增材制造的工艺过程前处理——路径规划_上海长肯供

增材制造的工艺过程前处理——路径规划

在3D打印过程中，工件的形状是动态增长的，成型温度场和材料的状态是随着扫描路径动态变化的，这种变化会使制件产生变形和出现残余应力，从而对成型件的精度、表面质量和性能等造成影响，扫描路径的不同还会造成成型时间的不同，从而对成型效率产生影响，因而对扫描路径的规划非常重要。因此路径的规划主要分为针对成型精度的路径规划和针对成型效率的路径规划。

(1) 基于表面精度的路径规划

3D 打印的原理是逐层堆积成型，每一个分层截面上的误差都会累积到zui终成型件上，因此有必要对分层截面上的路径进行优化，减小分层截面上的误差。由于扫描线有一定的宽度，在填充由曲线围成的截面时实际成型轮廓与曲线轮廓之间会出现误差，这种现象被称为台阶效应。为此，轮廓偏置算法被提出，轮廓偏置扫描是将轮廓向实体方向偏移生成扫描矢量，然后一层一层地由内向外或由外向内进行扫描成型，由于扫描的方向不断变化，扫描线的内应力方向是发散的，符合热传递规律，降低了残余应力，使得扫描线的收缩变形量得以减小，成型质量较好，避免了填充截面时产生的台阶效应。

切片轮廓的偏置算法是3D打印数据处理中的一个重要环节，绝大多数3D打印工艺都需要将切片轮廓进行偏置后再进行下一步处理。轮廓偏置对保证zui终工件的尺寸精度具有非常重要的意义。SLS技术，需要将扫描轨迹轮廓线向内偏置一个激光斑半径的宽度，SLA和FDM则于SLS基本相似。这与一般数控加工系统的刀具偏置有一定相似性。

(2) 基于翘曲变形的路径规划，

翘曲变形是3D 打印技术中制件存在的共性问题，在FDM工艺中，由于体积收缩而产生的内应力会影响原型的尺寸精度，引起原型整体变形、翘曲或在原型内部引起分层，甚至会损坏工件与工作台之间的支撑部分，使成型无法正常进行下去。在其他快速成型工艺中，也存在类似的情况，如光固化(SLA)工艺中光引发聚合反应发生固化时体积收缩引起的翘曲变形，选择性激光烧结(SLS)和成型堆积制造（SDM）工艺中伴随成型材料在热态和冷态转变和材料相变时引起体积收缩而导致的变形，和分层实体制造(LOM)工艺中层间的收缩应力引起的变形。

对于FDM工艺而言，采用较短的扫描线进行填充能够有效的减小收缩，进而减小翘曲变形，并行栅格扫描是一种能够很好的减小工件翘曲变形的扫描方式。对于SLS、SLA及其他3D打印工艺而言，同样的是，短边扫描比长边扫描的翘曲变形量要小。因此，对于3D打印工艺，减小翘曲变形的方法是采用分区域扫描的策略，将一个较大的平面划分成若干瘦长的区域，然后控制熔融挤压喷头（或激光头）沿着每个区域的短边方向进行扫描，这就可以大幅减小工件的翘曲变形。

针对成型效率的路径规划

在3D打印制造领域中，CAD 实体数据模型目前普遍采用STL文件格式来描述，实际三维CAD实体数据模型由许多空间三角形平面来逼近，因此，实体经切片处理以后，其截面轮廓线不是由一组实体曲线组成，而是由一组封闭的多边形轮廓组成，且多边形与多边形之间只有包含与被包含或分离的现象。不同的三维造型软件将 CAD 实体数据模型转化为 STL 文件格式的数据模型时，其转换算法是不尽相同的。同时，在切片算法中，对 STL 数据模型中各三角形的几何与拓扑数据在内存中的存储方式及顺序的不同，均能造成各多边形轮廓的顺序及其终始点位置具有随意性，从而存在一些不必要且明显的空行程。每层包括很多条路径，如果空行程过多，就会使加工效率大大降低，因此需要对这些多边形轮廓的顺序及其各终始点位置进行调整，以达到优化路径的目的。

路径规划的目的，就是要减少喷头或者激光头填充过程中空行程距离，即使原先生成的填充路径中，从一条路径到另一条路径过程中，在速度一定的情况下，所花时间zui少。对于FDM工艺来说，是用填充方式来得到每层的截面，因此，在喷头填充过程中，填充速度将决定每层的填充时间。在填充速度一定的情况下，填充路径规划与否和优化质量的好坏将直接影响每层的填充时间，从而影响加工效率。

如图3.7.6所示的一个截面上的实体填充路径，存在着 ab、cd、ef、gh、ij等多条填充路径。喷头填充路径时,从一条路径切换到另一条路径需要一定的时间，尽可能减少这种时间消耗，就要保证空行程距离尽可能的短。根据填充路径建立数学模型，先将同一种类型环上suoyou的路径终始点连接起来，形成一个*图。该*图上各个顶点是填充路径的终始点，各条边有一个权值，代表实际位置中各个点的相对距离，在同一条路径上两点（终始点）之间的权值设为 0，不同路径上各点之间的实际距离作为他们之间的权值。这样就从路径规划问题中抽象出了哈密尔顿图。要求出*的填充路径，即求在这样一个*图中，存在着一个路径，这个路径经过各个点有且仅有一次，使得这个路径各边的权值之和为zui小。

在路径规划时，多个因素相互交织耦合，并非独立存在，因此要综合权衡多个影响，根据工件的实际要求，对路径进行*的规划。