一種基于雙成形頭的快速成型方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于雙成形頭的快速成型方法，該方法包括以下步驟：（1）構建出三維實體模型，輸出模型數據文件；（2）通過軟件程序，識別分析該模型數據文件，先分層后分區處理或先分區再分層處理，得到離散的二維層片信息；（3）通過路徑規劃程序，對所得離散的二維層片信息進行掃描路徑的規劃，根據其掃描的輪廓信息，分別規劃出兩種精度的成形頭掃描路徑；（4）根據每層掃描的輪廓信息，常規精度成形頭針對內部快速度填充；高精度成形頭針對輪廓表面高精度填充，二者共同完成這一層的填充制造工作；（5）逐層打印；（6）重復（4）、（5）步驟的工作過程，直到完成所有的打印工作，取出工件；（7）將取出的工件進行后處理。
【專利說明】一種基于雙成形頭的快速成型方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及快速成型技術，具體為一種基于雙成形頭的快速成型方法。

【背景技術】
[0002]快速成型的基本原理是根據分層累積方法，收集到相關對象的三維結構信息，將數據建模，并進行層狀分解，按層形成各自的數據文件，即一系列的二維層面數據；然后根據不同成形工藝逆向建立加工路徑；最后，通過計算機輔助制造程序(CAD)按照預定的加工程序逐層制造成三維產品實體。
[0003]快速成型成形件的精度是指加工后的成形件與原三維模型之間的誤差，主要有尺寸誤差、形狀誤差和表面誤差。現有的快速成型機普遍采用的是精密伺服運動，完全可以將其運動位置精度控制在微米級的水平。但是，成形件的精度不只是與快速成型機有關，還與其他因素有關。這其中，成形件的“臺階效應”對其精度的影響是比較大的。“臺階效應”是指在實際制造的過程中成形件的理論輪廓線與實際的工作線有一定的差距。梁焱在其《3DP快速成型精度分析》中，分析了影響三維打印機精度的幾個問題，并且對其中階梯效應這個典型問題進行了分析，其提出的有效辦法是減小層厚，提高精度。但是它并沒有提及因減小層厚而帶來效率降低的問題的解決辦法。
[0004]同時，華僑大學的劉道遠和華中科技大學的程艷階在其碩士論文中都對快速成型中路徑規劃對提高成型精度和效率做出了研究，他們都研究了復合掃描路徑的方法對于快速成型精度及效率帶來的改變，但是都沒有提及成形頭的對成型精度及效率的影響。
[0005]由于在路徑掃描問題上，單純的輪廓線偏置算法雖然提高了其精度和效率，但是當輪廓比較復雜時，在遞歸快結束時容易出現干涉現象或者是“孤島”現象，而且工件的內部區域用偏移線填充對提高精度的意義不大。


【發明內容】

[0006]針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，設計一種基于雙成形頭的快速成型方法。該方法采用雙精度成形頭，高精度成形頭負責工件外部區域的打印制造，常規精度的成形頭負責工件內部區域的打印制造，解決了工件的表面質量與整體加工效率難以兼顧的問題。本發明在規劃高精度和常規精度的成形頭的掃描路徑過程中，對內部區域和外部區域分別實行不同的掃描方法，不同的掃描間距，再配合兩種不同精度的成形頭分區制造，既滿足了精度要求，也顧及了成型效率。
[0007]本發明解決所述技術問題所采取的技術方案是:設計一種基于雙成形頭的快速成型方法，該方法包括以下步驟:
[0008](I)由三維實體造型軟件構建出三維實體模型，然后將三維實體模型以模型數據文件的形式輸出；所述模型數據文件為STL、SLC、CL1、RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP或DXF文件格式中的一種；
[0009](2)通過軟件程序，識別分析該模型數據文件，先沿著三維實體模型成型方向進行二維分層處理，然后對每層進行不同區域劃分，分為外部區域和內部區域，然后對外部區域再分層，得到離散的二維層片信息；或者是先對三維實體模型由表面向三維實體模型內部進行內外區域劃分，分為外部區域和內部區域，然后再對內、外區域分層，得到離散的二維層片信息；
[0010](3)通過路徑規劃程序，對所得離散的二維層片信息進行掃描路徑的規劃，根據其掃描的輪廓信息，分別規劃出兩種精度的成形頭掃描路徑:即高精度路徑和常規精度路徑，然后輸出計算機可以識別的包含著分層路徑規劃信息的文件；
