一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，根據截面輪廓的信息，計算出截面輪廓內的激光掃描路徑，激光束在計算機的控制下，按照掃描路徑對制件的實心部分所在的金屬粉末進行掃描，直接制造出工件。本發(fā)明以三組平行的間斷直線掃描路徑，最終構成的蜂窩狀的整體路徑。本發(fā)明在工藝上控制簡單，實用性強，可以增加制件強度，減少制件形變，提高制件尺寸精度。
【專利說明】一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及增材制造領域，具體為一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法。
【背景技術】
[0002]增材制造(Additive Manufacturing)，也稱快速成形或快速成型(RapidPrototyping,簡稱RP),是一種快速生成零件或者模型的制造技術,集成了數控技術、機械設計與制造、新材料技術以及計算機應用技術，是多學科綜合的產物。增材制造俗稱3D打印。
[0003]選擇性激光燒結(SelectiveLaser Sintering,簡稱 SLS)工藝由 Carl Dechard博士和他的導師Joe Beaman博士于19世紀80年代中期在美國德克薩斯大學奧斯汀分校研制成功，并進行了商業(yè)化開發(fā)。SLS工藝利用粉末狀材料成形:(I)將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；(2)用高強度的C02激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；
[3]材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；(4)當一層截面燒結完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結下層截面，經過若干層的掃描燒結疊加，最后完成整個原型或者工件的制造。
[0004]在選擇性激光燒結制造過程中，其加工質量受激光光斑尺寸、掃描速度、掃描間距、掃描路徑、激光器發(fā)出激光能量等因素影響。在加工過程中，當粉末材料熔融固化時，由于冷卻的時間順序不同會造成制件非均勻收縮，使得上層材料的收縮會使與之相連的下層材料受到壓應力的作用，而正在冷卻和收縮的上層材料因為有下層已燒結材料的約束，受到拉應力的作用。這種應力嚴重時就會導致已成型層的翹曲變形，嚴重時會產生裂紋，這是選擇性激光燒結制造中的一個國際性難題。激光束的掃描方式決定著加工層面上的溫度場分布，因此決定了翹曲變形的程度。
[0005]在選擇性激光燒結制造過程中，目前采用的填充掃描方式主要可以分為平行線掃描、輪廓等距線掃描、以及平行線與輪廓等距線混合式掃描。采用混合式掃描時，界面輪廓的邊界按輪廓等距線掃描；內部按平行線掃描。平行線掃描只需快速成型機一個軸運動，掃描速度快。而且掃描算法簡單，所以程序也較簡單，容易實現。選擇性激光燒結技術的應用范圍不斷擴大，對制件的精度等評價標準提出了更高的要求，進一步的研究出合適的激光束掃描路徑，對于提高選擇性激光燒結所制造出工件的質量具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，以實現在減少制件的翹曲變形，提高制件精度的同時，增加制件的強度。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為:
[0008]一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:根據截面輪廓的信息，計算出截面輪廓內的激光掃描路徑，所述激光掃描路徑為三組平行的間斷直線掃描路徑構成的蜂窩狀整體掃描路徑，每組平行的間斷直線掃描路徑分別由規(guī)則性線段構成，激光束在計算機的控制下，按照激光掃描路徑對制件的實心部分所在的金屬粉末進行掃描，直接制造出工件。
[0009]所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:處于每條直線上的掃描路徑都是由間斷式線段組成，線段正常長度為相鄰線段間距的1/2，處于直線兩端的線段經過截面輪廓的裁剪，其長度小于正常長度；其中，線段指需要進行激光掃描，對金屬粉末進行燒結的部分，在截面輪廓內規(guī)則排列；相鄰線段間距指位于一條直線上的相鄰線段的相鄰端點之間的距離。
[0010]所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:每組內位于不同直線上的線段互相平行，三組線段分別沿三個不同方向布置并且保證三組規(guī)則性線段在端點相交，掃描后形成蜂窩狀的排列軌跡。
[0011]所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:激光束在計算機控制下掃描過程為:
[0012]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿x/y軸進行間斷式掃描，產生一系列分別與x/y軸平行的間斷式掃描軌跡；
[0013]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿與x/y軸成60°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列相互平行分別與x/y軸成60°的間斷式掃描軌跡；
