一種用于逐層制造三維物體的掃描方法
【專利摘要】一種用于逐層制造三維物體的掃描方法，步驟為：（1）將待制造的三維物體的每層截面分為薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)；設(shè)置三維物體截面輪廓的間隙寬度的閾值，根據(jù)截面在x/y方向上輪廓的間隙寬度，將需要掃描的涂層區(qū)域分為薄壁區(qū)與非薄壁區(qū)；薄壁區(qū)為輪廓間隙寬度小于閾值的區(qū)域，非薄壁區(qū)為輪廓間隙寬度大于或等于閾值的區(qū)域；（2）根據(jù)薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)，進(jìn)行分區(qū)掃描；當(dāng)掃描非薄壁區(qū)時(shí)，選擇較大的光子射束或粒子射束功率和光斑直徑尺寸；當(dāng)掃描薄壁區(qū)時(shí)，選擇較小的光子射束或粒子射束功率和光斑直徑尺寸。本發(fā)明在最大程度上均衡了逐層制造三維物體過(guò)程中所面臨的效率和精度的制約問(wèn)題，既保證了效率，也保證了加工零件的精度和表面質(zhì)量。
【專利說(shuō)明】一種用于逐層制造三維物體的掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到分層制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種適用于逐層制造技術(shù)的三維物體掃描方法，即在逐層制造三維物體的過(guò)程中，將每層待加工的圖形區(qū)域分為薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)，從而進(jìn)行區(qū)分掃描的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中的涉及“層制造”的裝置，例如已知用于立體平板印刷術(shù)(stereolithography)、激光燒結(jié)(laser sintering)和電子束溶化(electron beam melting)等的裝置。這些裝置都包括一個(gè)用于相對(duì)于工作表面定位物體的支架、一個(gè)用于涂覆液態(tài)的或粉末形式的材料的裝置、一個(gè)聚焦的光子射束或粒子射束。工作時(shí)，通過(guò)涂覆裝置將一層一層液態(tài)的或粉末形式的材料涂覆在工作表面，并隨后由高能量的光子射束或粒子射束對(duì)準(zhǔn)與每層待加工的圖形區(qū)域相對(duì)應(yīng)的涂層位置進(jìn)行掃描，并引起掃描位置的材料的硬化。這樣，逐層疊加，制成三維物體。
[0003]在上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，精度和效率是衡量裝置制作三維物體關(guān)鍵的兩個(gè)性能指標(biāo)。在逐層制造過(guò)程中，就每層而言，加工精度要求高，就意味著加工后的掃描硬化區(qū)與期望原型的圖形區(qū)的擬合度高；生產(chǎn)效率要求高，則表示在更短的時(shí)間內(nèi)完成每層的掃描與硬化。一般情況下，掃描作業(yè)占據(jù)每層三維物體制作的大部分時(shí)間。除成型前后的數(shù)據(jù)處理、材料因素等之外，精度與光子射束或粒子射束的光斑直徑尺寸和功率有很大關(guān)系。在保證成型物體致密性的前提下，光子射束或粒子射束以相同的或最大的掃描速度運(yùn)行(一般地，最大掃描速度受到系統(tǒng)硬件條件的制約)，精度要求越高，則越需要減小填充掃描間距以及光子射束或粒子射束的光斑直徑尺寸和功率，那么掃描填充的次數(shù)增多，從而降低了加工效率；效率要求越高，則越需要加大填充掃描間距以及光子射束或粒子射束的光斑直徑尺寸和功率，那么待掃描加工的原型圖形中，比填充掃描間距窄的部位，也即輪廓間距比較薄的部位，有兩種可能加工的結(jié)果。其一，丟棄，不加工；其二，執(zhí)行掃描，成型后的物體在該部位的尺寸比原型的大，要求精密加工的制件或制件的關(guān)鍵部位達(dá)不到加工精度要求。因此，從一個(gè)層面來(lái)講，精度和效率在一定程度上是相互制約的。
