本发明涉及选择性激光烧结领域，具体涉及一种用于增材制造的多激光扫描方法。
背景技术：
选择性激光烧结工艺的基本过程是：根据待成型的零部件，构建对应的三维模型，并对该模型执行分层切片及离散处理，由此获得每一个离散层的模型轮廓。送粉装置将一定量粉末送至工作台面，铺粉装置将一层粉末材料平铺在成型缸上，加热装置将粉末加热至设定的温度，振镜系统控制激光器按照第一层离散层的截面轮廓对粉末层进行扫描，使粉末熔化并实现粘接；当第一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺粉装置在已成型的截面上铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的扫描烧结，经若干层扫描叠加，直至完成整个原型制造。
在上述工艺过程中，通常由一个振镜系统控制一个激光器来实现整个截面的扫描烧结。随着工业化和激光打印技术的发展，烧结成型区域的截面面积逐渐增加，加之对成型效率要求的不断提升，传统的单激光烧结已无法满足需求，因此多激光分区域扫描烧结成为了增材制造面向高效率、大尺寸及批量制造的新一代成型工艺，是选择性激光成型工艺发展的新趋势。
多激光器分区域扫描不可避免存在相邻扫描区域的扫描搭接线，即供相邻激光扫描头共同扫描的扫描拼接线，由于存在重复烧结，扫描区域的应力较大，且表面质量也较差。
技术实现要素：
基于此，有必要提供一种减少拼接区域应力、并提高拼接区域表面质量的用于增材制造的多激光扫描方法。
一种用于增材制造的多激光扫描方法，根据多激光扫描系统中各激光扫描头的位置关系，对三维模型切片后获得的各离散层进行对应的扫描区域划分，每层离散层的相邻扫描区域之间形成供对应的相邻激光扫描头共同扫描的扫描拼接线，所述扫描拼接线为非直线；至少一层离散层中的至少部分扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线不重合。
本发明通过研究发现，通过将扫描拼接线设置为非直线，并将至少一层离散层中的至少部分扫描拼接线设置为在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线不重合，可显著避免因烧结能量集中带来的明显拼接痕迹，从而提高多激光烧结成型工件表面质量，并且可显著避免因重复烧结带来的性能下降，改善拼接区域的热学性能，从而提高拼接区域的力学性能，减小工件的形变和应力。
在其中一个实施例中，至少一层离散层中的所有扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线均不重合。
在其中一个实施例中，所有离散层中的至少部分扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线均不重合。
在其中一个实施例中，所有离散层中的所有扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线均不重合。
所有离散层中的所有扫描拼接线在其他离散层上的投影与该其他离散层上对应的扫描拼接线均不重合。
在其中一个实施例中，所述不重合为部分不重合和完全不重合中的一种。
在其中一个实施例中，相邻离散层对应的扫描拼接线形状不相同。
在其中一个实施例中，每层离散层上的扫描拼接线的形状选自多段折线和曲线中的至少一种。
在其中一个实施例中，每层离散层的相邻扫描区域之间具有扫描搭接区，对应的相邻激光扫描头的扫描拼接线位于所述扫描搭接区内。
在其中一个实施例中，其中一层离散层中的扫描搭接区在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描搭接区重合。
在其中一个实施例中，在进行扫描区域划分之后，多激光扫描系统中各激光扫描头获得各离散层中对应的扫描拼接线的路径坐标，并按照各离散层中对应的扫描拼接线的路径坐标对其对应的扫描区域进行逐层扫描。
附图说明
图1为实施例1采用本发明的方法进行第一层截面扫描时的俯视示意图；
图2为实施例1采用本发明的方法进行第二层截面扫描时的俯视示意图；
图3为实施例1采用本发明的方法进行第三层扫描截面时的俯视示意图；
图4为实施例1采用本发明的方法进行扫描成型时的侧视示意图；
图5为实施例2采用本发明的方法进行扫描成型时的俯视示意图；
图6为实施例2采用本发明的方法进行扫描成型时的侧视示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供了一实施方式的用于增材制造的多激光扫描方法，根据多激光扫描系统中各激光扫描头的位置关系，对三维模型切片后获得的各离散层进行对应的扫描区域划分，每层离散层的相邻扫描区域之间形成供对应的相邻激光扫描头共同扫描的扫描拼接线，所述扫描拼接线为非直线；至少一层离散层中的至少部分扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线不重合。
