一种增材制造技术成型倾斜面的表面形貌调控方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体为一种增材制造技术成型倾斜面的表面形貌调控方法。

背景技术：

增材制造技术(additivemanufacturing)作为一种新兴制造技术近年来得到快速发展，该技术基于离散-堆积的原理，对待加工零件采用分层的方式实现对零件的分层制造。由于采用分层成型的原理，每层的成型轮廓可以变化很大，可以使零件不受空间形状上的限制，这就大大增加了成型零件的形状自由度。相比于传统的减材制造技术，增材制造技术能够大幅减少材料的浪费；同时增材制造技术可以成行任意复杂形状零件，不受限于加工方法，大大增加了零件的形状设计自由度；此外，增材制造技术制造零件一次成行，不需多道工序加工，大大减少了零件的加工时间，同时也减少了人力物力的使用。正是由于上述优点，使得目前增材制造技术已经广泛应用于航空航天、教育、医疗等领域。

然而相比于传统减材制造加工的零件，增材制造零件的表面质量相对较差，侧面相比于上表面成型质量更差。通常对于表面质量要求较高的零件采用增材制造直接加工后无法直接使用，需要添加喷砂、抛光等后处理工序，但是这大幅增加零件的加工时间，使得零件加工周期大幅增加。

目前对于增材制造零件表面质量的优化已经开展了一些研究工作，并且已经提出了一些表面形貌优化的方法。专利(cn105665704a)从扫描方式对表面质量进行优化，该专利将零件的实体部分和轮廓部分分开扫描进而优化。专利(cn106808681a)从层厚的方面对成型零件的尺寸精度和表面质量进行优化。然而由于分层成型这一特点，使得增材制造技术在成型倾斜面时不同倾斜角度对于表面质量影响很大，也就是说增材制造技术成型不同倾角的零件得到的表面质量差异很大。通常我们对零件表面质量的一致性有着较高要求，而采用增材制造技术成型曲面时，表面质量的一致性就难以保证。

技术实现要素：

由于上述的缺陷和不足，增材制造技术成型曲面时表面质量的一致性需要被很好的解决，本发明提出一种提高成型复杂曲面时提高表面形貌一致性的成型方法，大幅提高成型变倾角曲面时的表面一致性，提高成型零件的表面质量。

本发明所采用的技术方案如下：一种增材制造技术成型倾斜面的表面形貌调控方法，包括如下步骤：

(1)建立零件的三维模型，确定零件相对于基板的相对位置，进而确定零件表面各部分相对于基板的倾斜角度；

(2)根据零件表面的倾角信息对零件进行轴向梯度化分割；

(3)将轴向梯度化分割后得到的各个零件进行周向梯度化分割；

(4)根据梯度化结果，按照相应的倾角信息，对不同部分配置不同的成型工艺参数，最终进行成型。

进一步的，步骤(2)具体如下：

从零件最底端开始(也就是与基板接触的部分)，得到零件最底端的倾角信息，然后上升ω，比较上升后零件部分表面相对于基板的倾角与前一部分零件相对于基板倾角的大小，如果两部分相对于基板的倾角的差值大于δ，则需要将两部分分割成不同零件；其中ω代表分割零件时每次向上移动的高度，δ代表移动前后两部分零件相对于基板倾角的差值阈值；

同样的，每次向上移动ω，逐个检测，直到检测到零件顶端为止。

进一步的，步骤(3)具体如下：

取轴向梯度化分割后得到的各个零件，从最底端开始，分析零件沿着圆周方向表面相对于基板的倾角变化，取角度移动步长为θ，倾角差值阈值为ζ，规定一个起始点，从起始点开始，以截面的近似中心作为圆心，绕圆心旋转θ；分析旋转后得到部分表面相对于基板的倾角与前一部分零件表面相对于基板倾角的差值；如果差值大于ζ，则需要进行分割操作，将零件分割；分割后继续向前移动，直到沿着零件表面一周后表示完成对一个零件的周向梯度化操作；

向上移动到下一个零件，继续执行下一个零件的周向梯度化过程，直到最顶端零件的周向梯度化过程被完成。

进一步的，步骤(4)中按照相应的倾角信息，对不同部分配置不同的成型工艺参数，具体如下：

逐个分析切割后零件表面倾角信息，根据零件表面的近似倾角信息，进而给零件分配不同的成型参数，成型零件时采取的实体与轮廓部分分开扫面的方式(专利cn105665704a中提到的)，轮廓部分中的参数主要控制零件的表面形貌，而实体部分的成型参数则负责控制成型零件的致密度，所以在此部分只需将零件配置不同的轮廓部分参数即可，至于零件的实体部分均采用致密成型参数。

进一步的，所述成型参数包括激光功率(laserpower)、扫描速度(scanspeed)、间距(hatchingdistance)、层厚(layerthickness)参数。

进一步的，零件各部分参数配置完成后，需要在magics软件中将零件转化成分层形式的文件，将文件传入打印机系统；然后在打印机端准备工作完成后，将打印机成型仓中的氧气含量降低到100ppm以下，冲入保护性气体氩气，开始打印，最终得到表面形貌一致的零件。

进一步的，将文件转化为mtt格式的分层文件后，将文件传入打印机系统。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

(1)本发明采用梯度成型的方法，将成型零件进行了轴向梯度化和周向梯度化两个过程，并在成型时将不同部分配置不同的成型工艺参数，使得加工得到的零件表面形貌基本一致，不同倾角部分表面粗糙度差异很小，在很大程度上优化了增材制造零件的表面形貌。