[0014]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿與x/y軸成120°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列相互平行分別與x/y軸成120°的間斷式掃描軌跡；
[0015]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿工件的截面輪廓進行掃描。
[0016]所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:各個掃描過程順序不分先后。
[0017]所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:每個方向掃描過程中所產生的位于不同直線上的間斷式掃描軌跡相互間距為所述規(guī)則性線段正常長度的A倍。
[0018]所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:三個方向掃描過程中，產生的間斷式掃描軌跡在端點相交，交點經歷三次激光熔接。
[0019]本發(fā)明提供了一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，根據截面輪廓的信息，激光束在計算機的控制下，對制件的實心部分所在的金屬粉末進行間斷式掃描，間斷式掃描路徑在端點相交，最終構成蜂窩狀的整體路徑，有利于提高制件的強度。間斷式掃描路徑交點處得到三次激光熔接，對于選擇性激光燒結可以提高相鄰層的結合程度。本發(fā)明在工藝上控制簡單，實用性強，可以增加制件強度，減少制件形變，提高整個制件尺寸精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是用于選擇性激光燒結的蜂窩狀掃描路徑生成原理示意圖。
[0021]其中=LpLyL3分別為三組掃描路徑的間距，L4為掃描路徑中間斷式線段的正常長度，L5為掃描路徑中相鄰間斷式線段的間距。
[0022]圖2是用于選擇性激光燒結的蜂窩狀掃描路徑生成結果示意圖。
[0023]圖3是激光束沿與X軸成120°的方向上進行間斷式掃描結果示意圖。[0024]圖4是激光束沿X軸方向進行間斷式掃描結果示意圖。
[0025]圖5是激光束沿與X軸成60°的方向上進行間斷式掃描結果示意圖。
[0026]圖6是激光束沿截面輪廓線掃描結果示意圖。
[0027]圖7是激光束沿截面輪廓線的等距線掃描結果示意圖。
[0028]圖8是選擇性激光燒結的蜂窩狀掃描路徑生成中相鄰層模板交錯布置示意圖。
【具體實施方式】
[0029]一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，根據截面輪廓的信息，計算出截面輪廓內的激光掃描路徑，激光掃描路徑為三組平行的間斷直線掃描路徑構成的蜂窩狀整體掃描路徑，每組平行的間斷直線掃描路徑分別由規(guī)則性線段構成，激光束在計算機的控制下，按照激光掃描路徑對制件的實心部分所在的金屬粉末進行掃描，直接制造出工件。
[0030]激光束在計算機控制下掃描過程為:
[0031]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿x/y軸進行間斷式掃描，產生一系列分別與x/y軸平行的間斷式掃描軌跡；
[0032]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿與x/y軸成60°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列相互平行分別與x/y軸成60°的間斷式掃描軌跡；
[0033]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿與x/y軸成120°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列相互平行分別與x/y軸成120°的間斷式掃描軌跡；
[0034]由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿工件的截面輪廓進行掃描。
[0035]各個掃描過程順序不分先后。
[0036]在每個掃描方向，掃描部分長度為相鄰掃描部分間距的1/2。
[0037]每個方向掃描過程中所產生的位于不同直線上的間斷式掃描軌跡相互間距為所述規(guī)則性線段正常長度的W倍。
[0038]三個方向掃描過程中，產生的間斷式掃描軌跡在端點相交，交點經歷三次激光熔接。
[0039]具體實施例:
[0040]一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，主要包括步驟:
[0041]S1.根據制件數字化模型截面輪廓的包圍盒，得到一個正六邊形規(guī)則排列組合的模板，要求模板的邊界線完全位于包圍盒的外部，如圖1所示。
[0042]S2.利用制件數字化模型的截面輪廓裁剪模板，得到位于輪廓線內部的模板部分，即整體掃描路徑，如圖2所示。
[0043]S3.按照整體掃描路徑，先由計算機控制激光束沿與X軸成120°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列與X軸成120°的間斷式掃描軌跡如圖3所示。規(guī)則性線段正常長度為其間隔的1/2，即L4=0.5L5，L4為掃描路徑中間斷式線段的正常長度，即構造模板時正六邊形的邊長，L5為掃描路徑中相鄰間斷式線段的間距，與截面輪廓相交的線段被截面輪廓裁剪，其長度小于正常長度。掃描后，理論上掃描部分不連貫，非均勻收縮具有局部性。
