一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法技术

本发明专利技术为一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，该方法包括以下步骤：考虑阶梯误差与渗透误差相互作用获得三角面片的偏移误差公式，确定输入的STL模型中的三角面片的数量m，将集合M定义为三角面片T

【技术实现步骤摘要】
一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法


[0001]本专利技术属于粘结剂喷射增材制造领域，具体涉及一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法。

技术介绍

[0002]粘结剂喷射增材制造的通用文件格式为STL文件，在打印前需要对STL模型进行分层，从而得到二维的轮廓信息，而在分层过程中会产生阶梯误差。在打印过程中粘结剂通过喷头喷出，撞击砂床表面铺展并渗透进砂床，在砂床孔隙之间渗透，在此过程中会产生渗透误差。通过理论分析和实验发现阶梯误差与渗透误差之间存在相互作用，这两项误差的合成误差在打印后表现为零件尺寸误差。因此，准确地表达阶梯误差与渗透误差之间的相互作用并对尺寸误差进行补偿，对零件成型精度有重要的意义。
[0003]目前，对于STL模型分层产生的阶梯误差，国内外相关的研究比较成熟，并且对于粘结剂渗透误差，也有学者给出了渗透误差的计算和补偿方法。但针对粘结剂喷射增材制造中阶梯误差与粘结剂渗透误差的相互作用及尺寸误差的补偿方法，现有的研究相对欠缺。因此本专利技术提出了一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，能实现粘结剂喷射技术的高精度增材制造。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法。该误差补偿方法考虑了阶梯误差与渗透误差的相互作用，在打印模型前按照顶点偏移的方式对模型进行误差补偿，提高粘结剂喷射增材制造的成型精度和质量。
[0005]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案是：一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，该方法包括以下步骤：
[0006]考虑阶梯误差与渗透误差相互作用获得三角面片的偏移误差公式为：
[0007][0008]其中，k1为向上三角面片中负阶梯误差与渗透误差之间的相互作用系数；k2为向下三角面片中正阶梯误差与渗透误差之间的相互作用系数，k1、k2为量纲一的量；L为偏移误差；d
xy
为XY方向渗透误差，d
z
为Z方向渗透误差；θ为三角面片法向量方向与成型方向夹角，公式(4)中d
xy
、d
z
、k1、k2通过实验获得；
[0009]确定输入的STL模型中的三角面片的数量m，将集合M定义为三角面片T
j
的数组，m为集合M中的元素个数，获得STL模型中所有三角面片的偏移误差；
[0010]根据三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影，计算STL模型顶点的偏移补偿值遍历所有顶点后，STL模型顶点v
i
按对应的偏移补偿值沿顶点法向量的反方向向内偏置，获得偏移后的顶点进而获得补偿后的STL模型。
[0011]基于顶点偏移的误差补偿的过程是：
[0012]按照公式(5)计算顶点v
i
一环邻域内三角面片法向量的加权平均值，得到顶点法向量
[0013][0014]其中，m为集合M中的元素个数，也就是STL模型中三角面片的数量，j为[1,m]范围内的整数，λ为形状因子，A为面积因子，为三角面片的法向量；
[0015]计算三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影C
j
，将该顶点一环邻域内三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上投影的加权平均值作为顶点偏移补偿值
[0016][0017]其中cosβ
j
为三角面片的法向量与顶点法向量的向量积，β
j
为顶点法向量与三角面片的法向量之间的夹角，为三角面片T
j
的偏移误差。
[0018]则顶点偏移补偿值为：
[0019][0020]原顶点减去沿方向上的顶点偏移补偿值得到偏移后的顶点
[0021][0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0023]1)本专利技术针对粘结剂喷设增材制造提出了一种误差补偿方法，通过计算三角面片的偏移误差值、计算顶点偏移补偿值以及模型顶点偏移，减小了阶梯误差和渗透误差相互作用导致的尺寸误差，实现高精度的增材制造。
[0024]2)根据粘结剂在砂床中的流动情况，建立了粘结剂从喷射到渗透过程的三维数值仿真模型，确定了边界条件及砂粒与粘结剂的物性参数，渗透仿真实验中不改变其他条件，仅改变三角面片角度，保证了合成误差的测量准确性。针对测量结果中阶梯误差与渗透误差存在的相互作用，建立基于三角面片法向量方向与成型方向夹角的三角面片的偏移误差公式，可计算STL模型打印后不同角度三角面片的偏移误差。
[0025]3)本专利技术使用基于顶点偏移的误差补偿方式，针对模型顶点偏移，基于半边数据结构遍历顶点一环邻域的三角面片，计算顶点偏移补偿值，遍历完所有坐标点后，模型顶点
