一种基于双成形头的快速成型方法

一种基于双成形头的快速成型方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于双成形头的快速成型方法，该方法包括以下步骤：（1）构建出三维实体模型，输出模型数据文件；（2）通过软件程序，识别分析该模型数据文件，先分层后分区处理或先分区再分层处理，得到离散的二维层片信息；（3）通过路径规划程序，对所得离散的二维层片信息进行扫描路径的规划，根据其扫描的轮廓信息，分别规划出两种精度的成形头扫描路径；（4）根据每层扫描的轮廓信息，常规精度成形头针对内部快速度填充；高精度成形头针对轮廓表面高精度填充，二者共同完成这一层的填充制造工作；（5）逐层打印；（6）重复（4）、（5）步骤的工作过程，直到完成所有的打印工作，取出工件；（7）将取出的工件进行后处理。
【专利说明】一种基于双成形头的快速成型方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及快速成型技术，具体为一种基于双成形头的快速成型方法。

【背景技术】
[0002]快速成型的基本原理是根据分层累积方法，收集到相关对象的三维结构信息，将数据建模，并进行层状分解，按层形成各自的数据文件，即一系列的二维层面数据；然后根据不同成形工艺逆向建立加工路径；最后，通过计算机辅助制造程序(CAD)按照预定的加工程序逐层制造成三维产品实体。
[0003]快速成型成形件的精度是指加工后的成形件与原三维模型之间的误差，主要有尺寸误差、形状误差和表面误差。现有的快速成型机普遍采用的是精密伺服运动，完全可以将其运动位置精度控制在微米级的水平。但是，成形件的精度不只是与快速成型机有关，还与其他因素有关。这其中，成形件的“台阶效应”对其精度的影响是比较大的。“台阶效应”是指在实际制造的过程中成形件的理论轮廓线与实际的工作线有一定的差距。梁焱在其《3DP快速成型精度分析》中，分析了影响三维打印机精度的几个问题，并且对其中阶梯效应这个典型问题进行了分析，其提出的有效办法是减小层厚，提高精度。但是它并没有提及因减小层厚而带来效率降低的问题的解决办法。
[0004]同时，华侨大学的刘道远和华中科技大学的程艳阶在其硕士论文中都对快速成型中路径规划对提高成型精度和效率做出了研究，他们都研究了复合扫描路径的方法对于快速成型精度及效率带来的改变，但是都没有提及成形头的对成型精度及效率的影响。
[0005]由于在路径扫描问题上，单纯的轮廓线偏置算法虽然提高了其精度和效率，但是当轮廓比较复杂时，在递归快结束时容易出现干涉现象或者是“孤岛”现象，而且工件的内部区域用偏移线填充对提高精度的意义不大。


【发明内容】

[0006]针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种基于双成形头的快速成型方法。该方法采用双精度成形头，高精度成形头负责工件外部区域的打印制造，常规精度的成形头负责工件内部区域的打印制造，解决了工件的表面质量与整体加工效率难以兼顾的问题。本发明在规划高精度和常规精度的成形头的扫描路径过程中，对内部区域和外部区域分别实行不同的扫描方法，不同的扫描间距，再配合两种不同精度的成形头分区制造，既满足了精度要求，也顾及了成型效率。
[0007]本发明解决所述技术问题所采取的技术方案是:设计一种基于双成形头的快速成型方法，该方法包括以下步骤:
[0008](I)由三维实体造型软件构建出三维实体模型，然后将三维实体模型以模型数据文件的形式输出；所述模型数据文件为STL、SLC、CL1、RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP或DXF文件格式中的一种；
[0009](2)通过软件程序，识别分析该模型数据文件，先沿着三维实体模型成型方向进行二维分层处理，然后对每层进行不同区域划分，分为外部区域和内部区域，然后对外部区域再分层，得到离散的二维层片信息；或者是先对三维实体模型由表面向三维实体模型内部进行内外区域划分，分为外部区域和内部区域，然后再对内、外区域分层，得到离散的二维层片信息；
[0010](3)通过路径规划程序，对所得离散的二维层片信息进行扫描路径的规划，根据其扫描的轮廓信息，分别规划出两种精度的成形头扫描路径:即高精度路径和常规精度路径，然后输出计算机可以识别的包含着分层路径规划信息的文件；
