一种增材制造复合分层切片方法技术

本发明专利技术属于成型加工技术领域，涉及增材制造中的工艺控制技术，具体涉及一种增材制造的复合分层切片方法。针对现有技术中3D打印的分层切片方法存在打印速度与打印精度难以兼顾的问题，本发明专利技术算法旨在不改变成型工件表面精度的前提下，将打印工件的外表面和内部采取不同的打印厚度进行加工，以提高加工速度，提升加工效率，降低成本。本方法至少会用到两种打印层厚：一种用于外表面打印，层厚较小以保证工件表面的加工精度；一种用于内部打印，层厚较大以对工件内部进行快速填充。本方法也可以用于自适应层厚加工。

A Composite Layered Slicing Method for Adding Material

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造复合分层切片方法
本专利技术属于成型加工
，涉及增材制造中的工艺控制技术，具体涉及一种增材制造复合分层切片方法。
技术介绍
在增材制造(俗称3D打印)技术中，成型工件由成型材料层层累积而成，因此在加工之前对工件数字模型的切片分层处理就显得尤其重要。其中，切片的厚度会直接影响成型工件的表面精度和加工时间，因而与加工成本密切相关。一般来说，采用较大的切片厚度可以缩短打印时间，但工件表面的“台阶效应”明显，精度较差；采用较小的切片厚度可以提升表面精度，但打印时间会加长，两者之间存在着难以调和的矛盾。在3D打印技术发展之初都是采用等层厚的处理办法，用户在打印精度和打印时间之间做出取舍，或者选取一个折衷的层厚参数加工整个工件；随着3D打印技术的发展，逐渐出现了自适应变层厚分层技术，可以根据工件表面的变化程度，在打印过程中调整层厚——表面变化较小的地方采用较大的层厚，表面质量可以保证，打印时间也短；而表面变化较大的部分则采用较小的层厚，保证表面质量，牺牲一部分打印时间。相较于定层厚加工，自适应层厚兼顾了表面质量和打印时间，是更为合理的分层方法。但是自适应算法只能将工件表面和内部进行一样的切片处理，即当工件表面变化较大时，为了保证表面加工质量，将工件表面和内部都采用较小的层厚进行打印。这样的处理是没有必要的，因为工件内部的材料只对整个工件起支撑作用，不会影响表面质量，没有必要采用小层厚或者变层厚进行加工；如果可以采用较大的固定层厚进行内部结构的加工，就可以进一步减少需要采用小层厚打印的区域，减少打印时间，提高打印效率。本专利基于此想法，提出一种复合切片方法。在《基于FDM技术3D打印机切片方式的设计》(张自强，王占礼，陈延伟，王丽，马驰骋，2015工业设计与协同创新学术会议暨第20届全国工业设计学术年会)中，提出要构建一种新型的切片方式，分别采用不同层厚对工件的外表面、辅助支撑、内部支撑进行分层处理。其主要利用增加的大直径喷头来增加打印速度，想借此来增加打印速度和工件强度。但是该文对外部支撑做出的增大喷头直径的做法会使支撑难以剥离；更重要的是该文仅以简单的正方体作为示例，并未提出一种具有普遍适用性的切片方法。在《基于轮廓注塑成型的3D成型方法》(中国专利：CN105172152A)中提出一种方法：首先将三维模型转化得到其壳体切片，然后用3D打印出物体的壳体，在顶部或底部留下浇口；再从浇口往内部注入光固化液体材料、灌封胶、熔化液体、可熔融粉末材料之一种或多种进行填充，然后进行光固化、加热熔固、胶合反应固化；最后用3D打印在开口处利用顶部结构的切片数据继续打印以最终成型，使得整个模型密封、完整。该方法只将壳体进行打印，内部使用类似浇注的办法，能减少打印时间。但是却将打印过程复杂化，需要人工干预；且对于某些复杂的零件，由于壳体材料透气性等问题，会出现浇注不足现象，导致工件内部有孔隙，对工件力学性能会有影响。
技术实现思路
针对现有技术中3D打印的分层切片方法存在打印速度与打印精度难以兼顾的问题，本专利技术提供一种增材制造复合分层切片方法，其目的在于：提出一种方法逻辑简单、计算量小，面向当前主流3D打印工艺的切片算法。本方法的根本思想是将工件划分为外表面和内部两个部分，分别打印以提高加工效率。方法适用于各种复杂程度的工件，能够在保证工件加工精度和力学性能的前提下提高打印速度，并适用于SLA、SLS、FDM等多种主流3D打印工艺。还可用于混合材料打印，即工件内外部分可使用不同材料加工，例如外部使用耐磨的高硬度材料，而内部使用高韧性的材料。进一步的，甚至可利用本专利提出的方法对工件进行多次分割，以不同材料填充工件内部，以得到高性能的复合材料工件。本专利技术采用的技术方案如下：一种增材制造复合分层切片方法，包括如下步骤：步骤Ⅰ：进行参数规划，参数规划过程中将待打印的工件划分为外表面和作为支撑的内部两个部分，所述外表面部分由数个外表面层组成，所述外表面层包括数个完整的起始层和数个完整的结束层，所述“完整”的意义为外表面层中不包含用于填充内部层的中空结构。所述起始层和结束层之间的外表面层具有中空结构，所述内部部分填充在所述外表面层的中空结构中，所述内部由数个内部层组成；所述外表面层的层数和厚度根据工件表面精度的需求进行设置，所述内部层的层数和厚度根据打印速度的需求和设备性能进行设置；步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中规划的参数对工件进行切片和偏置获得各外表面层和内部层的轮廓；步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的外表面层和内部层的轮廓，对处理得到的外表面轮廓和内部轮廓进行扫描路径规划，获得喷头的运动轨迹，按由起始层至结束层、由外至内的顺序输出G代码。采用该技术方案后，将工件打印分为外表面打印与内部打印，外表面层片采用较小层厚进行高精度的打印，保证工件表面质量；内部层片采用较大层厚打印，保证打印速度和工件力学性能。该方案克服了打印速度与打印精度之间的矛盾，即能够以较快的速度进行打印，又能够打印出表面质量和力学性能优异的工件。优选的，外表面层的总层数为L个，所述起始层的层数为Ls个，所述结束层的层数为Le个，在起始层和结束层之间，每M个外表面层对应一个内部层，所述一个内部层与对应的M个外表面层共同构成复合层；所述步骤Ⅲ中输出G代码的顺序具体如下：[1]打印起始层；[2]打印复合层，对每一个复合层先打印外表面层，再打印内部层；[3]打印结束层。该优选方案中，打印的顺序是各复合层逐层由外至内进行打印，保证外表面层片的自支撑性能，不会在内部层片填充之前出现外表面层片因缺少支撑而塌陷的情况。优选的，外表面层和内部层分别采用不同层厚。优选的，外表面层和内部层的打印分别采用两种材料。该优选方案能够满足打印工件特殊的工艺需求，例如外部使用耐磨的高硬度材料，而内部使用高韧性的材料。优选的，内部层的层厚设置为设备支持的最大层厚。本专利技术还提供一种增材制造的复合分层切片方法，包括如下步骤：步骤1：进行参数规划：步骤1.1：读入工件的数字模型并进行预处理；步骤1.2：根据加工精度的需求，计算所述工件的打印层数L，进而得到外表面层的打印厚度touter；步骤1.3：根据工件的力学性能需求确定起始层的层数Ls；步骤1.4：参考打印设备支持的最大层厚确定外表面层的打印厚度touter的整数倍为内部层的打印层厚tinter；通过设置结束层的层数Le，保证起始层与结束层之间的外表面层的厚度之和为tinter的整数倍且保证Le≥Ls；步骤1.5：确定偏置距离δd，所述偏置距离为层片轮廓向内偏置以得到中间偏置轮廓的距离；步骤2：获得各外表面层和内部层的轮廓：步骤2.1：根据步骤1确定的L和touter确定L个完整层片的轮廓，即得到起始层和结束层的轮廓；步骤2.2：将步骤2.1得到的L个完整层片的轮廓中与内部层对应的层片轮廓向内偏置δd得到偏置轮廓；步骤2.3：将步骤2.2得到的同一内部层对应的所有偏置轮廓进行布尔交运算，得到对应的内部层的轮廓；步骤2.4：将步骤2.1得到的与外表面层对应的层片轮廓减去步骤2.3得到的对应的内部轮廓，即得到所述外表面层的外部轮廓。该技术方案能够合理地划分工件的外表面部分和内部部分，逻辑简单、计算量小，适用于各种复杂程度的工件，能够在保证工件加工精度和力学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤Ⅰ：进行参数规划，参数规划过程中将待打印的工件划分为外表面和作为支撑的内部两个部分，所述外表面部分由数个外表面层组成，所述外表面层包括数个完整的起始层和数个完整的结束层，所述起始层和结束层之间的外表面层具有中空结构，所述内部部分填充在所述外表面层的中空结构中，所述内部由数个内部层组成；所述外表面层的层数和厚度根据工件表面精度的需求进行设置，所述内部层的层数和厚度根据打印速度的需求进行设置；步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中规划的参数对工件进行切片和偏置获得各外表面层和内部层的轮廓；步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的外表面层和内部层的轮廓，对处理得到的外表面轮廓和内部轮廓进行扫描路径规划，获得喷头的运动轨迹，按由起始层至结束层、由外至内的顺序输出G代码。

