一种交替进行外壁堆焊和内部填充的金属实体打印方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，尤其是涉及一种交替进行外壁堆焊和内部填充的金属实体打印方法。

背景技术：

增材制造技术俗称3d打印，是通过将材料逐层添加堆积最终得到所需工件的数字化制造技术。近年随着金属的增材制造技术飞速发展，很多通过传统方法难以加工或成本高昂的金属部件，可通过金属增材制造工艺快速实现。目前，金属增材制造技术已经在诸多领域实现应用。其中，电弧增材制造具有诸多优点，如高沉积率、制造周期短、丝材利用率高、低成本等。另外其成形件的致密度高、化学成分均匀，机械性能优良。

如公开号为cn207642290u的中国专利文献公开了一种单金属电弧式3d打印装置，包括x轴联动机构、y轴联动机构、z轴联动机构以及用于控制x轴联动机构、y轴联动机构和z轴联动机构进行三轴联动的控制系统，所述x轴联动机构上设有一个用于打印工件的焊枪，且该x轴联动机构安装在z轴联动机构上可带动焊枪实现x方向和z方向的移动；所述y轴联动机构上设有可随其进行y方向移动的工件基板，该工件基板位于焊枪的下方。

但电弧增材制造过程中，丝材变成高温融熔状态，如果采用传统的三自由度打印模式，堆焊成形一些倾斜结构时会发生严重的挂流坍塌现象。因此一般利用多自由度的机械臂进行金属堆焊成形。

但是如果打印金属实体时，整个堆焊加工过程均采用多自由度变姿态打印，有时会出现较多的干涉情况，并且路径规划更为复杂，因此若能将传统固定姿态竖直打印和多自由度变姿态打印结合起来在金属实体打印中将大大提高加工效率并保证成形的稳定性。但是，现在还没有结合两种打印形式的方法用于金属成形。

技术实现要素：

本发明提供了一种交替进行外壁堆焊和内部填充的金属实体打印方法，解决了传统三轴增材中工件某些位置会产生挂流的问题。

本发明的技术方案如下：

一种交替进行外壁堆焊和内部填充的金属实体打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取待加工的工件stl模型，设定打印参数，所述打印参数包括增材过程层高、送丝速度、打印速度和焊道间距；

(2)对整个模型按设定的增材过程层高进行水平切片，得到切片轮廓线段集合a，对切片轮廓线的内部进行填充得到内部路径线段集合s；

(3)对工件stl模型进行分析，得到模型外壁挂流区和外壁非挂流区，并获取模型高度h；

(4)对于集合a中落在挂流区内的切片轮廓线段，将最低轮廓线段之外的其他所有轮廓线段删除，并选取该最低轮廓线段作为基线，在外壁曲面上以增材层高进行连续等距偏置获得偏置轮廓线段集合b；

(5)对集合a、b、s中的线段进行排序规划构成模型的增材路径；

(6)构建平面z1＝h和z2＝0，其中h的取值小于焊丝的干伸长；

(7)依次选取集合b、集合a∪s中位于平面z1和z2之间的线段，形成增材打印序列；

(8)判断z1与h的关系，若z1<h，则更新z1和z2的值，z1＝z1+h、z2＝z2+h并返回步骤(7)，否则，执行步骤(9)；

(9)根据以上得到的增材打印序列，生成模型增材路径，其中，集合b中的线段采用变姿态打印，集合a∪s中线段采用传统固定姿态打印；并生成机器人运动代码；

(10)在增材制造平台上交替进行变姿态外壁堆焊和固定姿态内部填充的打印过程。

本发明使用变姿态打印工件外壁挂流区保证了成形的稳定性，同时外壁非挂流区和实体内部均仍采用传统三轴增材，而不是都采用多自由度变姿态加工，能更好地规避干涉。

步骤(3)中，所述外壁挂流区和外壁非挂流区的划分标准为：将工件外壁上法矢位于空间xy平面下的所有位置集合划分为外壁挂流区，将工件外壁上除去挂流区外的所有位置集合划分为外壁非挂流区。

步骤(6)中，由于焊丝的干伸长一般为12mm左右，为了在固定姿态打印外壁非挂流区的轮廓线段及内部填充时可以保证焊枪不与已打印成形的外壁挂流区部分形成干涉，h的取值优选为8～10mm。进一步地，h的取值为8mm。