[0011](4)根据每层扫描的轮廓信息，由计算机控制成形头进行制造，常规精度成形头针对内部，快速度填充；高精度成形头针对轮廓表面，高精度填充，二者共同完成这一层的填充制造工作；
[0012](5) 一层打印完以后，工作台不动，准备下一层的打印制造；
[0013](6)重复(4)、(5)步骤的工作过程，直到完成所有的打印工作，取出工件；
[0014](7)将取出的工件进行后处理。
[0015]与现有技术相比，本发明采用双精度成形头，高精度成形头负责工件外部区域的打印制造，常规精度成形头负责工件内部区域的打印制造，高精度成形头与常规精度成形头的精度成N(整数)倍的关系，明显提高了工件的表面质量和整体加工效率；在规划高精度和常规精度的成形头的扫描路径的过程中，对内外轮廓线附近分区，并采用不同的扫描方法，再配合两种不同精度的成形头分区制造，实现了加工工件的高精度和高效率成型。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1为本发明基于双成形头的快速成型方法的软件流程示意图；其中，图1(a)为先分层后分区处理的基于双成形头的快速成型方法的软件流程图，图1(b)为先分区再分层处理的基于双成形头的快速成型方法的软件流程图；
[0017]图2为本发明基于双成形头的快速成型方法一种实施例的扫描路径分区示意图；
[0018]图3为本发明基于双成形头的快速成型方法一种实施例的扫描路径规划流程示意图；
[0019]在图中，1.外部区域，2.内部区域，3.轮廓线。

【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例及附图进一步介绍本发明。下述实施例仅是对本发明的进一步详细地说明及解释，并不以此限定本申请权利要求的保护范围。
[0021]本发明设计的基于双成形头的快速成型方法(简称方法，参见图1-3)具体包括以下步骤:
[0022](I)由三维实体造型软件构建出三维实体模型，然后将三维实体模型以模型数据文件的形式输出；所述模型数据文件为STL、SLC、CL1、RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP或DXF文件格式中的一种；
[0023](2)通过软件程序，识别分析该模型数据文件，先沿着三维实体模型成型方向进行二维分层处理，然后对每层进行不同区域划分，分为外部区域和内部区域，然后对外部区域再分层，得到离散的二维层片信息；或者是先对三维实体模型由表面向三维实体模型内部进行内外区域划分，分为外部区域和内部区域，然后再对内、外区域分层，得到离散的二维层片信息；
[0024](3)通过路径规划程序，对所得离散的二维层片信息进行扫描路径的规划，根据其扫描的轮廓信息，分别规划出两种精度的成形头扫描路径:即高精度路径和常规精度路径，然后输出计算机可以识别的包含着分层路径规划信息的文件；
[0025](4)根据每层扫描的轮廓信息，由计算机控制成形头进行制造，常规精度成形头针对内部，快速度填充；高精度成形头针对轮廓表面，高精度填充，二者共同完成这一层的填充制造工作；
[0026](5) 一层打印完以后，工作台不动，准备下一层的打印制造；
[0027](6)重复(4)、(5)步骤的工作过程，直到完成所有的打印工作，取出工件；
[0028](7)将取出的工件进行后处理。
[0029]本发明方法的进一步特征在于所述高精度成形头与常规精度成形头的精度成整数倍的关系。
[0030]本发明方法的进一步特征在于所述成形头包括激光头、喷头、挤压成形头或熔融挤出头。
[0031 ] 本发明方法的进一步特征还在于所述模型数据文件为STL文件、CLI文件或SLC文件。
[0032]本发明方法的进一步特征还在于该方法的执行机构包括并联机构和串联机构。
[0033]本发明中的模型数据文件是指常用的快速成型模型数据文件，较常用的有STL、SLC及CLI格式的文件，RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP、DXF等文件也可以适用。本发明中所述后处理包括清洗、后固化以及表面光洁处理等步骤，可进一步提高模型的强度和精度。本发明中所述成形头为激光头、喷头、挤压成形头或熔融挤出头等，且不仅限于所述的成形头，其种类适用于快速成型领域所应用的所有成形头。
[0034]本发明方法先分层后分区处理的基于双成形头的快速成型方法的软件流程(参见图1(a))是:
[0035]a.由三维实体造型软件构建出三实体维模型，将三维实体模型以模型数据文件的形式输出；
