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一种用于逐层制造三维物体的扫描方法

阅读：1030发布：2020-08-20

专利汇可以提供一种用于逐层制造三维物体的扫描方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，步骤为：（1）将待制造的三维物体的每层截面分为薄壁区和非薄壁区；设置三维物体截面轮廓的间隙宽度的阈值，根据截面在x/y方向上轮廓的间隙宽度，将需要扫描的涂层区域分为薄壁区与非薄壁区；薄壁区为轮廓间隙宽度小于阈值的区域，非薄壁区为轮廓间隙宽度大于或等于阈值的区域；（2）根据薄壁区和非薄壁区，进行分区扫描；当扫描非薄壁区时，选择较大的光子射束或粒子射束功率和光斑直径尺寸；当扫描薄壁区时，选择较小的光子射束或粒子射束功率和光斑直径尺寸。本发明在最大程度上均衡了逐层制造三维物体过程中所面临的效率和精度的制约问题，既保证了效率，也保证了加工零件的精度和表面质量。，下面是一种用于逐层制造三维物体的扫描方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，步骤为：
（1）将待制造的三维物体的每层截面分为薄壁区和非薄壁区；设置某一值作为三维物体截面轮廓的间隙宽度的阈值，根据截面在x/y方向上轮廓的间隙宽度，将需要扫描的涂层区域分为薄壁区与非薄壁区；其中，所述薄壁区为轮廓间隙宽度小于阈值的区域，非薄壁区为轮廓间隙宽度大于或等于阈值的区域；
（2）根据步骤（1）得到的薄壁区和非薄壁区，进行分区扫描；当扫描非薄壁区时，选择较大的光子射束或粒子射束功率和光斑直径尺寸；当扫描薄壁区时，选择较小的光子射束或粒子射束功率和光斑直径尺寸。
2.根据权利要求1所述的用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述步骤（1）中，具体步骤为：
（1.1）读入工件数据文件；
（1.2）用平行xy平面的薄片与工件数据文件相切，得到N个工件轮廓截面，相邻截面的间距为预设的分层厚度；
（1.3）分别用间距为预设扫描间距值、且平行于xy平面中X/Y轴方向的直线与轮廓截面相交，分别得到X/Y轴方向上N条相交线段；
（1.4）读入用户自定义设置的薄壁阈值；
（1.5）分别用薄壁阈值与每一个截面上X/Y轴方向上的每一条相交线段的长度相比较；若当前相交线段长度小于薄壁阈值，则当前相交线段与下一条相交线段之间的区域为截面薄壁区，否则为非薄壁区。
3.根据权利要求2所述的用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述步骤（1.3）中的预设扫描间距值是由用户根据系统的光斑直径尺寸、扫描功率、材料密度确定。
4.根据权利要求2所述的用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述步骤（1.4）中的薄壁阈值由用户根据工件要求的制作精度和系统的最小光斑直径尺寸定义设置，取值大于预设扫描间距值的1.5倍以上。
5.根据权利要求1所述的用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述步骤（2）中，具体步骤为：
（2.1）对于轮廓截面的所有非薄壁区，根据用户预设的扫描间距值和扫描方式，确定扫描路径，然后，选择相同的较大扫描速度，设置相同的光斑直径尺寸和相同的光子射束或粒子射束1的功率参数；
（2.2）对于轮廓截面的所有薄壁区，根据系统的最小光斑直径尺寸和精度要求，确定扫描间距和扫描路径，光斑直径尺寸设置为系统最小光斑直径尺寸，然后，确定扫描速度，光子射束或粒子射束1的功率参数。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述薄壁区的扫描功率密度与非薄壁区的扫描功率密度相同。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述光子射束为激光射线，粒子射束为高能量电子束。
8.根据权利要求1～5中任意一项所述的用于逐层制造三维物体的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法是基于层制造装置，所述层制造装置为立体平板印刷术装置、激光烧结装置或电子束熔化装置；所述层制造装置的扫描材料为液态光固化树脂、陶瓷粉末、石蜡粉末、金属粉末、或聚合物粉末。

说明书全文

一种用于逐层制造三维物体的扫描方法

技术领域

[0001] 本发明主要涉及到分层制造技术领域，特指一种适用于逐层制造技术的三维物体扫描方法，即在逐层制造三维物体的过程中，将每层待加工的图形区域分为薄壁区和非薄壁区，从而进行区分扫描的方法。

