一种适用于增减材制造自适应切片的砂型成型方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于增减材制造自适应切片的砂型成型方法，该方法包括读取STL模型提取三角面片点集和面集矩阵、创建三角面片法向量矩阵，以法向量角度和内外轮廓的三角面片坐标判断内外轮廓，以三角面片法向量和平行打印方向向量之间的夹角和可打印的最小厚度和最大厚度确定切片厚度、模拟切片、再根据模拟切片的结果，再次切片确定适宜切片厚度，最终导出切片轮廓，通过切片存储的数据，将每层轮廓与对应的层厚值导入打印系统中或切削系统中，计算机通过识别每层的png轮廓文件，向打印系统或切削系统导入层厚和轮廓的数据，打印PLC控制系统精确控制打印平台下降适宜高度、调整喷墨系统喷墨频率，最后按照层厚信息喷射对应的树脂含量。最后按照层厚信息喷射对应的树脂含量。最后按照层厚信息喷射对应的树脂含量。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于增减材制造自适应切片的砂型成型方法


[0001]本专利技术主要属于增材制造和减材制造领域；具体涉及到一种适用于增减材复合制造自适应切片的砂型成型方法。

技术介绍

[0002]砂型切削技术，是基于CAD模型驱动，然后模型离散化切片，采用数控去除原理对已混有固化剂和粘接剂的砂胚进行减材制造，通过切片厚度调整切削刀的给进深度，实现砂型的减材制造。基于此原理 CAD模型离散化的切片厚度对于砂型切削深度也会产生重要影响。
[0003]砂型3D打印技术是典型的粉末(或颗粒)材料3D打印技术，该技术最早由美国麻省理工大学于1989年在US5204055A1这篇专利中提出。该方法的具体过程为，CAD三维模型三角化为STL格式，然后通过切片算法，将STL模型分割成若干薄片，然后将切片信息进行路径规划和输入到打印系统中，然后在平台上均匀的铺一层粉末，打印头扫描并在特定区域内喷射一种液料，使得喷射部位的粉末粘结在一起，然后打印平台下降相应的的层厚距离，重复上述步骤，直至完成所有层的铺粉打印工作。
[0004]综上所述，目前增减材制造的的STL模型切片方法存在以下问题；
[0005](1)STL模型分型方式一般采用均匀等厚分层，若分层厚度小，则会直接导致后续打印时间延长，分层厚度大时，会出现明显的阶梯效应，这对铸件最终成型产生不良影响，但在打印方向上曲率变化不大的部位，几乎不产生台阶效应，切削时也不会产生台阶效应，而砂型打印厚度范围在0.20mm～0.6mm，砂型性能均合格。
[0006](2)针对复杂的砂型，其分层厚度与内外轮廓之间已经很难满足一次函数关系，对于复杂砂型，开发具有具体工程应用的自适应切片方法有着非常重要的意义。
[0007](3)通过创建切片轮廓对应的厚度矩阵，将不同厚度与切片轮廓一一对应起来，输出png格式的切片文件，导入到操作系统中。可以实现不同厚度采用不同工艺参数的砂型。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，专利技术提供一种适用于增减材制造的自适应切片砂型成型方法，可以使得砂型打印在保留模型精度的同时，减少打印时间，与此同时变厚度工艺打印和切削制造使得砂型整体性能提高。并且适用于其它3D打印领域。
[0009]一种适用于增减材制造自适应切片的砂型成型方法，该方法包括以下步骤；
[0010]步骤一：利用MATLAB内嵌的stlread函数读取STL模型三角面片的点集和面集矩阵，并创建该模型的所有三角面片法向量的单位向量。
[0011]步骤二：若三角面片的法向量与Z轴正方向之间的夹角θ
fz
>90
°
，则进行θ
fz
＝180
°‑
θ
i
操作，若θ
fz
<0
°
则进行θ
fz
＝
‑
θ
i
取反操作，将θ
fz
取值范围确定在[0
°
,90
°
]之间。
[0012]步骤三:砂型内外轮廓的判定，砂型STL模型外轮廓三角面片的法向量与打印方向之间的夹角为θ
fz
＝90
°
，内部轮廓θ
fz
＝[0
°
， 90
°
]之间，若在内部轮廓的θ
fz
＝90
°
与外部轮
廓的θ
fz
相等，则通过内部三角面片矩阵集的z值来进行判断，在模型内部的三角面片的坐标(x,y,z)其中z值始终小于整个模型的外部轮廓的三角面片的z值,通过此方法将砂型分为内外两部分。
[0013]步骤四：切片厚度的确定，其中平行于打印方向单位Z向量与STL模型的三角面片单位法向量N
f
的夹角其中Z和N
f
均为单位向量，即θ
fz
＝arccos(|z
i
|)，当θ
fz
＝0