[0036]b.读取模型数据文件，然后对三维实体模型进行分层处理；
[0037]c.紧接着对每一层再进行分区处理，划分出不同区域，即外部区域和内部区域；轮廓线向实体内部一定距离为外部区域，其余部分为内部区域，但是由于常规精度和高精度成形头工作的层厚不一致，所以在外部区域还要进行分层处理，根据高精度成形头与常规精度成形头之间的整数倍关系，计算出分层层数，这里可以根据B样条曲线法求出，最后对内部区域和外部区域表面进行路径规划，内部区域无精度要求，可以采用简单的扫描方法，外部区域对精度要求高，可以采用能提高精度的扫描方法，比如等距偏移法。最终对整个三维实体模型进行逐层制造，完成工件。
[0038]本发明方法先分区再分层处理的基于双成形头的快速成型方法的软件流程(参见图1(b))是:
[0039]a.由三维实体造型软件构建出三维实体模型，将三维实体模型以模型数据文件的形式输出；
[0040]b.读取模型数据文件，然后根据模型数据文件对三维实体模型由表面向三维实体模型内部进行内外区域划分，以表面向三维实体模型内部一定距离为准，分为外部区域和内部区域，但是由于常规精度和高精度成形头工作的层厚不一致，所以在内外区域再进行分层处理，根据高精度成形头与常规精度成形头之间的整数倍关系，计算出分层层数，这里可以根据CSG法求出，接着获取轮廓线信息，分别对外部区域和内部区域进行扫描路径规划，同时，外部区域采用提高精度的扫描方法，比如等距偏移法，内部区域可以采用简单的扫描方法提高效率，高精度成形头制造外部区域，常规精度成形头制造内部区域，最终对整个三维实体模型进行逐层制造，完成工件。
[0041]本发明方法先分层后分区处理的基于双成形头的快速成型方法的扫描路径分区(参见图2)的具体方法是:首先获取轮廓线信息，识别轮廓线3，然后在轮廓线附近进行分区，即分为轮廓线附近区域和内部区域2，其中轮廓线附近区域也就是外部区域I为高精度扫描区域，内部区域2为常规精度扫描区域。
[0042]本发明方法先分层后分区处理的基于双成形头的快速成型方法的扫描路径规划(参见图3)是采用等距偏移扫描和平行线扫描方法，结合双成形头工作并应用分区扫描技术，实现扫描路径的规划。首先获取二维层面的轮廓线信息，然后进行轮廓线的修整，将内外轮廓线附近进行分区，即分为轮廓线附近区域(外部区域I)和内部区域2，在轮廓线附近区域获得轮廓线附近区域的轮廓偏移次数，采用等距偏移扫描方法，利用高精度成形头扫描轮廓线偏移区域；内部区域采用平行线扫描方法，利用常规精度的成形头扫描内部平行线区域；然后由内向外进行扫描，可使应力得到有效释放，扫描一层后再进行下一层扫描，最终完成整个扫描过程。
[0043]本发明方法中先分区再分层处理的基于双成形头的快速成型方法的扫描路径规划及扫描路径分区方法与先分层后分区处理的基于双成形头的快速成型方法的扫描路径规划及扫描路径分区方法类似。
[0044]本发明方法在硬件上由工控机发出指令，控制卡控制伺服电机运作，在逐层制造的过程中，由内向外制造，由于高精度的层厚要比常规精度的层厚小，要适时对这两个成形头切换，制造完内部区域，Z轴移动到外部区域时，要下降(N-1)个高精度层厚高度，开始制造外部高精度区域，通过传感器可即时反馈工作情况及其影响因素，方便于工控机适时地调整指令。本发明方法的执行机构包括并联机构和串联机构。
[0045]实施例1
[0046]本实施例为本发明方法在SLA领域中的应用，利用本发明方法可以使用微光、紫外光两种不同频率的激光发射器协同合作，紫外光固化实体件内部，提高工作效率，微光固化表面，提高精度，既满足当前对精度的需求，也提高了工作效率，而且还能降低机械设备的成本。
[0047]本实施例以先分层后分区处理的基于双成形头的快速成型方法为例，其具体步骤如下:
[0048](I)首先由三维实体造型软件构建出三维实体模型，然后将三维实体模型以STL文件格式输出，STL文件是一种用三角形面片来表示三维实体模型的文件格式，它用包围着二维容积的网格表不实体二维彳目息。
[0049](2)通过软件程序，识别分析STL文件，沿着三维实体模型成型方向进行二维分层处理，将整个三维实体模型离散成一系列的连续的二维层片信息，设定每一层的厚度，精度要求越高，层厚越小。对这一层进行分区，取轮廓线向内偏移(0.01-20.00)mm为外部区域，其余部分为内部区域(参见图2)。