其中，不重合为部分不重合和完全不重合中的一种。
传统技术的扫描拼接线一般为直线，且一层离散层中的扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线一般是重合的，因而烧结能量过于集中，会导致扫描拼接区域应力和热量无法分散，从而影响了制件的表面质量和力学性能。传统技术有将一层离散层中的直线型扫描拼接线在相邻离散层上的投影旋转相应角度获得相邻层对应的扫描拼接线，实践表明，该分区域扫描烧结方法成型的工件的拼接区域热学性能改善有限，工件的拼接区域仍存在较大的形变和应力。
本发明通过研究发现，通过将扫描拼接线设置为非直线，并将至少一层离散层中的至少部分扫描拼接线设置为在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线不重合，可显著减少因烧结能量集中带来的明显拼接痕迹，从而提高多激光烧结成型工件表面质量，并且可显著减少因重复烧结带来的性能下降，改善拼接区域的热学性能，从而提高拼接区域的力学性能，减小工件的形变和应力。
在其他实施方式中，至少一层离散层中的所有扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线均不重合。可进一步减少因烧结能量集中带来的工件表面质量及性能下降，提高拼接区域的力学性能。
在其他实施方式中，所有离散层中的至少部分扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线均不重合。也可进一步减少因烧结能量集中带来的工件表面质量及性能下降，提高拼接区域的力学性能。
在本实施方式中，所有离散层中的所有扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线均不重合。可大幅减少因烧结能量集中带来的工件表面质量及性能下降，从而大幅提高拼接区域的力学性能。
进一步地，在本实施方式中，所有离散层中的所有扫描拼接线在其他离散层上的投影与该其他离散层上对应的扫描拼接线均完全不重合。可最大程度减少因烧结能量集中带来的工件表面质量及性能下降，从而最大程度提高拼接区域的力学性能。
其中，可通过将相邻离散层对应的扫描拼接线相互错开设置实现相邻层上对应的扫描拼接线不重合。因而相邻离散层对应的扫描拼接线形状可相同，也可不相同。
在本实施方式中，相邻离散层对应的扫描拼接线形状不相同，可进一步减少因烧结能量集中带来的工件表面质量及性能下降，提高拼接区域的力学性能。
进一步地，在本实施方式中，每层离散层上的扫描拼接线的形状选自多段折线和曲线中的至少一种。实践表明，与直线形的扫描拼接线相比，形状为多段折线和曲线的扫描拼接线烧结能量更分散。
在本实施方式中，每层离散层的相邻扫描区域之间具有扫描搭接区，对应的相邻激光扫描头的扫描拼接线位于该扫描搭接区内。设置扫描搭接区，有利于合理控制各扫描区域的大小及便于定位扫描拼接线的位置。
在本实施方式中，其中一层离散层中的扫描搭接区在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描搭接区重合。
在本实施方式中，在进行扫描区域划分之后，使多激光扫描系统中各激光扫描头获得各离散层中对应的扫描拼接线的路径坐标，控制各激光扫描头对其对应的扫描区域进行逐层扫描，即可成型所需三维物体。
本文中，共同扫描包括扫描点重合或扫描能量重合。
以下为具体实施例
实施例1
请参阅图1～图3，本实施例采用两套振镜系统，振镜系统1和振镜系统2，每个振镜系统可以是两轴结合场镜扫描系统，也可以是三轴动态聚焦扫描系统；在对某一离散层的截面轮廓根据对应的振镜系统进行区域划分后，每个振镜系统独立控制相对应的激光器对其对应区域的实心部分粉末层进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接。
每套振镜系统独立扫描各自对应的成型区域，一方面可以增大成型面积，另一方面当成型面积需求相同的条件下，可以降低腔体高度从而降低设备高度，并且两套振镜系统同时或有序的进行扫描，可以明显节省烧结扫描时间，从而提高整个工件的成型效率。必然的，当采用两套及以上扫描系统时，存在扫描分区区域之间的拼接问题。