(2)相比于现有的单一工艺参数成型过程，采用梯度化变参数成型只是在零件表面部分采取了不同的成型工艺参数，并不影响实体部分的成型时间和成型致密度。同时变参数成型过程得到的零件表面形貌高度一致，减少了后续的后处理工序，节约了零件的加工时间。

附图说明

图1为梯度化优化方法流程图；

图2为成型复杂曲面时的成型流程，其中(a)为零件的三维模型图，(b)为零件导入magic软件中的示意图；

图3为零件梯度化过程示意图，其中(a)为零件轴向梯度化过程示意图，(b)为零件纵向梯度化过程示意图；

图中，1为基板，2为牙根种植体，3为轴向分割零件一，4为轴向分割零件二，5为轴向分割零件三，6为轴向分割零件四，7为周向分割零件一，8为周向分割零件二，9为周向分割零件三，10为周向分割零件四。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有的实施方式。相反，它们仅是与如所附中权利要求书中所详述的，本申请的一些方面相一致的方法的例子。本说明书的各个实施例均采用递进的方式描述。

如图1所示，本发明提供的一种增材制造技术成型倾斜面的表面形貌调控方法，包括如下步骤：

(1)如图2中的(a)，在制造零件之前，首先建立零件(这里以牙根种植体2为例)的三维模型，三维模型建立完成后，需要根据零件的结构特征来确定零件相对于基板1的相对位置，如图2中的(b)，基板1在零件成型过程中起到一个连接零件和工作台的作用，实际中是通过工作台的升降带动基板升降，实现在基板1上逐层构造，最终实现零件的整体成型。零件相对于基板1的位置确定后，零件表面各部分相对于基板1的倾斜角度也得到了确定。

(2)根据零件表面的倾角信息对零件进行轴向梯度化分割；如图3中的(a)所示，从零件最底端开始(也就是与基板1接触的部分)，得到零件最底端的倾角信息，然后上升ω，比较上升后零件部分表面相对于基板1的倾角与前一部分零件相对于基板倾角的大小，如果两部分相对于基板的倾角的差值大于δ，则认为这两部分需要按照两个不同的零件进行成型参数配置，即需要将两部分分割成不同零件；同样的，每次向上移动ω，逐个检测，直到检测到零件顶端为止。

需要说明的是，在这个过程中，ω和δ都是零件分割精度的一个阈值，ω代表分割零件时每次向上移动的高度，δ代表移动前后两部分零件相对于基板倾角的差值，差值超出精度δ后，两部分需要执行分割操作。同样，由于零件表面为复杂曲面，这里认为当前进高度ω较小时，零件表面倾角变化较小，可以近似为平面处理，也就是可以近似为该部分零件相对于基板的倾斜角度为一个固定的数值。

进行完轴向梯度化过程后，零件在高度方向上被分割成若干部分(图3中的(a)示出沿轴向进行了三次分割，记为轴向分割零件一3、轴向分割零件二4、轴向分割零件三5和轴向分割零件四6)。考虑到对于被分割后的部分零件来说，沿着圆周方向各部分相对于基板的倾角角度变化很明显，如图3中的(a)，零件的左边部分和右边部分相对于基板的倾角差别很大。所以为了尽可能将表面质量调整到尽量一致，需要对零件进行周向梯度化。

(3)需要将轴向梯度化过程后的到的各个零件进行周向梯度化过程。

取轴向梯度化分割后得到的各个零件(包括轴向分割零件一3、轴向分割零件二4、轴向分割零件三5和轴向分割零件四6)，从最底端开始(即从轴向分割零件一3开始)，分析零件沿着圆周方向表面相对于基板的倾角变化，如图3中的(b)中俯视图所示。同样地，取角度移动步长为θ，倾角差值阈值为ζ，规定一个起始点，从起始点开始，以截面的近似中心作为圆心，绕圆心旋转θ；分析旋转后得到部分表面相对于基板的倾角与前一部分零件表面相对于基板倾角的差值；如果差值大于ζ，则需要进行分割操作，将零件分割；分割后继续向前移动，直到沿着零件表面一周后表示完成对一个零件的周向梯度化操作；如图3中的(b)中示出，轴向分割零件一3被分割成周向分割零件一7、周向分割零件二8、周向分割零件三9、周向分割零件四10。

向上移动到下一个零件，继续执行下一个零件的周向梯度化过程，直到最顶端零件的周向梯度化过程被完成，同样，零件也被分割成了不同部分。

(4)进行梯度化过程之后，零件被分割成若干部分。同时，各部分零件本身可认为表面相对于基板的倾角变化较小，可近似认为不变化。所以可以根据梯度化结果对各部分零件成型参数进行配置。按照相应的倾角信息，对不同部分配置不同的成型工艺参数，最终进行成型，具体为：

逐个分析切割后零件表面倾角信息，根据零件表面的近似倾角信息，进而给零件分配不同的成型参数(激光功率(laserpower)、扫描速度(scanspeed)、间距(hatchingdistance)、层厚(layerthickness)等参数)。采用专利(cn105665704a)中提到的成型零件时采取的实体与轮廓部分分开扫面的方式，当然不限于此。在这里轮廓部分中的参数主要控制零件的表面形貌，而实体部分的成型参数则负责控制成型零件的致密度，所以在此部分只需将零件配置不同的轮廓部分参数即可。至于零件的实体部分均采用致密成型参数。

零件各部分参数配置完成后，需要在magics软件中将零件转化成分层形式的文件以便于打印机识别；将文件转化为mtt格式的分层文件后，将文件传入打印机系统；然后在打印机端将基板、刮刀等准备工作完成后，将打印机成型仓中的氧气含量降低到100ppm以下，冲入保护性气体氩气，开始打印，最终得到表面形貌一致的零件。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。