[發明專利]基于曲面分層的復雜零件3D打印方法及系統

在審

• 申請號: 201710310420.3
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107187056A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 趙冬華;郭為忠
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B29C64/386
• 分類號: B29C64/386;B29C64/393;B33Y50/00;B33Y50/02;G06T17/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所31201
• 代理人: 王毓理,王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種復雜零件3D打印領域的技術，具體是一種基于曲面分層的復雜零件3D打印方法及系統。

背景技術

對于復雜零件的3D打印，現有的分層方式均為2D分層，即基于等層厚、變層厚、多方向的方式進行分層切片。單方向打印無法解決支撐問題；變層厚的切片方式通過對于豎直方向有曲面的時候，減小切片層厚來提高打印精度；而多方向切片對于復雜零件而言，則會帶來巨大的前期切片處理成本。填充方式主要包括Raster,Zigzag,Contour,Hybrid,Continuous,medial axis transformation等，通過不同的2D平面內的填充方式，兼顧填充效率和打印精度。但是，2D平面內輪廓擬合誤差和Z軸方向的疊層誤差依舊存在。現有的多自由度打印設備依賴于現有2D切片方式以及2D平面內的填充策略，并未真正意義上采用3D切片的方法，來實現打印件表面光滑、表面曲線梯度自由以及調整層與層之間較弱的連接。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于曲面分層的復雜零件3D打印方法及系統，結合復雜零件的結構、表面和功能選取曲面分層和填充策略，規劃打印軌跡，并轉換為打印設備的控制數據進行3D打印和后處理，從而實現結合復雜零件曲面分層的3D打印。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明根據復雜零件的結構、曲面特征和工藝需求建立其三維模型，并進行結構輕量化拓撲優化設計和空間3D切片分層，生成用于3D打印的控制數據；根據控制數據進行打印參數設定后進行逐層3D打印，得到復雜零件的3D打印件。

所述的復雜零件的結構包括：空間異形管道結構、一體化復雜結構、空間自由曲面結構等具有較大Z向切片疊層誤差的結構。該類結構若采用現有Z向切片，XY平面打印的方式會導致疊層誤差。

所述的曲面特征包括：空間自由曲面、旋轉曲面等沿著Z向曲率較大的曲面。

所述的工藝需求包括：某些零件要求在Z方向的拉壓性能更優從而要求打印件的微觀組織沿著某個方向生長，即打印方向與生長方向一致。

所述的建立，通過面向打印對象本身的形狀、性質以及工藝材料需求，利用三維造型軟件進行建模實現。

所述的三維模型通過三維造型軟件繪制。

所述的結構輕量化拓撲優化設計包括：結構功能分析、承載性能約束分析和應力特性分析。

所述的結構功能分析是指：對于關鍵結構、關鍵功能進行分析，進一步保證結構、功能能夠達到設計需求。在滿足結構功能的情況下，進行結構輕量化拓撲優化。

所述的承載性能約束分析是指：分析打印件本身各個方向上的承載性能約束，該約束影響打印成形運動方式，在滿足承載性能約束的情況下，進行結構輕量化拓撲優化。

所述的應力特性分析是指：對打印件本身所需的應力特性進行分析，在滿足應力需求的情況下，進行結構輕量化拓撲優化。

所述的空間3D切片分層是指：根據復雜零件的三維模型的結構特點，選取曲面分層方法進行曲面切片分層，對分層后的空間3D分層數據進行處理后選擇填充策略填充，進行打印路徑及軌跡規劃。分層方向為沿著徑向，通過包絡最里層與最外層的數據，然后選擇合適的填充策略進行逐層打印，沿著徑向，由外向里或者由里向外進行疊層制造。

所述的選取曲面分層方法包括但不限于：按照纖維增長的方向或者結合結構和曲面進行隨形。

所述的曲面切片分層的方向可由里向外、由外向里，并且層厚相等或不等。

所述的控制數據包括但不限于：用于控制各個電機的驅動數據以及各個電機之間聯動的時序數據。

所述的逐層3D打印是指：結合CNC加工控制成形精度分層打印，每打印一層或數層后采用沿著成形面法向方向施壓的方式進行加工強化。