件竖直面对应的轮廓。上轮廓、标准轮廓、下轮廓的工艺参数设为一致，激光功率设为150w～200w，扫描速度设为800mm/s～1300mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm。进一步来讲，激光线能量密度设为0.15j/mm～0.19j/mm。
表皮扫描主要是为了使得表层结构熔化彻底，获得均匀的组织。上表皮下部是基体，因此设置激光能量密度较高，充分熔化，且宽度较大；下表皮下部已无实体，因此设置激光能量密度较低，防止过熔，且宽度较小。试验发现，所述上表皮区域的宽度为0.05～0.20mm，扫描激光功率为200w～250w，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm，进一步来讲，激光线能量密度设为0.16j/mm～0.2j/mm，此时上表面成型质量最佳；所述下表皮区域的宽度为0.03～0.15mm，扫描激光功率为150w～200w，扫描速度为1500mm/s～2000mm/s，激光光斑的直径0.07～0.11mm。进一步来讲，激光线能量密度设为0.09～0.11j/mm，此时，下表面成型质量最佳。
内部填充线扫描要使得成型件内部充分熔化，粉末之间实现冶金接合，需要较高的能量密度，同时为了提高加工效率，采用单向扫描，相邻的不同层面之间进行扫描角度转换。内部填充线扫描参数设置，所述内部填充线扫描的激光功率为200w～250w，扫描速度为1000mm/s～1500mm/s,激光光斑的直径0.07～0.11mm，进一步来讲，激光线能量密度设为0.16j/mm～0.2j/mm。
如图1所示为本发明一个试验的成型零件示意图，图2为图1成型零件虚线位置的横向剖视图，其展现了单个扫描层的各扫描区域。如图3所示，该成型零件采用了双层轮廓扫描方式，外侧为外轮廓扫描路径1，内侧为内轮廓扫描路径2，中部大面积区域为内部扫描区域5，在上表面轮廓与内部扫描区域5之间设置有上表皮区域3，在下表面轮廓与内部扫描区域5之间设置有下表皮区域4。
下面分别采用现有的扫描策略和本发明的扫描策略，进行结果比较。其中下表中编号1采用了现有的扫描方式对图1所示的零件进行加工。编号2和3是采用了本发明的扫描策略加工相同的零件，各实施方式中均采用了钛合金金属粉末作为原料，扫描层厚度均为0.03mm，。记该图2右侧轮廓对应的上表面为表面a，图2左侧对应的下表面为表面b，图2上下对应的两侧表面分别为表面c和表面d，表面a和表面b与竖直面的夹角均为45°。分别对成型零件的各表面参数进行测量，具体结果如下表所示。
从上表中可以看出，采用本发明的扫描策略可以大幅提高成型件的表面质量，特别是对于上表面和下表面(悬垂面)而言，提高效果更为明显。