[0011](4)根據每層掃描的輪廓信息，由計算機控制成形頭進行制造，常規精度成形頭針對內部，快速度填充；高精度成形頭針對輪廓表面，高精度填充，二者共同完成這一層的填充制造工作；
[0012](5) 一層打印完以后，工作臺不動，準備下一層的打印制造；
[0013](6)重復(4)、(5)步驟的工作過程，直到完成所有的打印工作，取出工件；
[0014](7)將取出的工件進行后處理。
[0015]與現有技術相比，本發明采用雙精度成形頭，高精度成形頭負責工件外部區域的打印制造，常規精度成形頭負責工件內部區域的打印制造，高精度成形頭與常規精度成形頭的精度成N(整數)倍的關系，明顯提高了工件的表面質量和整體加工效率；在規劃高精度和常規精度的成形頭的掃描路徑的過程中，對內外輪廓線附近分區，并采用不同的掃描方法，再配合兩種不同精度的成形頭分區制造，實現了加工工件的高精度和高效率成型。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明基于雙成形頭的快速成型方法的軟件流程示意圖；其中，圖1(a)為先分層后分區處理的基于雙成形頭的快速成型方法的軟件流程圖，圖1(b)為先分區再分層處理的基于雙成形頭的快速成型方法的軟件流程圖；
[0017]圖2為本發明基于雙成形頭的快速成型方法一種實施例的掃描路徑分區示意圖；
[0018]圖3為本發明基于雙成形頭的快速成型方法一種實施例的掃描路徑規劃流程示意圖；
[0019]在圖中，1.外部區域，2.內部區域，3.輪廓線。

【具體實施方式】
[0020]下面結合實施例及附圖進一步介紹本發明。下述實施例僅是對本發明的進一步詳細地說明及解釋，并不以此限定本申請權利要求的保護范圍。
[0021]本發明設計的基于雙成形頭的快速成型方法(簡稱方法，參見圖1-3)具體包括以下步驟:
[0022](I)由三維實體造型軟件構建出三維實體模型，然后將三維實體模型以模型數據文件的形式輸出；所述模型數據文件為STL、SLC、CL1、RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP或DXF文件格式中的一種；
[0023](2)通過軟件程序，識別分析該模型數據文件，先沿著三維實體模型成型方向進行二維分層處理，然后對每層進行不同區域劃分，分為外部區域和內部區域，然后對外部區域再分層，得到離散的二維層片信息；或者是先對三維實體模型由表面向三維實體模型內部進行內外區域劃分，分為外部區域和內部區域，然后再對內、外區域分層，得到離散的二維層片信息；
[0024](3)通過路徑規劃程序，對所得離散的二維層片信息進行掃描路徑的規劃，根據其掃描的輪廓信息，分別規劃出兩種精度的成形頭掃描路徑:即高精度路徑和常規精度路徑，然后輸出計算機可以識別的包含著分層路徑規劃信息的文件；
[0025](4)根據每層掃描的輪廓信息，由計算機控制成形頭進行制造，常規精度成形頭針對內部，快速度填充；高精度成形頭針對輪廓表面，高精度填充，二者共同完成這一層的填充制造工作；
[0026](5) 一層打印完以后，工作臺不動，準備下一層的打印制造；
[0027](6)重復(4)、(5)步驟的工作過程，直到完成所有的打印工作，取出工件；
[0028](7)將取出的工件進行后處理。
[0029]本發明方法的進一步特征在于所述高精度成形頭與常規精度成形頭的精度成整數倍的關系。
[0030]本發明方法的進一步特征在于所述成形頭包括激光頭、噴頭、擠壓成形頭或熔融擠出頭。
[0031 ] 本發明方法的進一步特征還在于所述模型數據文件為STL文件、CLI文件或SLC文件。
[0032]本發明方法的進一步特征還在于該方法的執行機構包括并聯機構和串聯機構。
[0033]本發明中的模型數據文件是指常用的快速成型模型數據文件，較常用的有STL、SLC及CLI格式的文件，RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP、DXF等文件也可以適用。本發明中所述后處理包括清洗、后固化以及表面光潔處理等步驟，可進一步提高模型的強度和精度。本發明中所述成形頭為激光頭、噴頭、擠壓成形頭或熔融擠出頭等，且不僅限于所述的成形頭，其種類適用于快速成型領域所應用的所有成形頭。
[0034]本發明方法先分層后分區處理的基于雙成形頭的快速成型方法的軟件流程(參見圖1(a))是:
[0035]a.由三維實體造型軟件構建出三實體維模型，將三維實體模型以模型數據文件的形式輸出；