[0004]在傳統(tǒng)的上述“層制造”裝置上，針對(duì)某一種成型材料，現(xiàn)有的做法是，在整個(gè)制造三維物體的過(guò)程中，選擇相同的或最大的掃描速度，采取相同的掃描間距、光子射束或粒子射束的功率和光斑直徑尺寸參數(shù)。這樣，用戶只能根據(jù)系統(tǒng)固定的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行掃描燒結(jié)，往往出現(xiàn)滿足加工精度，但生產(chǎn)效率低下或是加工精度不夠，生產(chǎn)效率較高的現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、可對(duì)加工精度和加工效率進(jìn)行優(yōu)化配置的用于逐層制造三維物體的掃描方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種用于逐層制造三維物體的掃描方法，步驟為:
(1)將待制造的三維物體的每層截面分為薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)；設(shè)置某一值作為三維物體截面輪廓的間隙寬度的閾值，根據(jù)截面在χ/y方向上輪廓的間隙寬度，將需要掃描的涂層區(qū)域分為薄壁區(qū)與非薄壁區(qū)；其中，所述薄壁區(qū)為輪廓間隙寬度小于閾值的區(qū)域，非薄壁區(qū)為輪廓間隙寬度大于或等于閾值的區(qū)域；
(2)根據(jù)步驟(1)得到的薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)，進(jìn)行分區(qū)掃描；當(dāng)掃描非薄壁區(qū)時(shí)，選擇較大的光子射束或粒子射束功率和光斑直徑尺寸；當(dāng)掃描薄壁區(qū)時(shí)，選擇較小的光子射束或粒子射束功率和光斑直徑尺寸。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(1)中，具體步驟為:
(1.1)讀入工件數(shù)據(jù)文件；
(1.2)用平行xy平面的薄片與工件數(shù)據(jù)文件相切，得到N個(gè)工件輪廓截面，相鄰截面的間距為預(yù)設(shè)的分層厚度；
(1.3)分別用間距為預(yù)設(shè)掃描間距值、且平行于xy平面中Χ/Y軸方向的直線與輪廓截面相交，分別得到Χ/Y軸方向上N條相交線段；
(1.4)讀入用戶自定義設(shè)置的薄壁閾值；
(1.5)分別用薄壁閾值與每一個(gè)截面上Χ/Y軸方向上的每一條相交線段的長(zhǎng)度相比較。若當(dāng)前相交線段長(zhǎng)度小于薄壁閾值，則當(dāng)前相交線段與下一條相交線段之間的區(qū)域?yàn)榻孛姹”趨^(qū)，否則為非薄壁區(qū)。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(1.3)中的預(yù)設(shè)掃描間距值是由用戶根據(jù)系統(tǒng)的光斑直徑尺寸、掃描功率、材料密度確定。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(1.4)中的薄壁閾值由用戶根據(jù)工件要求的制作精度和系統(tǒng)的最小光斑直徑尺寸定義設(shè)置，取值大于預(yù)設(shè)掃描間距值的1.5倍以上。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(2)中，具體步驟為:
(2.1)對(duì)于輪廓截面的所有非薄壁區(qū)，根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的掃描間距值和掃描方式，確定掃描路徑，然后，選擇相同的較大掃描速度，設(shè)置相同的光斑直徑尺寸和相同的光子射束或粒子射束1的功率參數(shù)；
(2.2)對(duì)于輪廓截面的所有薄壁區(qū)，根據(jù)系統(tǒng)的最小光斑直徑尺寸和精度要求，確定掃描間距和掃描路徑，光斑直徑尺寸設(shè)置為系統(tǒng)最小光斑直徑尺寸，然后，確定掃描速度，光子射束或粒子射束1的功率參數(shù)。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述薄壁區(qū)的掃描功率密度與非薄壁區(qū)的掃描功率密度相問(wèn)。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述光子射束為激光射線，粒子射束為高能量電子束。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述掃描方法是基于層制造裝置，所述層制造裝置為立體平板印刷術(shù)裝置、激光燒結(jié)裝置或電子束熔化裝置；所述層制造裝置的掃描材料為液態(tài)光固化樹脂、陶瓷粉末、石蠟粉末、金屬粉末、或聚合物粉末。