增材製造的工藝過程前處理——路徑規劃_上海長肯供

增材製造的工藝過程前處理——路徑規劃

在3D打印過程中，工件的形狀是動態增長的，成型溫度場和材料的狀態是隨著掃描路徑動態變化的，這種變化會(hui) 使製件產(chan) 生變形和出現殘餘(yu) 應力，從(cong) 而對成型件的精度、表麵質量和性能等造成影響，掃描路徑的不同還會(hui) 造成成型時間的不同，從(cong) 而對成型效率產(chan) 生影響，因而對掃描路徑的規劃非常重要。因此路徑的規劃主要分為(wei) 針對成型精度的路徑規劃和針對成型效率的路徑規劃。

(1) 基於(yu) 表麵精度的路徑規劃

3D 打印的原理是逐層堆積成型，每一個(ge) 分層截麵上的誤差都會(hui) 累積到zui終成型件上，因此有必要對分層截麵上的路徑進行優(you) 化，減小分層截麵上的誤差。由於(yu) 掃描線有一定的寬度，在填充由曲線圍成的截麵時實際成型輪廓與(yu) 曲線輪廓之間會(hui) 出現誤差，這種現象被稱為(wei) 台階效應。為(wei) 此，輪廓偏置算法被提出，輪廓偏置掃描是將輪廓向實體(ti) 方向偏移生成掃描矢量，然後一層一層地由內(nei) 向外或由外向內(nei) 進行掃描成型，由於(yu) 掃描的方向不斷變化，掃描線的內(nei) 應力方向是發散的，符合熱傳(chuan) 遞規律，降低了殘餘(yu) 應力，使得掃描線的收縮變形量得以減小，成型質量較好，避免了填充截麵時產(chan) 生的台階效應。

切片輪廓的偏置算法是3D打印數據處理中的一個(ge) 重要環節，絕大多數3D打印工藝都需要將切片輪廓進行偏置後再進行下一步處理。輪廓偏置對保證zui終工件的尺寸精度具有非常重要的意義(yi) 。SLS技術，需要將掃描軌跡輪廓線向內(nei) 偏置一個(ge) 激光斑半徑的寬度，SLA和FDM則於(yu) SLS基本相似。這與(yu) 一般數控加工係統的刀具偏置有一定相似性。

(2) 基於(yu) 翹曲變形的路徑規劃，

翹曲變形是3D 打印技術中製件存在的共性問題，在FDM工藝中，由於(yu) 體(ti) 積收縮而產(chan) 生的內(nei) 應力會(hui) 影響原型的尺寸精度，引起原型整體(ti) 變形、翹曲或在原型內(nei) 部引起分層，甚至會(hui) 損壞工件與(yu) 工作台之間的支撐部分，使成型無法正常進行下去。在其他快速成型工藝中，也存在類似的情況，如光固化(SLA)工藝中光引發聚合反應發生固化時體(ti) 積收縮引起的翹曲變形，選擇性激光燒結(SLS)和成型堆積製造（SDM）工藝中伴隨成型材料在熱態和冷態轉變和材料相變時引起體(ti) 積收縮而導致的變形，和分層實體(ti) 製造(LOM)工藝中層間的收縮應力引起的變形。

對於(yu) FDM工藝而言，采用較短的掃描線進行填充能夠有效的減小收縮，進而減小翹曲變形，並行柵格掃描是一種能夠很好的減小工件翹曲變形的掃描方式。對於(yu) SLS、SLA及其他3D打印工藝而言，同樣的是，短邊掃描比長邊掃描的翹曲變形量要小。因此，對於(yu) 3D打印工藝，減小翹曲變形的方法是采用分區域掃描的策略，將一個(ge) 較大的平麵劃分成若幹瘦長的區域，然後控製熔融擠壓噴頭（或激光頭）沿著每個(ge) 區域的短邊方向進行掃描，這就可以大幅減小工件的翹曲變形。

針對成型效率的路徑規劃

在3D打印製造領域中，CAD 實體(ti) 數據模型目前普遍采用STL文件格式來描述，實際三維CAD實體(ti) 數據模型由許多空間三角形平麵來逼近，因此，實體(ti) 經切片處理以後，其截麵輪廓線不是由一組實體(ti) 曲線組成，而是由一組封閉的多邊形輪廓組成，且多邊形與(yu) 多邊形之間隻有包含與(yu) 被包含或分離的現象。不同的三維造型軟件將 CAD 實體(ti) 數據模型轉化為(wei) STL 文件格式的數據模型時，其轉換算法是不盡相同的。同時，在切片算法中，對 STL 數據模型中各三角形的幾何與(yu) 拓撲數據在內(nei) 存中的存儲(chu) 方式及順序的不同，均能造成各多邊形輪廓的順序及其終始點位置具有隨意性，從(cong) 而存在一些不必要且明顯的空行程。每層包括很多條路徑，如果空行程過多，就會(hui) 使加工效率大大降低，因此需要對這些多邊形輪廓的順序及其各終始點位置進行調整，以達到優(you) 化路徑的目的。

路徑規劃的目的，就是要減少噴頭或者激光頭填充過程中空行程距離，即使原先生成的填充路徑中，從(cong) 一條路徑到另一條路徑過程中，在速度一定的情況下，所花時間zui少。對於(yu) FDM工藝來說，是用填充方式來得到每層的截麵，因此，在噴頭填充過程中，填充速度將決(jue) 定每層的填充時間。在填充速度一定的情況下，填充路徑規劃與(yu) 否和優(you) 化質量的好壞將直接影響每層的填充時間，從(cong) 而影響加工效率。

如圖3.7.6所示的一個(ge) 截麵上的實體(ti) 填充路徑，存在著 ab、cd、ef、gh、ij等多條填充路徑。噴頭填充路徑時,從(cong) 一條路徑切換到另一條路徑需要一定的時間，盡可能減少這種時間消耗，就要保證空行程距離盡可能的短。根據填充路徑建立數學模型，先將同一種類型環上suoyou的路徑終始點連接起來，形成一個(ge) *圖。該*圖上各個(ge) 頂點是填充路徑的終始點，各條邊有一個(ge) 權值，代表實際位置中各個(ge) 點的相對距離，在同一條路徑上兩(liang) 點（終始點）之間的權值設為(wei) 0，不同路徑上各點之間的實際距離作為(wei) 他們(men) 之間的權值。這樣就從(cong) 路徑規劃問題中抽象出了哈密爾頓圖。要求出*的填充路徑，即求在這樣一個(ge) *圖中，存在著一個(ge) 路徑，這個(ge) 路徑經過各個(ge) 點有且僅(jin) 有一次，使得這個(ge) 路徑各邊的權值之和為(wei) zui小。

在路徑規劃時，多個(ge) 因素相互交織耦合，並非獨立存在，因此要綜合權衡多個(ge) 影響，根據工件的實際要求，對路徑進行*的規劃。