[0036]b.讀取模型數據文件，然后對三維實體模型進行分層處理；
[0037]c.緊接著對每一層再進行分區處理，劃分出不同區域，即外部區域和內部區域；輪廓線向實體內部一定距離為外部區域，其余部分為內部區域，但是由于常規精度和高精度成形頭工作的層厚不一致，所以在外部區域還要進行分層處理，根據高精度成形頭與常規精度成形頭之間的整數倍關系，計算出分層層數，這里可以根據B樣條曲線法求出，最后對內部區域和外部區域表面進行路徑規劃，內部區域無精度要求，可以采用簡單的掃描方法，外部區域對精度要求高，可以采用能提高精度的掃描方法，比如等距偏移法。最終對整個三維實體模型進行逐層制造，完成工件。
[0038]本發明方法先分區再分層處理的基于雙成形頭的快速成型方法的軟件流程(參見圖1(b))是:
[0039]a.由三維實體造型軟件構建出三維實體模型，將三維實體模型以模型數據文件的形式輸出；
[0040]b.讀取模型數據文件，然后根據模型數據文件對三維實體模型由表面向三維實體模型內部進行內外區域劃分，以表面向三維實體模型內部一定距離為準，分為外部區域和內部區域，但是由于常規精度和高精度成形頭工作的層厚不一致，所以在內外區域再進行分層處理，根據高精度成形頭與常規精度成形頭之間的整數倍關系，計算出分層層數，這里可以根據CSG法求出，接著獲取輪廓線信息，分別對外部區域和內部區域進行掃描路徑規劃，同時，外部區域采用提高精度的掃描方法，比如等距偏移法，內部區域可以采用簡單的掃描方法提高效率，高精度成形頭制造外部區域，常規精度成形頭制造內部區域，最終對整個三維實體模型進行逐層制造，完成工件。
[0041]本發明方法先分層后分區處理的基于雙成形頭的快速成型方法的掃描路徑分區(參見圖2)的具體方法是:首先獲取輪廓線信息，識別輪廓線3，然后在輪廓線附近進行分區，即分為輪廓線附近區域和內部區域2，其中輪廓線附近區域也就是外部區域I為高精度掃描區域，內部區域2為常規精度掃描區域。
[0042]本發明方法先分層后分區處理的基于雙成形頭的快速成型方法的掃描路徑規劃(參見圖3)是采用等距偏移掃描和平行線掃描方法，結合雙成形頭工作并應用分區掃描技術，實現掃描路徑的規劃。首先獲取二維層面的輪廓線信息，然后進行輪廓線的修整，將內外輪廓線附近進行分區，即分為輪廓線附近區域(外部區域I)和內部區域2，在輪廓線附近區域獲得輪廓線附近區域的輪廓偏移次數，采用等距偏移掃描方法，利用高精度成形頭掃描輪廓線偏移區域；內部區域采用平行線掃描方法，利用常規精度的成形頭掃描內部平行線區域；然后由內向外進行掃描，可使應力得到有效釋放，掃描一層后再進行下一層掃描，最終完成整個掃描過程。
[0043]本發明方法中先分區再分層處理的基于雙成形頭的快速成型方法的掃描路徑規劃及掃描路徑分區方法與先分層后分區處理的基于雙成形頭的快速成型方法的掃描路徑規劃及掃描路徑分區方法類似。
[0044]本發明方法在硬件上由工控機發出指令，控制卡控制伺服電機運作，在逐層制造的過程中，由內向外制造，由于高精度的層厚要比常規精度的層厚小，要適時對這兩個成形頭切換，制造完內部區域，Z軸移動到外部區域時，要下降(N-1)個高精度層厚高度，開始制造外部高精度區域，通過傳感器可即時反饋工作情況及其影響因素，方便于工控機適時地調整指令。本發明方法的執行機構包括并聯機構和串聯機構。
[0045]實施例1
[0046]本實施例為本發明方法在SLA領域中的應用，利用本發明方法可以使用微光、紫外光兩種不同頻率的激光發射器協同合作，紫外光固化實體件內部，提高工作效率，微光固化表面，提高精度，既滿足當前對精度的需求，也提高了工作效率，而且還能降低機械設備的成本。
[0047]本實施例以先分層后分區處理的基于雙成形頭的快速成型方法為例，其具體步驟如下:
[0048](I)首先由三維實體造型軟件構建出三維實體模型，然后將三維實體模型以STL文件格式輸出，STL文件是一種用三角形面片來表示三維實體模型的文件格式，它用包圍著二維容積的網格表不實體二維彳目息。
[0049](2)通過軟件程序，識別分析STL文件，沿著三維實體模型成型方向進行二維分層處理，將整個三維實體模型離散成一系列的連續的二維層片信息，設定每一層的厚度，精度要求越高，層厚越小。對這一層進行分區，取輪廓線向內偏移(0.01-20.00)mm為外部區域，其余部分為內部區域(參見圖2)。
