异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法与流程

本发明涉及金属增材制造，具体涉及异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法。

背景技术：

1、增材制造技术(additive manufacturing,am)也被称为“3d打印技术”，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，它是一种“自下而上”材料累加的制造方法，是以数学建模为基础，基于离散-堆积原理，将材料逐层堆积制造出实体零件的新兴制造技术。经过近一个世纪的发展，增材制造技术实现了有机材料、无机非金属材料、金属材料产品的快速制造。针对金属材料，将增材制造技术按热源分类，可分为：激光增材制造、电弧增材制造、电子束增材制造等技术，原材料一般有焊丝和金属粉末两种形式。

2、现有技术cn111702292b一种金属结构件多层单道连续电弧增材制造方法及系统，该方法采用焊机作为热源，金属丝材作为成形材料，焊接装置在机器人驱动下按照规划的连续螺旋上升的切片路径运动在基板上进行电弧增材制造。首先选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板；接着生成连续螺旋上升切片路径；最后焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，由伺服系统根据计算出来的螺旋路径驱动焊枪机械臂，由焊枪机械臂驱动焊枪沿着预定轨迹打印单道焊缝，焊枪根据螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高。连续螺旋上升的路径使得整个3d打印过程焊枪距离基板的高度逐渐升高，但保持干伸长不变，整个打印过程不会熄弧，最终成形得到性能优良的金属结构件。

3、现有技术存在的技术问题是：打印路径中抬高方向为z方向垂直抬高。在打印异形结构件，如表面为斜面结构的情况下不适用或打印质量不高。

技术实现思路

1、为了实现异形结构件的高质量打印，本发明提出了一种异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，该方法沿着异形结构件表面的矢量方向抬高，可实现较高质量的打印。

2、异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，包括以下几个步骤：

3、步骤一：选择金属材料和基板；

4、步骤二：调试增材设备，包括打印平台、打印头，还包括热源、电源、气源、运动机构；

5、步骤三：根据异形金属结构件的结构特征规划打印路径；

6、步骤四：启动增材设备，打印头根据规划的打印路径进行打印；

7、所述规划的打印路径为连续螺旋上升的切片路径；所述规划的打印路径由抬升点连接而成，所述抬升点由异形金属结构件切片平面的轮廓点p按照低层切片平面轮廓点p指向高层切片平面轮廓点p的矢量方向抬升得到，所述异形金属结构件不同切片平面的轮廓点p数量相同。

8、进一步的，所述打印路径的规划方法包括以下几个步骤：

9、步骤一：分层切片，将异形金属结构件沿水平方向切片为m层，然后在每层切片平面上建立二维坐标平面；

10、步骤二：在切片平面上拆分轮廓点p，每层切片平面的轮廓点p的数量相同且设置为n，n个轮廓点p均匀分布，建立矩阵，用于描述m层每层n个轮廓点p的坐标；

11、步骤三：建立翻转矩阵，将步骤二的矩阵a进行翻转得到，用于描述n层每层m个轮廓点p的坐标；

12、步骤四：将步骤三得到的轮廓点p与其沿竖直方向上排序相同的轮廓点p之间建立矢量，相邻层的矢量方向由低层指向高层，再次翻转矩阵得到，用于描述m-1层n个轮廓点指向m层n个轮廓点的矢量关系；

13、步骤五：建立等差数列，首项为0，末项为1，公差为，n为每层轮廓点p的数量，得到列矩阵，其中n≤n，n为整数；

14、步骤六：将步骤四的矩阵v和步骤五的矩阵r相乘，得到矩阵，矩阵h表示m层每层n个轮廓点p的抬升方向及抬升高度，抬升高度即为矢量长度，n个轮廓点p抬升后的点即为抬升点，抬升点依次连接构建成螺旋线，螺旋线即规划的打印路径。