[0044]S4.按照整體掃描路徑，由計算機控制激光束沿X軸進行間斷式激光掃描，產生一系列與X軸平行的間斷式掃描軌跡如圖4所示。規(guī)則性線段正常長度為其間隔的1/2，即L4=0.5L5，與截面輪廓相交的線段被截面輪廓裁剪，其長度小于正常長度。掃描后，形成Z型整體掃描區(qū)域，有利于釋放產生的內應力。
[0045]S5.按照整體掃描路徑，由計算機控制激光束沿與X軸成60°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列與X軸成60°的間斷式掃描軌跡如圖5所示。規(guī)則性線段正常長度為其間隔的1/2,即L4=0.5L5,與截面輪廓相交的線段被截面輪廓裁剪,其長度小于正常長度。掃描后，得到蜂窩狀的掃描結果。由于間斷式掃描路徑在端點相交，這些交點經歷三次激光熔接。
[0046]S6.由計算機控制激光束沿工件的截面輪廓進行掃描如圖6所示，根據需要可以沿工件的截面輪廓線的等距線進行掃描如圖7所示，進一步提高制件強度。
[0047]所產生的各方向的平行間斷式掃描軌跡相互間距相同，即L1=L2=L3，這里U、L2, L3分別為三組掃描路徑的間距。
[0048]所產生的各方向的位于不同直線上的平行間斷式掃描軌跡相互間距為規(guī)則性線段正常長度的萬倍，即& =L2=L3=拉4，L1、L2、L3分別為三組掃描路徑的間距，L4為掃描路徑中間斷式線段的正常長度。
[0049]相鄰層模板中的正六邊形可以在χ-y平面布置在相同位置，也可以交錯布置，圖8為兩層模板交錯布置正三角形的示意圖，分別以不同顏色標識，第四層模板中正六邊形的布置位置與第一層相同。在相鄰層模板中交錯布置正六邊形有利于減少相鄰層的相互作用，進一步減少內應力。
[0050]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制，有關【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的保護范疇。
【權利要求】
1.一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:根據截面輪廓的信息，計算出截面輪廓內的激光掃描路徑，所述激光掃描路徑為三組平行的間斷直線掃描路徑構成的蜂窩狀整體掃描路徑，每組平行的間斷直線掃描路徑分別由規(guī)則性線段構成，激光束在計算機的控制下，按照激光掃描路徑對制件的實心部分所在的金屬粉末進行掃描，直接制造出工件。
2.根據權利要求1所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:處于每條直線上的掃描路徑都是由間斷式線段組成，線段正常長度為相鄰線段間距的1/2，與截面輪廓相交的線段被截面輪廓裁剪，其長度小于正常長度；其中，線段指需要進行激光掃描，對金屬粉末進行燒結的部分，在截面輪廓內規(guī)則排列；相鄰線段間距指位于一條直線上的相鄰線段的相鄰端點之間的距離。
3.根據權利要求1所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:每組內的位于不同直線上的線段互相平行，三組線段分別沿三個不同方向布置并且保證三組規(guī)則性線段在端點相交，掃描后形成蜂窩狀的排列軌跡。
4.根據權利要求1所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:激光束在計算機控制下掃描過程為: 由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿x/y軸進行間斷式掃描，產生一系列分別與X/y軸平行的間斷式掃描軌跡； 由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿與x/y軸成60°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列相互平行分別與x/y軸成60°的間斷式掃描軌跡； 由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿與x/y軸成120°的方向上進行間斷式掃描，產生一系列相互平行分別與x/y軸成120°的間斷式掃描軌跡； 由計算機控制激光束按激光掃描路徑沿工件的截面輪廓進行掃描。
5.根據權利要求4所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:各個掃描過程順序不分先后。
6.根據權利要求4所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:每個方向掃描過程中所產生的位于不同直線上的間斷式掃描軌跡相互間距為所述規(guī)則性線段正常長度的3倍。
7.根據權利要求4所述的一種用于選擇性激光燒結的蜂窩式激光掃描方法，其特征在于:三個方向掃描過程中，產生的間斷式掃描軌跡在端點相交，交點經歷三次激光熔接。
【文檔編號】B22F3/105GK103722171SQ201310727426
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權日:2013年12月25日
【發(fā)明者】李維詩, 張振, 于連棟, 夏豪杰 申請人:合肥工業(yè)大學