步骤(7)中，在平面z1至z2的竖直高度区间h内，先打印该高度区间内挂流区外壁轮廓线段，再逐层打印外壁其他区域和完成内部填充，形成该高度区间内增材打印序列。

步骤(9)中，变姿态的打印方向d由该点处工件表面的法向n和该点处基线或偏置线的切向t的叉乘n×t获得；传统固定姿态的打印方向为竖直z方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的交替进行外壁堆焊和内部填充的金属实体打印方法通过对工件容易产生挂流的区域进行变姿态打印，避免了垂直打印某些倾斜位置时发生挂流坍塌的问题，保证了成形的稳定性。同时交替打印外壁挂流区与其他位置，避免了干涉，保证了堆焊的持续性。

附图说明

图1为本发明一种交替进行外壁堆焊和内部填充的金属实体打印方法流程示意图；

图2为本发明实施例选取的工件模型示意图；

图3为本发明实施例对工件模型按增材层高进行水平切片，得到切片轮廓线段并完成填充得到内部路径线段示意图；

图4为本发明实施例对外壁挂流区连续等距偏置获得偏置轮廓线段示意图；

图5为本发明实施例构建的平面z1＝8mm和平面z2＝0mm示意图；

图6为本发明实施例中交替高度设为8mm时焊枪与外壁挂流区不会发生干涉示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种交替进行外壁堆焊和内部填充的金属实体打印方法，包括以下步骤：

步骤1，获取待加工的工件stl模型，如图2所示，设定增材过程层高为2.0mm，堆焊增材速度为0.011m/s，送丝速度为5.0m/min，焊道间距为4.0mm。

本实施例选用的打印材料为直径1.2mm的er5356不锈钢焊丝。保护气体为2％的氧气和98％的氩气的混合气体。保护气流设定为20l/min。

步骤2，对整个模型按增材层高进行水平切片，如图3所示，得到切片轮廓线段集合a并完成填充得到内部路径线段集合s。

步骤3，对stl模型进行分析，得到模型外壁挂流区和非挂流区，获取模型高度h＝50mm。

外壁挂流区的定义为工件外壁上法矢位于空间xy平面下的所有位置的集合，即图2中区域c。外壁非挂流区的定义为工件外壁上除去挂流区外的所有的位置的集合，即图4中区域a、区域b、区域d和区域f。

步骤4，如图4所示，对于集合a中落在每个挂流区内的切片轮廓线段，删除除最低轮廓线段外的其他所有轮廓线段，选取最低的轮廓段作为基线，在外壁曲面上以增材层高进行连续等距偏置获得偏置轮廓线段集合b。

步骤5，对集合a、b、s中的线段进行排序规划构成模型增材路径。

步骤6，构建平面z1＝8mm和z2＝0mm，如图5所示。

步骤7，依次选取集合b，a∪s中位于平面z1和z2之间的线段形成增材打印序列。

在竖直高度变化范围8mm内，先打印该高度区间内挂流区外壁轮廓线段，再逐层打印外壁其他区域和完成内部填充，形成该高度区间内增材打印序列。竖直高度变化范围设定为8mm，是因为焊枪的干伸长一般设定为12mm，如图6所示，因而在固定姿态打印外壁非挂流区的轮廓线段及内部填充时可以保证焊枪不与已打印成形的外壁挂流区部分形成干涉。

步骤8，判断z1与h的关系，若z1<h，则z1＝z1+8，z2＝z2+8并返回步骤7，否则，执行步骤9。

步骤9，根据以上规划，生成模型增材路径，其中，集合b中的线段采用变姿态打印，集合a∪s中线段采用传统固定姿态打印；并生成机器人运动代码。变姿态的打印方向d由该点处工件表面的法向n和该点处基线或偏置线的切向t的叉乘n×t获得，如图4所示。传统固定姿态为竖直z方向。

步骤10，在增材制造平台上交替进行变姿态外壁堆焊和固定姿态内部填充的打印过程。

本发明的打印方法，解决了传统三轴增材中工件某些位置会产生挂流的问题。使用变姿态打印工件外壁挂流区保证了成形的稳定性。同时外壁非挂流区和实体内部均仍采用传统三轴增材而不都采用多自由度变姿态加工能更好地规避干涉。为了避免在打印其他待打印的区域时焊枪与已打印的外壁挂流区发生干涉，采用了每8mm交替进行打印外壁挂流区域和其他区域的策略，保证了堆焊过程的可持续性。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。