[發明專利]一種選區激光熔化制備的圓柱桿三維輪廓幾何重建方法

在審

• 申請號: 202110284293.0
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN112884897A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 李永欣;周國云;賀星星;郭長春
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10;G06F30/12;G06F113/10
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 孫建

本發明公開了一種選區激光熔化制備的圓柱桿三維輪廓幾何重建方法，其包含以下步驟：獲取選區激光熔化制造的圓柱桿逆向三維幾何模型；根據逆向三維模型，捕獲圓柱橫截面待擬合的橢圓尺寸數據；根據橢圓尺寸數據，通過橢圓橫截面重建圓柱。本發明針對選區激光熔化打印成的圓柱結構存在影響力學性能的幾何缺陷，即表面輪廓的不規則，通過橢圓模擬圓柱結構的橫截面形狀，重建圓柱模型，實現了采用五個參數準確地描述選區激光熔化的橫截面輪廓，簡單易行，便于模型后續仿真應用，在增材制造方面有較好的應用前景。

技術領域

本發明涉及增材制造領域，特別是涉及一種選區激光熔化制備的圓柱桿三維輪廓幾何重建方法。

背景技術

增材制造技術逐漸成為工程制造人員的新寵，不僅可以克服傳統加工無法制造出復雜零件的缺點，而且還可以得到力學性能更加優秀的零件。但是也會存在些傳統加工沒有的問題，最突出的就是表面輪廓精度。點陣結構也是現今研究的熱點。在輕量化、減震和吸能等方面結構，點陣展現出優秀的功能，有著重要的應用前景。而復雜的結構通過增材制造可以完美地實現。

在選區激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)中，通過激光束照射金屬粉末，將粉末熔融成固體，經過一層層疊加成三維實體零件。但是打印過程中熔池不穩定和冷卻不均勻等因素導致零件產生缺陷。SLM工藝中的缺陷導致制造部件中的應力集中，從而可能導致部件失效。

三維點陣中，圓柱桿是基本組成單位，通過SLM制造圓柱結構時，表面輪廓存在偏差，尤其是制件尺度小時，幾何缺陷對性能影響更加嚴重。而SLM制備試件的致密度很高，影響點陣性能的制造缺陷主要是表面幾何缺陷。現在一般使用的是理想的圓柱模型來模擬實際圓柱結構的受力情況，而理想圓柱模型與實際SLM制造圓柱結構有較大差異，對圓柱進行力學分析得出的結論偏離實際制造的點陣。所以，將幾何缺陷考慮進點陣的性能研究是很有必要的。在圓柱結構模型中增加制造幾何缺陷可以提高模擬精度，從而增強模型的預測能力。

對于實際制造的圓柱，表面輪廓復雜，很難實現精確預測重建，如果直接用掃描數據分析，過多的數據導致模型構建難度大、效率低，計算處理時間長，也不便于后續軟件操作。有學者采用不同直徑的圓柱重構圓柱，但是該方法沒有考慮到真實圓柱橫截面形狀的變化。如何進行SLM下圓柱體的三維輪廓構建可以滿足高精度和高效率的要求，有待解決。

綜上所述，考慮SLM下的制造幾何缺陷，對成型的點陣結構進行幾何重構的3D真實輪廓幾何建模方法十分具有實際意義，對3D成型制造零件力學性能仿真分析提供了有力參考，在增材制造方面有較好的應用前景。

發明內容

針對上述提出的圓柱體在選區激光制造過程中產生幾何缺陷并缺少輪廓表征模型構建的問題，本發明的目的在于提供一種選區激光熔化制備的圓柱桿三維輪廓幾何重建方法，采用最小二乘法將掃描得到的橫截面點云數據構建為為橢圓曲線，對橢圓橫截面進行放樣得到三維圓柱輪廓，使得三維點陣模型中考慮制造缺陷，讓點陣結構的運用更加貼合實際。

本發明提供一種選區激光熔化制備的圓柱桿三維輪廓幾何重建方法，其包括以下步驟：

步驟1：根據選區激光熔化制造圓柱的點云數據，得到具有真實輪廓的圓柱桿三維模型，具體步驟包括：

步驟11：獲得選區激光熔化制造的圓柱點云數據；

步驟12：將點云數據中過度離散的點去除，并將圓柱兩端剖去，提高橫截面數據精度；

步驟13：進行逆向建模，獲得逆向模型，即具有真實輪廓的圓柱三維模型；

步驟2：將所述三維模型進行剖切處理，獲得m個橫截面圖片，根據圖片模擬橫截面輪廓的橢圓圖形，得到擬合的橢圓橫截面數據；

所述擬合的橢圓橫截面數據包括：實際圓心o’、實際圓心o’與理想圓心o的偏移量(dx，dy)、實際坐標系x′-y′和理想坐標系x-y偏角θ、橢圓長軸長度a和橢圓短軸長度b；