两套振镜系统之间存在一个两套振镜系统都可以进行扫描的区域，即振镜系统1和振镜系统2的激光头在转动极限位置分别发出的扫描激光束3在待成型工件4表面的投影重叠部分，称之为扫描搭接区5，扫描搭接区5可以是规则的形状，也可以是不规则的形状；这扫描搭接区5可以是整个工件的成型区域，也可以是成型区域中的部分区域。两套振镜系统的扫描激光束3可以在扫描搭接区5内的任意位置进行重叠或拼接扫描。本实施方式中，在扫描搭接区5中形成的是一条扫描拼接线6，该扫描拼接线6将其分为第一区域和第二区域，第一区域由第一激光器进行扫描，第二区域由第二激光器进行扫描。
本实施例的用于增材制造的多激光扫描方法，包括以下步骤：
第一步，针对成型工件模型，根据设定层厚参数计算获得工件逐层扫描切片信息。
第二步，根据双激光振镜系统中的激光扫描头的位置关系，对三维模型切片后获得的各离散层进行对应的扫描区域划分，每层离散层的相邻扫描区域之间形成供对应的相邻激光扫描头共同扫描的扫描拼接线6。
第三步，参照设定的可搭接扫描区域宽度和搭接量，遵循特定的算法软件，获得扫描拼接线6的路径坐标；
第四步，最终由控制软件控制双振镜系统独立控制相对应的激光器按照每层的切片信息对各自划分的扫描区域中的粉末进行扫描，使粉末熔化并与下面已成型的部分实现粘接，形成工件。
附图1为本实施例进行第一层截面扫描的俯视示意图。在当前烧结粉末层，两套振镜系统的扫描拼接线6不是单一直线段或斜线，遵循软件算法计算获得的扫描拼接线6的扫描路径，两套振镜系统的扫描拼接线6在整个拼接区域的交叉点的坐标值是在有变化的，具体表现为扫描拼接线的各个点的xy坐标值是变化的，并且xy值的变化关系也不是特定或线性的，模拟地将这些拼接点连接起来就表现为一个呈多折线段的拼接线。
附图2为本实施例进行第二层截面扫描的俯视示意图。在当前烧结粉末层，扫描拼接线6也不是单一的直线或斜线，而是多段折线段，并且，第二层的扫描拼接线6在第一层上的投影与第一层上的扫描拼接线6完全不重合。
附图3为本实施例进行第三层截面扫描的俯视示意图。在当前烧结粉末层，扫描拼接线6也不是单一的直线或斜线，而是多段折线段，并且，第三层的扫描拼接线6在第一层上的投影与第一层上的扫描拼接线6完全不重合，第三层的扫描拼接线6在第二层上的投影与第二层上的扫描拼接线6也完全不重合。
附图4按照本发明的扫描方法，完成剩下的所有粉末层的激光扫描，得到的本实施例的成型工件的侧视示意图。在本实施例中，由于所有离散层中的所有扫描拼接线在其他离散层上的投影与该其他离散层上对应的扫描拼接线均完全不重合，因而所成型的工件在纵截面上所得到的纵向拼接线7也不是单一垂直线段，模拟后该纵向拼接线可以是多折线段，也可以是多曲线段。本实施例将其拟合为多折线段。
对比例1
一种本对比例的用于增材制造的多激光扫描方法，与实施例1方法基本相同，其不同点仅在于，所有离散层中的扫描拼接线在其他离散层上的投影与该其他离散层上的扫描拼接线均完全重合且为直线。
对比例2
一种本对比例的用于增材制造的多激光扫描方法，与对比例1方法基本相同，其不同点仅在于，上一层离散层的扫描拼接线为下一层离散层的扫描拼接线投影到上一层离散层上，再绕其中点旋转60°所得。
经检测，采用不同的材质试验，实施例1制备的工件的扫描拼接区的表面质量、晶粒度、拉伸强度、断裂伸长率等均优于对比例1和对比例2，其中，对比例1的各项性能最差。
可见，与传统的直线形扫描拼接线相比，例如每一层离散层中的扫描拼接线在相邻离散层上的投影与该相邻层上对应的扫描拼接线重合的情况，或将一层离散层中的直线型扫描拼接线在相邻离散层上的投影旋转相应角度获得相邻层对应的扫描拼接线的情况(即沿z轴方向上形成的扫描拼接线簇的斜率呈线性比例变化)，本发明的扫描方法可以有效地减小拼接痕迹，可以更加有效地降低力学应力等，有助于提高整个成型工件的表面质量和各项性能。
按照本发明提出的多激光烧结拼接区域扫描策略来实现的具体实施例中，主要的特征在于，当前层扫描拼接线的xy坐标值不断变化，这种变化可以是有规则的变化，也可以是无规则的变化；不同层的拼接扫描线的xy坐标也不断变化，这种变化可以是有规则的变化，也可以是无规则的变化，也就是说层与层之间的拼接扫描线不发生重叠(包括完全不重叠或部分不重叠)。
实施例2
请参阅图5～图6，本实施例的用于增材制造的多激光扫描方法与实施例1基本相同，不同点仅在于，每一离散层上的扫描拼接线6为呈多曲线段，如图5所示。由于所有离散层中的所有扫描拼接线在其他离散层上的投影与该其他离散层上对应的扫描拼接线均完全不重合，因而所成型的工件在纵截面上所得到的纵向拼接线7也不是单一垂直线段，本实施例将其拟合为多曲线段，如图6所示。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。