【技术特征摘要】
1.一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤Ⅰ：进行参数规划，参数规划过程中将待打印的工件划分为外表面和作为支撑的内部两个部分，所述外表面部分由数个外表面层组成，所述外表面层包括数个完整的起始层和数个完整的结束层，所述起始层和结束层之间的外表面层具有中空结构，所述内部部分填充在所述外表面层的中空结构中，所述内部由数个内部层组成；所述外表面层的层数和厚度根据工件表面精度的需求进行设置，所述内部层的层数和厚度根据打印速度的需求进行设置；步骤Ⅱ：根据步骤Ⅰ中规划的参数对工件进行切片和偏置获得各外表面层和内部层的轮廓；步骤Ⅲ：填充步骤Ⅱ得到的外表面层和内部层的轮廓，对处理得到的外表面轮廓和内部轮廓进行扫描路径规划，获得喷头的运动轨迹，按由起始层至结束层、由外至内的顺序输出G代码。2.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：所述外表面层的总层数为L个，所述起始层的层数为Ls个，所述结束层的层数为Le个，在起始层和结束层之间，每M个外表面层对应一个内部层，所述一个内部层与对应的M个外表面层共同构成复合层；所述步骤Ⅲ中输出G代码的顺序具体如下：[1]打印起始层；[2]打印复合层，对每一个复合层先打印外表面层，再打印内部层；[3]打印结束层。3.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：所述外表面层和内部层分别采用不同层厚。4.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：所述外表面层和内部层按需求采用不同材料进行打印。5.按照权利要求1所述的一种增材制造复合分层切片方法，其特征在于：所述内部层的层厚设置为设备支持的最大层厚。6.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：余思佳，田从剑，赵志彬，王华磊，周映宏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51