°
，时即三角片与Z轴垂直，此时取砂型打印机的最小层厚H
min
，若θ
fz
＝90
°
，即模型打印不存在阶梯效应，切片厚度取最大厚度 H
max
,在STL模型内部应当找到每个三角面片法向量的最小值，即找到每个三角面片单位法向量Z坐标的绝对值的最大值|z
i
|
max
，来确定自适应切片的层厚。即ΔH＝H
min
+(H
max
‑
H
min
)*(1
‑ꢀ
|z
i
|
max
)。
[0014]步骤五：对导入的STL模型进行模拟切片。首先输入最大的切片厚度H
max
和最小的H
min
，然后确定模型的切片范围，以STL 模型存储的三角面片z坐标的最大值作为模型的最高点z
max
，切片时以三角面片z的最小值z
min
，即底面为起始层厚，并计算每一层的相交轮廓。当θ
fz
＝90
°
，便用最大层厚切分H
max
，其内部轮廓的分层厚度时，利用ΔH＝H
min
+(H
max
‑
H
min
)*(1
‑ꢀ
|z
i
|
max
)来计算下一层的层厚，δ＝ΔH+H
i
，令i＝i+1,若H>z
max
时，停止切片，若否，继续循环切片直至切片结束。
[0015]步骤六：输出切片数据和切片轮廓，切片轮廓与切片厚度值一一对应，检查切片厚度的取值，由于内轮廓的θ
fz
为非线性关系，会出现无线不循环的数值，所以进行数据处理，保留小数点后2 位的精度范围，然后再正式切片。
[0016]步骤七：将png轮廓图片和对应的切片轮廓和切片厚度数据，导入打印系统，通过PLC控制系统，按照切片厚度下降，与此同时调整每层最佳的数值喷墨量，实现变厚度打印。
[0017]进一步的；其适用于砂型切削领域，通过输出的切片轮廓及数据可以导入切削操作系统中，将分层厚度信息转化为切削深度，可以应用于砂型切削制备砂型。
[0018]进一步的；砂型打印的厚度范围为0.20mm～0.60mm之间，精度设置在小数点后两位。
[0019]进一步的；内外分型轮廓时，若外部存在非θ
fz
＝90
°
的情况时，通过比较内部与外部的三角面片θ
fz
值，和内外轮廓的三角面片矩阵的z坐标大小，来进行其他模型的自适应切片算法；其中切片厚度最低能设置0.01mm，随不同打印工艺选择合适的打印层厚范围，适本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于增减材制造自适应切片的砂型成型方法，其特征在于包括以下步骤；步骤一：利用MATLAB内嵌的stlread函数读取STL模型三角面片的点集和面集矩阵，并创建该模型的所有三角面片法向量的单位向量；步骤二：若三角面片的法向量与Z轴正方向之间的夹角θ
fz
＞90
°
，则进行θ
fz
＝180
°‑
θ
i
操作，若θ
fz
＜0
°
则进行θ
fz
＝
‑
θ
i
取反操作，将θ
fz
取值范围确定在[0
°
,90
°
]之间；步骤三:砂型内外轮廓的判定；步骤四：切片厚度的确定；步骤五：对导入的STL模型进行模拟切片；步骤六：输出切片数据和切片轮廓，切片轮廓与切片厚度值一一对应，检查切片厚度的取值，由于内轮廓的θ
fz
为非线性关系，会出现无线不循环的数值，所以进行数据处理，保留小数点后2位的精度范围，然后再正式切片；步骤七：将png轮廓图片和对应的切片轮廓和切片厚度数据，导入打印系统，通过PLC控制系统，按照切片厚度下降，与此同时调整每层最佳的数值喷墨量，实现变厚度打印。2.根据权利要求1所述的一种适用于增减材制造自适应切片的砂型成型方法，其特征在于：所述步骤三：砂型STL模型外轮廓三角面片的法向量与打印方向之间的夹角为θ
fz
＝90
°
，内部轮廓θ
fz
＝[0
°
，90
°
]之间，若在内部轮廓的θ
fz
＝90
°
与外部轮廓的θ
fz
相等，则通过内部三角面片矩阵集的z值来进行判断，在模型内部的三角面片的坐标(x,y,z)其中z值始终小于整个模型的外部轮廓的三角面片的z值,通过此方法将砂型分为内外两部分。3.根据权利要求2所述的一种适用于增减材制造自适应切片的砂型成型方法，其特征在于：外轮廓可以是曲面，然后内外轮廓，通过收集θ
fz
的取值范围，以及内外轮廓三角面片的z
i
的大小，实现更为复杂的模型自适应切分，其中切片厚度最低能设置0.01mm，随不同打印工艺选择合适的打印层厚范围，可以应用于陶瓷打印、砂型打印、砂型切削或...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩秦，单忠德，任洪稳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：