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的用于逐層制造三維物體的掃描方法，原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，適用于所有逐層制造三維物體的裝置上光子射束或粒子射束在液態(tài)的或粉末形式的材料上的掃描。用戶可以根據(jù)加工要求自由設(shè)置薄壁閾值，將逐層掃描燒結(jié)的輪廓截面分為薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)，進(jìn)而采用不同的掃描參數(shù)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行區(qū)分掃描，在最大程度上均衡了逐層制造三維物體的效率和精度。根據(jù)本發(fā)明的方法，對(duì)非薄壁區(qū)采用較大的或最大的固定掃描速度，設(shè)置固定的光斑直徑尺寸和固定的光子射束或粒子射束的功率等參數(shù)，以保證生產(chǎn)效率；掃描遭遇非薄壁區(qū)時(shí)，采用最小系統(tǒng)光斑直徑尺寸，并同時(shí)調(diào)整掃描間距、掃描速度和光子射束或粒子射束的功率等參數(shù)，使薄壁區(qū)獲得與非薄壁區(qū)一致的功率密度，由于減小了光斑直徑尺寸，并設(shè)置了與之相適應(yīng)的掃描間距，從而避免了因采用較大光斑尺寸及預(yù)設(shè)間距掃描導(dǎo)致溢出應(yīng)加工區(qū)域的情況，保證了薄壁區(qū)加工精度。這樣滿足了在整個(gè)逐層制作三維物體的加工效率以及制件加工精度的要求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中的工作原理示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中兩個(gè)三維物體在Z軸方向上某一層截面的示意圖。
[0018]圖例說(shuō)明:
1、光子射束或粒子射束；2、待加工三維物體；3、第一區(qū)域；4、鋪料機(jī)構(gòu)；5、工作臺(tái)面；
6、第二區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種用于逐層制造三維物體的掃描方法，用于層制造裝置。本發(fā)明基于采用光子射束或粒子射束1對(duì)三維物體進(jìn)行逐層掃描的方式，即利用光子射束或粒子射束1射在工作臺(tái)面5上，對(duì)待加工三維物體2截面上通過(guò)鋪料機(jī)構(gòu)4平鋪的粉末進(jìn)行填充掃描燒結(jié)。本發(fā)明對(duì)每層待加工區(qū)域采取分區(qū)掃描的方法，具體包括以下步驟:
(1)讀入工件數(shù)據(jù)文件；
(2)用平行xy平面的薄片與工件數(shù)據(jù)文件相切，得到N個(gè)工件輪廓截面，相鄰截面的間距為預(yù)設(shè)的分層厚度；
(3)分別用間距為預(yù)設(shè)掃描間距值、且平行于xy平面中Χ/Y軸方向的直線與輪廓截面相交，分別得到Χ/Y軸方向上N條相交線段；
(4)讀入用戶自定義設(shè)置的薄壁閾值；
(5)分別用薄壁閾值與每一個(gè)截面上Χ/Y軸方向上的每一條相交線段的長(zhǎng)度相比較。若當(dāng)前相交線段長(zhǎng)度小于薄壁閾值，則當(dāng)前相交線段與下一條相交線段之間的區(qū)域?yàn)榻孛姹”趨^(qū)，否則為非薄壁區(qū)。
[0021](6)針對(duì)不同的區(qū)域設(shè)置不同的掃描參數(shù)；
對(duì)于輪廓截面的所有非薄壁區(qū)，根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的掃描間距值和掃描方式，確定掃描路徑，然后，選擇相同的較大掃描速度，設(shè)置相同的光斑直徑尺寸和相同的光子射束或粒子射束1的功率參數(shù)；
對(duì)于輪廓截面的所有薄壁區(qū)，根據(jù)系統(tǒng)的最小光斑直徑尺寸和精度要求，確定掃描間距和掃描路徑，光斑直徑尺寸設(shè)置為系統(tǒng)最小光斑直徑尺寸，然后，確定掃描速度，光子射束或粒子射束1的功率參數(shù)。
[0022](7)系統(tǒng)發(fā)送指令，控制振鏡電機(jī)運(yùn)動(dòng)和光子射束或粒子射束的發(fā)射功率，按照設(shè)定的掃描路徑逐層掃描燒結(jié)。