沿顶点法向量的反方向向模型内部偏移，补偿后的模型保持原来的拓扑结构，避免了三角面片的交叉、重叠等错误情况，在保证补偿精度的同时提高了补偿效率，克服了现有技术中使用较为复杂的空间面偏移算法,而导致三角面片的交叉、重叠等多种复杂的错误情况出现。针对顶点偏移补偿值，使用三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影计算，将三角面片形状因子和面积因子作为顶点法向量的权重因子，顶点一环邻域三角面片偏移误差投影的加权平均值作为顶点偏移补偿值，极大地提高了顶点偏移准确性，保证了补偿精度。
[0026]4)相对于目前大多数粘结剂喷射技术的误差补偿仅单独考虑阶梯误差、渗透误差的作用，本专利技术针对考虑阶梯误差与渗透误差之间相互作用的合成误差进行补偿，误差计算结果更准确，模型补偿精高，提高了零件的打印精度。遍历STL模型所有顶点，按所计算的顶点偏移补偿值向模型内部进行偏移，得到误差补偿后的模型，并保持原有的拓扑结构。
附图说明
[0027]图1为斜面的三角面片理想渗透仿真结果，图中(a)为向上三角面片的渗透仿真结果，(b)为向下三角面片的渗透仿真结果。
[0028]图2为三角面片偏移误差二维示意图。
[0029]图3为参数标定实验的样件示例。
[0030]图4为顶点偏移示意图。
具体实施方式
[0031]下面结合实施例及附图进一步解释本专利技术，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
[0032]根据粘结剂在砂床中的流动情况，建立了粘结剂从喷射到渗透过程的三维数值仿真模型，确定边界条件及砂粒与粘结剂的物性参数，渗透仿真实验中不改变其他条件，仅改变三角面片角度，测量不同角度三角面片的渗透仿真结果，得到理想打印轮廓与打印轮廓的位置误差，分析不同角度三角面片阶梯误差与渗透误差的相互作用关系，建立阶梯误差与渗透误差相互作用的三角面片偏移误差公式；
[0033]建立三维多层渗透仿真模型：
[0034]实施例
[0035]使用COMSOL软件建立粘结剂从喷出到渗入砂床的三维数值仿真模型，确定砂床、喷头和粘结剂的物理性能参数以及模型的边界条件。
[0036]确定砂床和喷头的物理性能参数。采用圆形润湿壁代替实际砂粒形状，砂床的模拟采用砂粒平均半径γ＝71.4μm，砂床的孔隙率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，该方法包括以下步骤：考虑阶梯误差与渗透误差相互作用获得三角面片的偏移误差公式为：其中，k1为向上三角面片中负阶梯误差与渗透误差之间的相互作用系数；k2为向下三角面片中正阶梯误差与渗透误差之间的相互作用系数，k1、k2为量纲一的量；L为偏移误差；d
xy
为XY方向渗透误差，d
z
为Z方向渗透误差；θ为三角面片法向量方向与成型方向夹角，公式(4)中d
xy
、d
z
、k1、k2通过实验获得；确定输入的STL模型中的三角面片的数量m，将集合M定义为三角面片T
j
的数组，m为集合M中的元素个数，获得STL模型中所有三角面片的偏移误差；根据三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影，计算STL模型顶点的偏移补偿值遍历所有顶点后，STL模型顶点v
i
按对应的偏移补偿值沿顶点法向量的反方向向内偏置，获得偏移后的顶点进而获得补偿后的STL模型。2.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，其特征在于，三角面片的偏移误差公式中d
xy
、d
z
、k1、k2参数的标定过程是：设计样件进行打印实验，样件外观为长方体，长方体内部有多个角度的斜面，样件一具有棱结构形成的多个角度的斜面，样件二为具有孔结构形成的多个角度的斜面，样件一和样件二中孔和棱的位置对应、且大小相同，通过镜像翻转模型得到样件一和样件二的镜像模型为样件三和样件四；采用同一厂家设备进行相同层厚h的打印实验，使用三维扫描仪扫描得到STL模型；使用三维检测与计量软件Geomagic Control X测量样件扫描模型与设计模型的三角面片偏移误差；根据三角面片的偏移误差实际测量值对公式(4)中的未知参数进行标定：将测量斜面角度α转化为三角面片法向量方向与成型方向的夹角θ，对于θ＝90
°
的三角面片的偏移误差记为d
xy
，θ＝180
°
的三角面片的偏移误差记为d
z
，假设不同角度的向上或向下三角面片在打印时渗透误差与阶梯误差作用系数相同，然后将其他角度三角面片的偏移误差数据代入公式(4)中基于最小二乘法计算k1和k2两个参数，计算所得的未知参数k1、k2数值都在一定范围内变化；取所有样件(样件一、样件二、样件三和样件四)相互作用系数的平均值标定公式中未知参数，将四个参数(d
xy
、d
z
、k1和k2)代入公式(4)中得到标定参数后的三角面片偏移误差公式，计算不同角度θ的三角面片的偏移误差。3.根据权利要求2所述的基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，其特征在于，所述样件尺寸大小为600mm
×
140mm
×
10mm，多个斜面与水平方向夹角依次为90
°...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨伟东，马千朝，王媛媛，于建军，贾照强，
申请(专利权)人：唐山昊中科技有限公司，
类型：发明
国别省市：