增材制造的工藝過程前處理——路徑規(guī)劃

在3D打印過程中，工件的形狀是動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的，成型溫度場(chǎng)和材料的狀態(tài)是隨著掃描路徑動(dòng)態(tài)變化的，這種變化會(huì)使制件產(chǎn)生變形和出現(xiàn)殘余應(yīng)力，從而對(duì)成型件的精度、表面質(zhì)量和性能等造成影響，掃描路徑的不同還會(huì)造成成型時(shí)間的不同，從而對(duì)成型效率產(chǎn)生影響，因而對(duì)掃描路徑的規(guī)劃非常重要。因此路徑的規(guī)劃主要分為針對(duì)成型精度的路徑規(guī)劃和針對(duì)成型效率的路徑規(guī)劃。

(1) 基于表面精度的路徑規(guī)劃

3D 打印的原理是逐層堆積成型，每一個(gè)分層截面上的誤差都會(huì)累積到zui終成型件上，因此有必要對(duì)分層截面上的路徑進(jìn)行優(yōu)化，減小分層截面上的誤差。由于掃描線有一定的寬度，在填充由曲線圍成的截面時(shí)實(shí)際成型輪廓與曲線輪廓之間會(huì)出現(xiàn)誤差，這種現(xiàn)象被稱為臺(tái)階效應(yīng)。為此，輪廓偏置算法被提出，輪廓偏置掃描是將輪廓向?qū)嶓w方向偏移生成掃描矢量，然后一層一層地由內(nèi)向外或由外向內(nèi)進(jìn)行掃描成型，由于掃描的方向不斷變化，掃描線的內(nèi)應(yīng)力方向是發(fā)散的，符合熱傳遞規(guī)律，降低了殘余應(yīng)力，使得掃描線的收縮變形量得以減小，成型質(zhì)量較好，避免了填充截面時(shí)產(chǎn)生的臺(tái)階效應(yīng)。

切片輪廓的偏置算法是3D打印數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，絕大多數(shù)3D打印工藝都需要將切片輪廓進(jìn)行偏置后再進(jìn)行下一步處理。輪廓偏置對(duì)保證zui終工件的尺寸精度具有非常重要的意義。SLS技術(shù)，需要將掃描軌跡輪廓線向內(nèi)偏置一個(gè)激光斑半徑的寬度，SLA和FDM則于SLS基本相似。這與一般數(shù)控加工系統(tǒng)的刀具偏置有一定相似性。

(2) 基于翹曲變形的路徑規(guī)劃，

翹曲變形是3D 打印技術(shù)中制件存在的共性問題，在FDM工藝中，由于體積收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)影響原型的尺寸精度，引起原型整體變形、翹曲或在原型內(nèi)部引起分層，甚至?xí)p壞工件與工作臺(tái)之間的支撐部分，使成型無法正常進(jìn)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(fā)聚合反應(yīng)發(fā)生固化時(shí)體積收縮引起的翹曲變形，選擇性激光燒結(jié)(SLS)和成型堆積制造（SDM）工藝中伴隨成型材料在熱態(tài)和冷態(tài)轉(zhuǎn)變和材料相變時(shí)引起體積收縮而導(dǎo)致的變形，和分層實(shí)體制造(LOM)工藝中層間的收縮應(yīng)力引起的變形。

對(duì)于FDM工藝而言，采用較短的掃描線進(jìn)行填充能夠有效的減小收縮，進(jìn)而減小翹曲變形，并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(duì)于SLS、SLA及其他3D打印工藝而言，同樣的是，短邊掃描比長(zhǎng)邊掃描的翹曲變形量要小。因此，對(duì)于3D打印工藝，減小翹曲變形的方法是采用分區(qū)域掃描的策略，將一個(gè)較大的平面劃分成若干瘦長(zhǎng)的區(qū)域，然后控制熔融擠壓噴頭（或激光頭）沿著每個(gè)區(qū)域的短邊方向進(jìn)行掃描，這就可以大幅減小工件的翹曲變形。

針對(duì)成型效率的路徑規(guī)劃

在3D打印制造領(lǐng)域中，CAD 實(shí)體數(shù)據(jù)模型目前普遍采用STL文件格式來描述，實(shí)際三維CAD實(shí)體數(shù)據(jù)模型由許多空間三角形平面來逼近，因此，實(shí)體經(jīng)切片處理以后，其截面輪廓線不是由一組實(shí)體曲線組成，而是由一組封閉的多邊形輪廓組成，且多邊形與多邊形之間只有包含與被包含或分離的現(xiàn)象。不同的三維造型軟件將 CAD 實(shí)體數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為 STL 文件格式的數(shù)據(jù)模型時(shí)，其轉(zhuǎn)換算法是不盡相同的。同時(shí)，在切片算法中，對(duì) STL 數(shù)據(jù)模型中各三角形的幾何與拓?fù)鋽?shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)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(diǎn)位置具有隨意性，從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(huì)使加工效率大大降低，因此需要對(duì)這些多邊形輪廓的順序及其各終始點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化路徑的目的。

路徑規(guī)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(shí)間zui少。對(duì)于FDM工藝來說，是用填充方式來得到每層的截面，因此，在噴頭填充過程中，填充速度將決定每層的填充時(shí)間。在填充速度一定的情況下，填充路徑規(guī)劃與否和優(yōu)化質(zhì)量的好壞將直接影響每層的填充時(shí)間，從而影響加工效率。

如圖3.7.6所示的一個(gè)截面上的實(shí)體填充路徑，存在著 ab、cd、ef、gh、ij等多條填充路徑。噴頭填充路徑時(shí),從一條路徑切換到另一條路徑需要一定的時(shí)間，盡可能減少這種時(shí)間消耗，就要保證空行程距離盡可能的短。根據(jù)填充路徑建立數(shù)學(xué)模型，先將同一種類型環(huán)上suoyou的路徑終始點(diǎn)連接起來，形成一個(gè)*圖。該*圖上各個(gè)頂點(diǎn)是填充路徑的終始點(diǎn)，各條邊有一個(gè)權(quán)值，代表實(shí)際位置中各個(gè)點(diǎn)的相對(duì)距離，在同一條路徑上兩點(diǎn)（終始點(diǎn)）之間的權(quán)值設(shè)為 0，不同路徑上各點(diǎn)之間的實(shí)際距離作為他們之間的權(quán)值。這樣就從路徑規(guī)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(gè)*圖中，存在著一個(gè)路徑，這個(gè)路徑經(jīng)過各個(gè)點(diǎn)有且僅有一次，使得這個(gè)路徑各邊的權(quán)值之和為zui小。

在路徑規(guī)劃時(shí)，多個(gè)因素相互交織耦合，并非獨(dú)立存在，因此要綜合權(quán)衡多個(gè)影響，根據(jù)工件的實(shí)際要求，對(duì)路徑進(jìn)行*的規(guī)劃。