[0023]在上述掃描方法中，薄壁區(qū)的掃描功率密度與非薄壁區(qū)的掃描功率密度相同。
[0024]在上述掃描方法中，光子射束可以選用激光射線，粒子射束可以選用高能量電子束。層制造裝置可以選用立體平板印刷術(shù)裝置、激光燒結(jié)裝置、電子束熔化裝置等。掃描的材料可以選用液態(tài)光固化樹脂、陶瓷粉末、石蠟粉末、金屬粉末、聚合物粉末等液態(tài)材料與粉末材料。
[0025]在上述掃描方法中，步驟(3)中的預(yù)設(shè)掃描間距值是由用戶根據(jù)系統(tǒng)的光斑直徑尺寸、掃描功率、材料密度等因素確定。
[0026]在上述掃描方法中，步驟(4)中的薄壁閾值由用戶根據(jù)工件要求的制作精度和系統(tǒng)的最小光斑直徑尺寸等因素自行定義設(shè)置，一般取值大于預(yù)設(shè)掃描間距值的1.5倍以上。
[0027]在上述掃描方法中，步驟(6)中設(shè)置掃描參數(shù)時(shí)，針對(duì)輪廓截面的非薄壁區(qū)，采用現(xiàn)有常見(jiàn)的做法，選用較大的光斑直徑尺寸，掃描速度和光子射束或粒子射束功率掃描參數(shù)。針對(duì)輪廓截面的薄壁區(qū)，由振鏡的響應(yīng)頻率參數(shù)和掃描精度共同確定掃描速度；在保證與非薄壁區(qū)光子射束或粒子射束功率密度一致的情況下，由掃描速度、掃描間距和光斑直徑尺寸共同確定光子射束或粒子射束的功率參數(shù)。
[0028]如圖3所示，為本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中兩個(gè)三維物體在Z軸方向上某一層截面的示意圖。圖中，物體a與物體b有要求精度高、配合度高的結(jié)合面，如第一區(qū)域3和第二區(qū)域6所示；以上述物體為例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0029]針對(duì)該層截面，系統(tǒng)分別用間距為預(yù)設(shè)掃描間距值Λ d且平行于xy平面Χ/Y軸方向的直線與輪廓截面相交，分別得到Χ/y軸方向上N條相交線段。然后，讀入用戶自定義設(shè)置的薄壁閾值Λ W，分別用Λ W與截面上Χ/Y軸方向上的每一條相交線段的長(zhǎng)度相比較。假定Λ W>W1、A W>W2，那么物體a截面在X軸方向上第一區(qū)域3內(nèi)的凸出區(qū)域和在Y軸方向上第二區(qū)域6內(nèi)的凸出區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)截面的薄壁區(qū)，其他區(qū)域，包括物體b和物體a (除第一區(qū)域3內(nèi)的凸出部分和第二區(qū)域6內(nèi)的凸出部分外)在Χ/Y軸方向上的相交線段長(zhǎng)度大于Λ W，則為非薄壁區(qū)。
[0030]針對(duì)所得到的不同的區(qū)域設(shè)置不同的掃描參數(shù)。
[0031]1)對(duì)物體a截面在第一區(qū)域3內(nèi)的凸出區(qū)域和第二區(qū)域6內(nèi)的凸出區(qū)域，根據(jù)系統(tǒng)的最小光斑直徑尺寸和精度要求，確定小于Λ d的掃描間距和掃描路徑。根據(jù)振鏡的響應(yīng)頻率參數(shù)，在保證掃描精度的前提下，設(shè)置較小的掃描速度。光斑直徑尺寸設(shè)置為系統(tǒng)最小光斑直徑尺寸。在保證功率密度的情況下，根據(jù)掃描速度，掃描間距和光斑直徑尺寸，確定光子射束或粒子射束功率參數(shù)。
[0032]2)對(duì)于其他非薄壁區(qū)域，根據(jù)用戶預(yù)設(shè)掃描間距值Λ d和掃描方式，確定掃描路徑。然后，設(shè)置固定的光斑直徑尺寸，固定的掃描速度和固定的光子射束或粒子射束功率參數(shù)。最后系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)值發(fā)送指令，控制振鏡電機(jī)運(yùn)動(dòng)和光子射束或粒子射束的發(fā)射功率，按照設(shè)定的掃描路徑逐層掃描燒結(jié)。
[0033]燒制后的截面層，物體a截面在第一區(qū)域3內(nèi)的凸出區(qū)域和第二區(qū)域6內(nèi)的凸出區(qū)域由于調(diào)整了掃描參數(shù)，保證了加工精度；非薄壁區(qū)域，采用比薄壁區(qū)大的掃描間距等參數(shù)，提高了掃描燒結(jié)效率。物體b截面在第一區(qū)域3內(nèi)的凹進(jìn)區(qū)域和第二區(qū)域6內(nèi)的凹進(jìn)區(qū)域，由于在Χ/Y軸方向上的相交線段大于Λ W，因此不需要采用最小光斑直徑尺寸和調(diào)整其他參數(shù)也可以保證燒結(jié)精度。