[0050](3)通过路径规划程序，对这些离散的二维层片信息进行扫描路径的规划，根据其扫描的轮廓信息，分别规划出两种精度的激光头扫描路径(参见图3)，即一个扫描实体内部，另外一个扫描实体表面，然后以输出计算机可以识别的包含着分层路径规划信息的文件。
[0051](4)计算机控制工作台停靠在一个合理的高度，然后控制激光头根据每层的二维层片信息，进行制造，这两个激光头协同工作；紫外光激光发射器工作，紫外光激光头填充成形件内部，速度快；微光激光发射器工作，通过透镜、反射镜针对最外围表面填充制造，精度高。二者共同完成这一层的填充制造工作。
[0052](5) 一层打印完以后，工作台不动，刮板沿X轴运动，在原先已固化的树脂表面上均匀地涂覆上一层新的液态树脂，工作台下降，准备下一层的打印制造。
[0053](6)重复(4) (5)的工作过程，直到完成所有的打印工作，上升工作台，取出工件。
[0054](7)对工件进行清洗、后固化以及表面光洁处理。
[0055]本实施例为制作一个半径为1mm,高度为1mm的圆柱，设置的扫描速度为3500mm/s,层厚为0.1Omm,外部区域扫描间距为0.2mm,内部区域扫描间距为0.3mm,按照上面的步骤比较传统工艺和应用本发明工艺制作模型时间和精度。
[0056]传统工艺:制作一层，采用等距偏移扫描路径，路径约为1601.4mm，耗时0.458s，总耗时45.8s，表面精度为±0.1mm。
[0057]而利用本发明方法，制作一层，轮廓线附近区域等距偏移2次，其余内部区域采用平行线扫描方法，外部区域打印两层与内部区域层厚平齐，路径计算约得682.8mm，耗时
0.195s，总耗时19.5s，表面精度为亚微米级。
[0058]由此可以看出，本发明方法明显提高了其加工工件的精度和成型效率。
[0059]本发明方法中无论是采用先分层后分区处理还是采用先分区再分层处理均能显著提高工件的表面质量和整体加工效率。
[0060]本实施例中设置适当的双成形头的精度，高精度成形头与常规精度成形头的精度成整数倍的关系，明显提高了工件的表面质量和整体加工效率。本发明方法也同样适用于FDM、L0M、3DP的工艺制作过程，并能满足加工工件的高精度和高成型效率的要求。
[0061]本发明中未述及之处均适用现有技术。
【权利要求】
1.一种基于双成形头的快速成型方法，该方法包括以下步骤: (1)由三维实体造型软件构建出三维实体模型，然后将三维实体模型以模型数据文件的形式输出；所述模型数据文件为STL、SLC、CL1、RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP或DXF文件格式中的一种； (2)通过软件程序，识别分析该模型数据文件，先沿着三维实体模型成型方向进行二维分层处理，然后对每层进行不同区域划分，分为外部区域和内部区域，然后对外部区域再分层，得到离散的二维层片信息；或者是先对三维实体模型由表面向三维实体模型内部进行内外区域划分，分为外部区域和内部区域，然后再对内、外区域分层，得到离散的二维层片信息； (3)通过路径规划程序，对所得离散的二维层片信息进行扫描路径的规划，根据其扫描的轮廓信息，分别规划出两种精度的成形头扫描路径:即高精度路径和常规精度路径，然后输出计算机可以识别的包含着分层路径规划信息的文件； (4)根据每层扫描的轮廓信息，由计算机控制成形头进行制造，常规精度成形头针对内部，快速度填充；高精度成形头针对轮廓表面，高精度填充，二者共同完成这一层的填充制造工作； (5)一层打印完以后，工作台不动，准备下一层的打印制造； (6)重复(4)、(5)步骤的工作过程，直到完成所有的打印工作，取出工件； (7)将取出的工件进行后处理。
2.根据权利要求1所述基于双成形头的快速成型方法，其特征在于所述高精度成形头的精度与常规精度成形头的精度成整数倍关系。
3.根据权利要求1所述基于双成形头的快速成型方法，其特征在于所述成形头为激光头、喷头、挤压成形头或熔融挤出头。
4.根据权利要求1所述基于双成形头的快速成型方法，其特征在于所述模型数据文件为STL文件、CLI文件或SLC文件。
5.根据权利要求1所述基于双成形头的快速成型方法，其特征在于该方法的执行机构包括并联机构和串联机构。
【文档编号】B29C67/00GK104175556SQ201410361039
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月26日 优先权日:2014年7月26日
【发明者】朱东彬, 曲云霞, 段国林, 王腾飞 申请人:河北工业大学