15、进一步的，所述步骤二中矩阵，其中、、...、即m层每层n个轮廓点p中的第一个点即该层打印起点的确定方法为：

16、步骤一：建立一个包络异形金属结构件数模的立方体，将立方体上下两个在同一竖直方向的顶点连接成线s；

17、步骤二：找出轮廓点p到该线s的最近点，并求得轮廓点p到的距离d，轮廓点p与的距离，、表示轮廓点p的二维坐标，，表示的的二维坐标；

18、步骤三：索引到步骤二中d的最小值在列表的序号，其中≤n，n为整数，每层切片平面的对应的轮廓点p即为、、...、；以、、...、为起点按照原切片平面轮廓点p的顺序进行列表偏移，重新排序，得到矩阵。

19、进一步的，所述切片平面之间的层高为1-4mm。

20、进一步的，所述每层拆分轮廓点p的数量相同，且均匀分布，即轮廓点p沿着切片平面轮廓周长方向的距离相等，距离在1-3mm。

21、进一步的，所述金属材料为金属丝材、金属粉末或其结合；所述热源为电弧、等离子弧、激光、电子束或其结合；所述气源为氩气或氦气保护气；所述打印头为固定设置或连接在运动机构上，所述运动机构为六轴机器人或打印头三轴运动平台；所述打印平台为固定设置或连接在单轴变位机、双轴变位机或三轴运动打印平台上；所述打印头与打印平台保持相对运动。

22、进一步的，所述异形金属结构件为竖直向上具有斜面的结构，所述斜面与竖直方向的夹角为±75度。

23、进一步的，所述异形金属结构件的斜面与竖直方向的夹角为±45度。

24、进一步的，所述异形金属结构件的斜面与竖直方向的夹角为±30度。

25、本发明的有益技术效果：（1）沿着异形结构件表面的矢量方向抬高，更贴合异形金属结构件的表面形状特性；（2）与相同金属材料沿着竖直高度抬高的打印路径的方法相比，本发明成形异形金属结构件晶粒尺寸更细小均匀，机械性能更好、且组织无各向异性。

技术特征：

1.异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，包括以下几个步骤：

2.根据权利要求1所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述打印路径的规划方法包括以下几个步骤：

3.根据权利要求2所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述步骤二中矩阵，其中、、...、即m层每层n个轮廓点p中的第一个点即该层打印起点的确定方法为：

4.根据权利要求2或3所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述切片平面之间的层高为1-4mm。

5.根据权利要求2或3所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述每层拆分轮廓点p的数量相同，且均匀分布，即轮廓点p沿着切片平面轮廓周长方向的距离相等，距离在1-3mm。

6.根据权利要求1-3任一所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述金属材料为金属丝材、金属粉末或其结合；所述打印头为固定设置或连接在运动机构上，所述运动机构为六轴机器人或打印头三轴运动平台；所述打印平台为固定设置或连接在单轴变位机、双轴变位机或三轴运动打印平台上；所述打印头与打印平台保持相对运动。

7.根据权利要求1-3任一所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述异形金属结构件为竖直向上具有斜面的结构，所述斜面与竖直方向的夹角为±75度。

8.根据权利要求7所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述异形金属结构件的斜面与竖直方向的夹角为±45度。

9.根据权利要求8所述的异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，其特征在于：所述异形金属结构件的斜面与竖直方向的夹角为±30度。

技术总结
异形金属结构件的多层单道打印路径规划方法，所述规划的打印路径由抬升点连接而成，所述抬升点由异形金属结构件切片平面的轮廓点P按照低层切片平面轮廓点P指向高层切片平面轮廓点P的矢量方向抬升得到，所述异形金属结构件不同切片平面的轮廓点P数量相同。本发明沿着异形结构件表面的矢量方向抬高，更贴合异形金属结构件的表面形状特性；与沿着竖直高度抬高的打印路径的方法相比，本发明成形异形金属结构件晶粒尺寸更细小均匀，机械性能更好、且组织无各向异性。

技术研发人员：支镜任,栗文杰,彭颂,刘野,郭起全,杨烽
受保护的技术使用者：苏州融速智造科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15