[0050](3)通過路徑規劃程序，對這些離散的二維層片信息進行掃描路徑的規劃，根據其掃描的輪廓信息，分別規劃出兩種精度的激光頭掃描路徑(參見圖3)，即一個掃描實體內部，另外一個掃描實體表面，然后以輸出計算機可以識別的包含著分層路徑規劃信息的文件。
[0051](4)計算機控制工作臺停靠在一個合理的高度，然后控制激光頭根據每層的二維層片信息，進行制造，這兩個激光頭協同工作；紫外光激光發射器工作，紫外光激光頭填充成形件內部，速度快；微光激光發射器工作，通過透鏡、反射鏡針對最外圍表面填充制造，精度高。二者共同完成這一層的填充制造工作。
[0052](5) 一層打印完以后，工作臺不動，刮板沿X軸運動，在原先已固化的樹脂表面上均勻地涂覆上一層新的液態樹脂，工作臺下降，準備下一層的打印制造。
[0053](6)重復(4) (5)的工作過程，直到完成所有的打印工作，上升工作臺，取出工件。
[0054](7)對工件進行清洗、后固化以及表面光潔處理。
[0055]本實施例為制作一個半徑為1mm,高度為1mm的圓柱，設置的掃描速度為3500mm/s,層厚為0.1Omm,外部區域掃描間距為0.2mm,內部區域掃描間距為0.3mm,按照上面的步驟比較傳統工藝和應用本發明工藝制作模型時間和精度。
[0056]傳統工藝:制作一層，采用等距偏移掃描路徑，路徑約為1601.4mm，耗時0.458s，總耗時45.8s，表面精度為±0.1mm。
[0057]而利用本發明方法，制作一層，輪廓線附近區域等距偏移2次，其余內部區域采用平行線掃描方法，外部區域打印兩層與內部區域層厚平齊，路徑計算約得682.8mm，耗時
0.195s，總耗時19.5s，表面精度為亞微米級。
[0058]由此可以看出，本發明方法明顯提高了其加工工件的精度和成型效率。
[0059]本發明方法中無論是采用先分層后分區處理還是采用先分區再分層處理均能顯著提高工件的表面質量和整體加工效率。
[0060]本實施例中設置適當的雙成形頭的精度，高精度成形頭與常規精度成形頭的精度成整數倍的關系，明顯提高了工件的表面質量和整體加工效率。本發明方法也同樣適用于FDM、L0M、3DP的工藝制作過程，并能滿足加工工件的高精度和高成型效率的要求。
[0061]本發明中未述及之處均適用現有技術。
【權利要求】
1.一種基于雙成形頭的快速成型方法，該方法包括以下步驟: (1)由三維實體造型軟件構建出三維實體模型，然后將三維實體模型以模型數據文件的形式輸出；所述模型數據文件為STL、SLC、CL1、RP1、LEAF、SIF、CFL、IGES、STEP或DXF文件格式中的一種； (2)通過軟件程序，識別分析該模型數據文件，先沿著三維實體模型成型方向進行二維分層處理，然后對每層進行不同區域劃分，分為外部區域和內部區域，然后對外部區域再分層，得到離散的二維層片信息；或者是先對三維實體模型由表面向三維實體模型內部進行內外區域劃分，分為外部區域和內部區域，然后再對內、外區域分層，得到離散的二維層片信息； (3)通過路徑規劃程序，對所得離散的二維層片信息進行掃描路徑的規劃，根據其掃描的輪廓信息，分別規劃出兩種精度的成形頭掃描路徑:即高精度路徑和常規精度路徑，然后輸出計算機可以識別的包含著分層路徑規劃信息的文件； (4)根據每層掃描的輪廓信息，由計算機控制成形頭進行制造，常規精度成形頭針對內部，快速度填充；高精度成形頭針對輪廓表面，高精度填充，二者共同完成這一層的填充制造工作； (5)一層打印完以后，工作臺不動，準備下一層的打印制造； (6)重復(4)、(5)步驟的工作過程，直到完成所有的打印工作，取出工件； (7)將取出的工件進行后處理。
2.根據權利要求1所述基于雙成形頭的快速成型方法，其特征在于所述高精度成形頭的精度與常規精度成形頭的精度成整數倍關系。
3.根據權利要求1所述基于雙成形頭的快速成型方法，其特征在于所述成形頭為激光頭、噴頭、擠壓成形頭或熔融擠出頭。
4.根據權利要求1所述基于雙成形頭的快速成型方法，其特征在于所述模型數據文件為STL文件、CLI文件或SLC文件。
5.根據權利要求1所述基于雙成形頭的快速成型方法，其特征在于該方法的執行機構包括并聯機構和串聯機構。
【文檔編號】B29C67/00GK104175556SQ201410361039
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月26日 優先權日:2014年7月26日
【發明者】朱東彬, 曲云霞, 段國林, 王騰飛 申請人:河北工業大學