[發(fā)明專利]五軸3D打印機(jī)的薄壁管狀模型切片方法、系統(tǒng)及打印方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011391924.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112659544B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任曉棟;王晨希;盧泓宇;王武義;黃濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/118
• 分類號(hào): B29C64/118;B29C64/386;B33Y50/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 張海平

本發(fā)明提供了一種五軸3D打印機(jī)的薄壁管狀模型切片方法、系統(tǒng)及打印方法，包括：建立坐標(biāo)系，讀取待打印工件的三維模型；提取三維模型各個(gè)高度橫截面的重心，并依次連接，得到重心曲線；對(duì)工作轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，使三維模型當(dāng)前高度層重心曲線的曲率向量在水平面的投影為零，獲取三維模型當(dāng)前高度層對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)信息，并計(jì)算得到三維模型當(dāng)前高度層的切片信息；對(duì)三維模型的當(dāng)前高度層進(jìn)行更新，重復(fù)至完成分層切片，得到待打印工件的分層切片信息；本發(fā)明通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面旋轉(zhuǎn)變換，使三維模型當(dāng)前高度層重心曲線的曲率向量在水平面的投影為零，實(shí)現(xiàn)了將三維模型的姿態(tài)調(diào)整為豎直向上，實(shí)現(xiàn)了無(wú)支撐打印，打印效果好，成型件表面精度高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及五軸3D打印機(jī)的薄壁管狀模型切片方法、系統(tǒng)及打印方法。

背景技術(shù)

3D打印又稱增材制造，誕生于上世紀(jì)80年代中后期，融合了信息技術(shù)與制造技術(shù)，被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一；3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能直接利用計(jì)算機(jī)生成的三維數(shù)字模型，通過(guò)材料逐層堆疊的方式生成任意形狀的實(shí)體，因而使得生產(chǎn)制造更加便捷，更適用于未來(lái)的個(gè)性化制造模式。相比于傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)，其極大地減少了時(shí)間成本與材料損耗。目前，3D打印在醫(yī)療、航空航天、建筑及食品等領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

目前各類工藝的3D打印機(jī)，其打印噴頭通常具有X、Y及Z三個(gè)平移自由度；采用的分層切片方法沿模型的單一方向進(jìn)行分層，再將材料沿與分層面垂直的方向?qū)訉佣询B成型。由于分層厚度的存在，三軸3D打印機(jī)在打印較為復(fù)雜的曲面時(shí)，實(shí)際上是利用矩形擬合曲面的外形輪廓曲線，因此會(huì)在模型表面產(chǎn)生階梯效應(yīng)，從而影響成型件的表面精度。另一方面，現(xiàn)有打印方式層間連接僅依靠材料自身的粘結(jié)性，在利用ABS、PLA等工程塑料打印薄壁中空類零部件時(shí)，會(huì)使得模型的層間強(qiáng)度不足；在打印懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)則需要添加支撐材料，造成材料額外損耗以及模型加工完成后的去支撐繁瑣問(wèn)題。特別是對(duì)于彎曲的薄壁中空管狀模型，其內(nèi)腔去除支撐材料的工序更為復(fù)雜，極大的降低了打印效率，增加了打印成本。

因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員陸續(xù)提出通過(guò)增加打印設(shè)備的運(yùn)動(dòng)自由度來(lái)改變打印方向和分層切片方式，研究實(shí)現(xiàn)更為靈活的3D打印方法，以提高模型表面精度以及解決免支撐打印問(wèn)題。挪威研究人員設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的五軸3D打印機(jī)，通過(guò)在三軸3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上加裝兩自由度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，形成五軸3D打印設(shè)備，顯著提高了3D打印的靈活性。但根據(jù)該項(xiàng)研究的公開(kāi)報(bào)道，目前只是通過(guò)打印一些簡(jiǎn)單的零部件驗(yàn)證所提出的五軸3D打印機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方案的可行性，沒(méi)有對(duì)打印工藝進(jìn)行深入研究。美國(guó)羅德島大學(xué)研究人員探索了在圓柱形、半球形類特殊結(jié)構(gòu)上利用3D金屬噴印激光成型技術(shù)添加材料的加工方法，但該方法容易受到零件形狀的限制。

國(guó)內(nèi)研究人員提出了通過(guò)交互式分割算法將復(fù)雜的三維數(shù)字模型拆分成主體與支架，從而進(jìn)行分割簡(jiǎn)化的五軸3D打印技術(shù)，但不能處理某些不可再分割的具有復(fù)雜曲面的零件，如薄壁回轉(zhuǎn)體零件等。而專門針對(duì)薄壁回轉(zhuǎn)體類零件提出的五軸3D打印加工指令生成方法，其適用范圍相對(duì)有限。近年來(lái)研究人員陸續(xù)提出了一種曲面分層熔融沉積成型的五軸3D打印裝置及方法。針對(duì)彎曲管件，提出了一種通過(guò)提取模型中性骨架點(diǎn)集進(jìn)行曲線擬合得到中性骨架曲線，沿垂直于中性骨架曲線切線方向的平面進(jìn)行切片的方法；上述方法可以在實(shí)現(xiàn)免支撐打印的同時(shí)，進(jìn)行多方向的材料堆疊，有效地減少了臺(tái)階效應(yīng)，改善了成型件的力學(xué)性能，但同時(shí)也存在模型切片計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜等問(wèn)題。

與傳統(tǒng)3D打印機(jī)相比，五軸3D打印機(jī)目前尚缺乏配套的通用切片方法，一般需要全面掌握五軸3D打印機(jī)的工作原理，根據(jù)模型的特點(diǎn)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，生成五軸3D打印機(jī)可執(zhí)行的G代碼，相對(duì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不利于五軸3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了五軸3D打印機(jī)的薄壁管狀模型切片方法、系統(tǒng)及打印方法，以解決現(xiàn)有免支撐打印時(shí)，切片過(guò)程復(fù)雜，通用性差的技術(shù)問(wèn)題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：