背景技术

[0002] 现有技术中的涉及“层制造”的装置，例如已知用于立体平板印刷术（stereo lithography）、激光烧结（laser sintering）和电子束熔化（electron beam melting）等的装置。这些装置都包括一个用于相对于工作表面定位物体的支架、一个用于涂覆液态的或粉末形式的材料的装置、一个聚焦的光子射束或粒子射束。工作时，通过涂覆装置将一层一层液态的或粉末形式的材料涂覆在工作表面，并随后由高能量的光子射束或粒子射束对准与每层待加工的图形区域相对应的涂层位置进行扫描，并引起扫描位置的材料的硬化。这样，逐层叠加，制成三维物体。

[0003] 在上述传统结构中，精度和效率是衡量装置制作三维物体关键的两个性能指标。在逐层制造过程中，就每层而言，加工精度要求高，就意味着加工后的扫描硬化区与期望原型的图形区的拟合度高；生产效率要求高，则表示在更短的时间内完成每层的扫描与硬化。
一般情况下，扫描作业占据每层三维物体制作的大部分时间。除成型前后的数据处理、材料因素等之外，精度与光子射束或粒子射束的光斑直径尺寸和功率有很大关系。在保证成型物体致密性的前提下，光子射束或粒子射束以相同的或最大的扫描速度运行（一般地，最大扫描速度受到系统硬件条件的制约），精度要求越高，则越需要减小填充扫描间距以及光子射束或粒子射束的光斑直径尺寸和功率，那么扫描填充的次数增多，从而降低了加工效率；效率要求越高，则越需要加大填充扫描间距以及光子射束或粒子射束的光斑直径尺寸和功率，那么待扫描加工的原型图形中，比填充扫描间距窄的部位，也即轮廓间距比较薄的部位，有两种可能加工的结果。其一，丢弃，不加工；其二，执行扫描，成型后的物体在该部位的尺寸比原型的大，要求精密加工的制件或制件的关键部位达不到加工精度要求。因此，从一个层面来讲，精度和效率在一定程度上是相互制约的。

[0004] 在传统的上述 “层制造”装置上，针对某一种成型材料，现有的做法是，在整个制造三维物体的过程中，选择相同的或最大的扫描速度，采取相同的扫描间距、光子射束或粒子射束的功率和光斑直径尺寸参数。这样，用户只能根据系统固定的设置参数进行扫描烧结，往往出现满足加工精度，但生产效率低下或是加工精度不够，生产效率较高的现象。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、可对加工精度和加工效率进行优化配置的用于逐层制造三维物体的扫描方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，步骤为：
（1）将待制造的三维物体的每层截面分为薄壁区和非薄壁区；设置某一值作为三维物体截面轮廓的间隙宽度的阈值，根据截面在x/y方向上轮廓的间隙宽度，将需要扫描的涂层区域分为薄壁区与非薄壁区；其中，所述薄壁区为轮廓间隙宽度小于阈值的区域，非薄壁区为轮廓间隙宽度大于或等于阈值的区域；
（2）根据步骤（1）得到的薄壁区和非薄壁区，进行分区扫描；当扫描非薄壁区时，选择较大的光子射束或粒子射束功率和光斑直径尺寸；当扫描薄壁区时，选择较小的光子射束或粒子射束功率和光斑直径尺寸。

[0007] 作为本发明的进一步改进：所述步骤（1）中，具体步骤为：（1.1）读入工件数据文件；
（1.2）用平行xy平面的薄片与工件数据文件相切，得到N个工件轮廓截面，相邻截面的间距为预设的分层厚度；
（1.3）分别用间距为预设扫描间距值、且平行于xy平面中X/Y轴方向的直线与轮廓截面相交，分别得到X/Y轴方向上N条相交线段；
（1.4）读入用户自定义设置的薄壁阈值；
（1.5）分别用薄壁阈值与每一个截面上X/Y轴方向上的每一条相交线段的长度相比较。若当前相交线段长度小于薄壁阈值，则当前相交线段与下一条相交线段之间的区域为截面薄壁区，否则为非薄壁区。

[0008] 作为本发明的进一步改进：所述步骤（1.3）中的预设扫描间距值是由用户根据系统的光斑直径尺寸、扫描功率、材料密度确定。

[0009] 作为本发明的进一步改进：所述步骤（1.4）中的薄壁阈值由用户根据工件要求的制作精度和系统的最小光斑直径尺寸定义设置，取值大于预设扫描间距值的1.5倍以上。