[0034]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，步驟為:(1)將待制造的三維物體的每層截面分為薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)；設(shè)置某一值作為三維物體截面輪廓的間隙寬度的閾值，根據(jù)截面在χ/y方向上輪廓的間隙寬度，將需要掃描的涂層區(qū)域分為薄壁區(qū)與非薄壁區(qū)；其中，所述薄壁區(qū)為輪廓間隙寬度小于閾值的區(qū)域，非薄壁區(qū)為輪廓間隙寬度大于或等于閾值的區(qū)域；(2)根據(jù)步驟(1)得到的薄壁區(qū)和非薄壁區(qū)，進(jìn)行分區(qū)掃描；當(dāng)掃描非薄壁區(qū)時(shí)，選擇較大的光子射束或粒子射束功率和光斑直徑尺寸；當(dāng)掃描薄壁區(qū)時(shí)，選擇較小的光子射束或粒子射束功率和光斑直徑尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，所述步驟(1)中，具體步驟為:(1.1)讀入工件數(shù)據(jù)文件；(1.2)用平行xy平面的薄片與工件數(shù)據(jù)文件相切，得到N個(gè)工件輪廓截面，相鄰截面的間距為預(yù)設(shè)的分層厚度；(1.3)分別用間距為預(yù)設(shè)掃描間距值、且平行于xy平面中Χ/Y軸方向的直線與輪廓截面相交，分別得到Χ/Y軸方向上N條相交線段；(1.4)讀入用戶自定義設(shè)置的薄壁閾值； (1.5)分別用薄壁閾值與每一個(gè)截面上Χ/Y軸方向上的每一條相交線段的長(zhǎng)度相比較；若當(dāng)前相交線段長(zhǎng)度小于薄壁閾值，則當(dāng)前相交線段與下一條相交線段之間的區(qū)域?yàn)榻孛姹”趨^(qū)，否則為非薄壁區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，所述步驟(1.3)中的預(yù)設(shè)掃描間距值是由用戶根據(jù)系統(tǒng)的光斑直徑尺寸、掃描功率、材料密度確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，所述步驟(1.4)中的薄壁閾值由用戶根據(jù)工件要求的制作精度和系統(tǒng)的最小光斑直徑尺寸定義設(shè)置，取值大于預(yù)設(shè)掃描間距值的1.5倍以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，所述步驟(2)中，具體步驟為:(2.1)對(duì)于輪廓截面的所有非薄壁區(qū)，根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的掃描間距值和掃描方式，確定掃描路徑，然后，選擇相同的較大掃描速度，設(shè)置相同的光斑直徑尺寸和相同的光子射束或粒子射束1的功率參數(shù)；(2.2)對(duì)于輪廓截面的所有薄壁區(qū)，根據(jù)系統(tǒng)的最小光斑直徑尺寸和精度要求，確定掃描間距和掃描路徑，光斑直徑尺寸設(shè)置為系統(tǒng)最小光斑直徑尺寸，然后，確定掃描速度，光子射束或粒子射束1的功率參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，所述薄壁區(qū)的掃描功率密度與非薄壁區(qū)的掃描功率密度相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，所述光子射束為激光射線，粒子射束為高能量電子束。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~5中任意一項(xiàng)所述的用于逐層制造三維物體的掃描方法，其特征在于，所述掃描方法是基于層制造裝置，所述層制造裝置為立體平板印刷術(shù)裝置、激光燒結(jié)裝置或電子束熔化裝置；所述層制造裝置的掃描材料為液態(tài)光固化樹脂、陶瓷粉末、石蠟粉末、金屬粉末、 或聚合物粉末。
【文檔編號(hào)】B28B1/00GK103639411SQ201310725052
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】許小曙, 楊大風(fēng) 申請(qǐng)人:湖南華曙高科技有限責(zé)任公司