一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法

本发明属于粘结剂喷射增材制造领域，具体涉及一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法。

背景技术：

1、粘结剂喷射增材制造的通用文件格式为stl文件，在打印前需要对stl模型进行分层，从而得到二维的轮廓信息，而在分层过程中会产生阶梯误差。在打印过程中粘结剂通过喷头喷出，撞击砂床表面铺展并渗透进砂床，在砂床孔隙之间渗透，在此过程中会产生渗透误差。通过理论分析和实验发现阶梯误差与渗透误差之间存在相互作用，这两项误差的合成误差在打印后表现为零件尺寸误差。因此，准确地表达阶梯误差与渗透误差之间的相互作用并对尺寸误差进行补偿，对零件成型精度有重要的意义。

2、目前，对于stl模型分层产生的阶梯误差，国内外相关的研究比较成熟，并且对于粘结剂渗透误差，也有学者给出了渗透误差的计算和补偿方法。但针对粘结剂喷射增材制造中阶梯误差与粘结剂渗透误差的相互作用及尺寸误差的补偿方法，现有的研究相对欠缺。因此本发明提出了一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，能实现粘结剂喷射技术的高精度增材制造。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法。该误差补偿方法考虑了阶梯误差与渗透误差的相互作用，在打印模型前按照顶点偏移的方式对模型进行误差补偿，提高粘结剂喷射增材制造的成型精度和质量。

2、本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，该方法包括以下步骤：

3、考虑阶梯误差与渗透误差相互作用获得三角面片的偏移误差公式为：

4、

5、其中，k1为向上三角面片中负阶梯误差与渗透误差之间的相互作用系数；k2为向下三角面片中正阶梯误差与渗透误差之间的相互作用系数，k1、k2为量纲一的量；l为偏移误差；dxy为xy方向渗透误差，dz为z方向渗透误差；θ为三角面片法向量方向与成型方向夹角，公式(4)中dxy、dz、k1、k2通过实验获得；

6、确定输入的stl模型中的三角面片的数量m，将集合m定义为三角面片tj的数组，m为集合m中的元素个数，获得stl模型中所有三角面片的偏移误差；

7、根据三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影，计算stl模型顶点的偏移补偿值遍历所有顶点后，stl模型顶点vi按对应的偏移补偿值沿顶点法向量的反方向向内偏置，获得偏移后的顶点进而获得补偿后的stl模型。

8、基于顶点偏移的误差补偿的过程是：

9、按照公式(5)计算顶点vi一环邻域内三角面片法向量的加权平均值，得到顶点法向量

10、

11、其中，m为集合m中的元素个数，也就是stl模型中三角面片的数量，j为[1,m]范围内的整数，λ为形状因子，a为面积因子，为三角面片的法向量；

12、计算三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影cj，将该顶点一环邻域内三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上投影的加权平均值作为顶点偏移补偿值

13、

14、其中cosβj为三角面片的法向量与顶点法向量的向量积，βj为顶点法向量与三角面片的法向量之间的夹角，为三角面片tj的偏移误差。

15、则顶点偏移补偿值为：

16、

17、原顶点减去沿方向上的顶点偏移补偿值得到偏移后的顶点

18、

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1)本发明针对粘结剂喷设增材制造提出了一种误差补偿方法，通过计算三角面片的偏移误差值、计算顶点偏移补偿值以及模型顶点偏移，减小了阶梯误差和渗透误差相互作用导致的尺寸误差，实现高精度的增材制造。

21、2)根据粘结剂在砂床中的流动情况，建立了粘结剂从喷射到渗透过程的三维数值仿真模型，确定了边界条件及砂粒与粘结剂的物性参数，渗透仿真实验中不改变其他条件，仅改变三角面片角度，保证了合成误差的测量准确性。针对测量结果中阶梯误差与渗透误差存在的相互作用，建立基于三角面片法向量方向与成型方向夹角的三角面片的偏移误差公式，可计算stl模型打印后不同角度三角面片的偏移误差。

22、3)本发明使用基于顶点偏移的误差补偿方式，针对模型顶点偏移，基于半边数据结构遍历顶点一环邻域的三角面片，计算顶点偏移补偿值，遍历完所有坐标点后，模型顶点沿顶点法向量的反方向向模型内部偏移，补偿后的模型保持原来的拓扑结构，避免了三角面片的交叉、重叠等错误情况，在保证补偿精度的同时提高了补偿效率，克服了现有技术中使用较为复杂的空间面偏移算法,而导致三角面片的交叉、重叠等多种复杂的错误情况出现。针对顶点偏移补偿值，使用三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影计算，将三角面片形状因子和面积因子作为顶点法向量的权重因子，顶点一环邻域三角面片偏移误差投影的加权平均值作为顶点偏移补偿值，极大地提高了顶点偏移准确性，保证了补偿精度。

23、4)相对于目前大多数粘结剂喷射技术的误差补偿仅单独考虑阶梯误差、渗透误差的作用，本发明针对考虑阶梯误差与渗透误差之间相互作用的合成误差进行补偿，误差计算结果更准确，模型补偿精高，提高了零件的打印精度。遍历stl模型所有顶点，按所计算的顶点偏移补偿值向模型内部进行偏移，得到误差补偿后的模型，并保持原有的拓扑结构。

技术特征：

1.一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，其特征在于，三角面片的偏移误差公式中dxy、dz、k1、k2参数的标定过程是：

3.根据权利要求2所述的基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，其特征在于，所述样件尺寸大小为600mm×140mm×10mm，多个斜面与水平方向夹角依次为90°、80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°。

4.根据权利要求1所述的基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，其特征在于，所述误差补偿方法在获得stl模型中所有三角面片的偏移误差后，执行基于顶点偏移的误差补偿，具体过程是：

5.一种基于粘结剂喷射增材制造的顶点偏移的误差补偿方法是：

技术总结
本发明为一种基于粘结剂喷射增材制造的误差补偿方法，该方法包括以下步骤：考虑阶梯误差与渗透误差相互作用获得三角面片的偏移误差公式，确定输入的STL模型中的三角面片的数量m，将集合M定义为三角面片T<subgt;j</subgt;的数组，m为集合M中的元素个数，获得STL模型中所有三角面片的偏移误差；根据三角面片的偏移误差在顶点法向量方向上的投影，计算STL模型顶点的偏移补偿值遍历所有顶点后，STL模型顶点v<subgt;i</subgt;按对应的偏移补偿值沿顶点法向量的反方向向内偏置，获得偏移后的顶点进而获得补偿后的STL模型。本发明减小了阶梯误差和渗透误差相互作用导致的尺寸误差，实现高精度的增材制造。

技术研发人员：杨伟东,马千朝,王媛媛,于建军,贾照强
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12