[0010] 作为本发明的进一步改进：所述步骤（2）中，具体步骤为：（2.1）对于轮廓截面的所有非薄壁区，根据用户预设的扫描间距值和扫描方式，确定扫描路径，然后，选择相同的较大扫描速度，设置相同的光斑直径尺寸和相同的光子射束或粒子射束1的功率参数；
（2.2）对于轮廓截面的所有薄壁区，根据系统的最小光斑直径尺寸和精度要求，确定扫描间距和扫描路径，光斑直径尺寸设置为系统最小光斑直径尺寸，然后，确定扫描速度，光子射束或粒子射束1的功率参数。

[0011] 作为本发明的进一步改进：所述薄壁区的扫描功率密度与非薄壁区的扫描功率密度相同。

[0012] 作为本发明的进一步改进：所述光子射束为激光射线，粒子射束为高能量电子束。

[0013] 作为本发明的进一步改进：所述扫描方法是基于层制造装置，所述层制造装置为立体平板印刷术装置、激光烧结装置或电子束熔化装置；所述层制造装置的扫描材料为液态光固化树脂、陶瓷粉末、石蜡粉末、金属粉末、或聚合物粉末。

[0014] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的用于逐层制造三维物体的扫描方法，原理简单、易实现，适用于所有逐层制造三维物体的装置上光子射束或粒子射束在液态的或粉末形式的材料上的扫描。用户可以根据加工要求自由设置薄壁阈值，将逐层扫描烧结的轮廓截面分为薄壁区和非薄壁区，进而采用不同的扫描参数对不同区域进行区分扫描，在最大程度上均衡了逐层制造三维物体的效率和精度。根据本发明的方法，对非薄壁区采用较大的或最大的固定扫描速度，设置固定的光斑直径尺寸和固定的光子射束或粒子射束的功率等参数，以保证生产效率；扫描遭遇非薄壁区时，采用最小系统光斑直径尺寸，并同时调整扫描间距、扫描速度和光子射束或粒子射束的功率等参数，使薄壁区获得与非薄壁区一致的功率密度，由于减小了光斑直径尺寸，并设置了与之相适应的扫描间距，从而避免了因采用较大光斑尺寸及预设间距扫描导致溢出应加工区域的情况，保证了薄壁区加工精度。这样满足了在整个逐层制作三维物体的加工效率以及制件加工精度的要求。附图说明

[0015] 图1是本发明方法的流程示意图。

[0016] 图2是本发明在具体应用实例中的工作原理示意图。

[0017] 图3是本发明在具体应用实例中两个三维物体在Z轴方向上某一层截面的示意图。

[0018] 图例说明：1、光子射束或粒子射束；2、待加工三维物体；3、第一区域；4、铺料机构；5、工作台面；
6、第二区域。

具体实施方式

[0019] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0020] 如图1和图2所示，本发明的一种用于逐层制造三维物体的扫描方法，用于层制造装置。本发明基于采用光子射束或粒子射束1对三维物体进行逐层扫描的方式，即利用光子射束或粒子射束1射在工作台面5上，对待加工三维物体2截面上通过铺料机构4平铺的粉末进行填充扫描烧结。本发明对每层待加工区域采取分区扫描的方法，具体包括以下步骤：（1）读入工件数据文件；
（2）用平行xy平面的薄片与工件数据文件相切，得到N个工件轮廓截面，相邻截面的间距为预设的分层厚度；
（3）分别用间距为预设扫描间距值、且平行于xy平面中X/Y轴方向的直线与轮廓截面相交，分别得到X/Y轴方向上N条相交线段；
（4）读入用户自定义设置的薄壁阈值；
（5）分别用薄壁阈值与每一个截面上X/Y轴方向上的每一条相交线段的长度相比较。
若当前相交线段长度小于薄壁阈值，则当前相交线段与下一条相交线段之间的区域为截面薄壁区，否则为非薄壁区。

[0021] （6）针对不同的区域设置不同的扫描参数；对于轮廓截面的所有非薄壁区，根据用户预设的扫描间距值和扫描方式，确定扫描路径，然后，选择相同的较大扫描速度，设置相同的光斑直径尺寸和相同的光子射束或粒子射束1的功率参数；
对于轮廓截面的所有薄壁区，根据系统的最小光斑直径尺寸和精度要求，确定扫描间距和扫描路径，光斑直径尺寸设置为系统最小光斑直径尺寸，然后，确定扫描速度，光子射束或粒子射束1的功率参数。

[0022] （7）系统发送指令，控制振镜电机运动和光子射束或粒子射束的发射功率，按照设定的扫描路径逐层扫描烧结。

[0023] 在上述扫描方法中，薄壁区的扫描功率密度与非薄壁区的扫描功率密度相同。

[0024] 在上述扫描方法中，光子射束可以选用激光射线，粒子射束可以选用高能量电子束。层制造装置可以选用立体平板印刷术装置、激光烧结装置、电子束熔化装置等。扫描的材料可以选用液态光固化树脂、陶瓷粉末、石蜡粉末、金属粉末、聚合物粉末等液态材料与粉末材料。

[0025] 在上述扫描方法中，步骤（3）中的预设扫描间距值是由用户根据系统的光斑直径尺寸、扫描功率、材料密度等因素确定。

[0026] 在上述扫描方法中，步骤（4）中的薄壁阈值由用户根据工件要求的制作精度和系统的最小光斑直径尺寸等因素自行定义设置，一般取值大于预设扫描间距值的1.5倍以上。

[0027] 在上述扫描方法中，步骤（6）中设置扫描参数时，针对轮廓截面的非薄壁区，采用现有常见的做法，选用较大的光斑直径尺寸，扫描速度和光子射束或粒子射束功率扫描参数。针对轮廓截面的薄壁区，由振镜的响应频率参数和扫描精度共同确定扫描速度；在保证与非薄壁区光子射束或粒子射束功率密度一致的情况下，由扫描速度、扫描间距和光斑直径尺寸共同确定光子射束或粒子射束的功率参数。

[0028] 如图3所示，为本发明在具体应用实例中两个三维物体在Z轴方向上某一层截面的示意图。图中，物体a与物体b有要求精度高、配合度高的结合面，如第一区域3和第二区域6所示；以上述物体为例，对本发明做进一步详细的说明。

[0029] 针对该层截面，系统分别用间距为预设扫描间距值△d且平行于xy平面X/Y轴方向的直线与轮廓截面相交，分别得到X/Y轴方向上N条相交线段。然后，读入用户自定义设置的薄壁阈值△W，分别用△W与截面上X/Y轴方向上的每一条相交线段的长度相比较。假定△W>W1、△W>W2，那么物体a截面在X轴方向上第一区域3内的凸出区域和在Y轴方向上第二区域6内的凸出区域为整个截面的薄壁区，其他区域，包括物体b和物体a（除第一区域3内的凸出部分和第二区域6内的凸出部分外）在X/Y轴方向上的相交线段长度大于△W，则为非薄壁区。

[0030] 针对所得到的不同的区域设置不同的扫描参数。

[0031] 1）对物体a截面在第一区域3内的凸出区域和第二区域6内的凸出区域，根据系统的最小光斑直径尺寸和精度要求，确定小于△d的扫描间距和扫描路径。根据振镜的响应频率参数，在保证扫描精度的前提下，设置较小的扫描速度。光斑直径尺寸设置为系统最小光斑直径尺寸。在保证功率密度的情况下，根据扫描速度，扫描间距和光斑直径尺寸，确定光子射束或粒子射束功率参数。

[0032] 2）对于其他非薄壁区域，根据用户预设扫描间距值△d和扫描方式，确定扫描路径。然后，设置固定的光斑直径尺寸，固定的扫描速度和固定的光子射束或粒子射束功率参数。最后系统根据设置的参数值发送指令，控制振镜电机运动和光子射束或粒子射束的发射功率，按照设定的扫描路径逐层扫描烧结。

[0033] 烧制后的截面层，物体a截面在第一区域3内的凸出区域和第二区域6内的凸出区域由于调整了扫描参数，保证了加工精度；非薄壁区域，采用比薄壁区大的扫描间距等参数，提高了扫描烧结效率。物体b截面在第一区域3内的凹进区域和第二区域6内的凹进区域，由于在X/Y轴方向上的相交线段大于△W，因此不需要采用最小光斑直径尺寸和调整其他参数也可以保证烧结精度。

[0034] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

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