增(zeng)材(cai)制造(zao)的工(gong)藝(yi)過(guo)程前處(chu)理——路(lu)徑規劃_上(shang)海(hai)荷效(xiao)壹供

增(zeng)材(cai)制造(zao)的工(gong)藝(yi)過(guo)程前處(chu)理——路(lu)徑規劃

在(zai)3D打(da)印(yin)過(guo)程中(zhong)，工(gong)件(jian)的形狀是(shi)動(dong)態增(zeng)長(chang)的，成型溫(wen)度場和(he)材(cai)料的狀態是隨著(zhe)掃描路(lu)徑動(dong)態變(bian)化的，這(zhe)種變(bian)化會使制件(jian)產(chan)生變(bian)形和(he)出現殘(can)余(yu)應(ying)力(li)，從(cong)而(er)對成型件(jian)的精(jing)度、表面質(zhi)量和性(xing)能(neng)等造(zao)成影(ying)響，掃(sao)描(miao)路(lu)徑的不同(tong)還(hai)會造成成型時(shi)間的不同(tong)，從(cong)而(er)對成型效(xiao)率產(chan)生影(ying)響，因(yin)而(er)對掃描(miao)路(lu)徑的規劃非(fei)常重要。因(yin)此路(lu)徑的規劃主要分(fen)為針對成型精(jing)度的路(lu)徑規劃和(he)針(zhen)對成型效(xiao)率的路(lu)徑規劃。

(1) 基(ji)於表面精(jing)度的路(lu)徑規劃

3D 打(da)印(yin)的原(yuan)理(li)是(shi)逐(zhu)層堆(dui)積(ji)成型，每(mei)壹(yi)個分(fen)層截面上(shang)的誤(wu)差(cha)都(dou)會累(lei)積(ji)到zui終成型件(jian)上，因(yin)此有(you)必(bi)要對分層截面上(shang)的路(lu)徑進(jin)行優化(hua)，減小(xiao)分層截面上(shang)的誤(wu)差(cha)。由(you)於掃(sao)描線有(you)壹(yi)定的寬(kuan)度，在(zai)填(tian)充(chong)由(you)曲線圍成的截面時(shi)實(shi)際(ji)成型輪(lun)廓與曲線輪廓(kuo)之(zhi)間會出現誤(wu)差(cha)，這(zhe)種現象(xiang)被(bei)稱為臺階效應(ying)。為此，輪廓(kuo)偏(pian)置(zhi)算法被(bei)提(ti)出，輪(lun)廓偏置(zhi)掃描(miao)是將輪廓向實(shi)體方向偏(pian)移生(sheng)成掃描(miao)矢量，然後(hou)壹(yi)層壹(yi)層地(di)由(you)內向(xiang)外或(huo)由(you)外向(xiang)內進(jin)行掃描(miao)成型，由(you)於掃(sao)描的方向不斷變(bian)化，掃(sao)描線的內應(ying)力(li)方向是(shi)發散(san)的，符合(he)熱(re)傳(chuan)遞規律，降低了(le)殘(can)余(yu)應(ying)力(li)，使(shi)得(de)掃(sao)描(miao)線的收(shou)縮(suo)變(bian)形量得(de)以(yi)減小(xiao)，成型質(zhi)量較(jiao)好，避免了填(tian)充(chong)截面時(shi)產(chan)生的臺階效(xiao)應(ying)。

切(qie)片(pian)輪(lun)廓的偏置(zhi)算法是(shi)3D打(da)印(yin)數據(ju)處(chu)理中(zhong)的壹(yi)個重要環節，絕(jue)大多(duo)數3D打(da)印(yin)工(gong)藝(yi)都(dou)需要將切(qie)片(pian)輪(lun)廓進(jin)行偏置(zhi)後再(zai)進(jin)行下(xia)壹(yi)步(bu)處(chu)理。輪(lun)廓偏置(zhi)對保證(zheng)zui終(zhong)工(gong)件(jian)的尺寸精(jing)度具(ju)有(you)非(fei)常重要的意(yi)義(yi)。SLS技(ji)術，需要將掃描軌跡(ji)輪廓(kuo)線向內(nei)偏(pian)置(zhi)壹(yi)個激光斑(ban)半徑的寬(kuan)度，SLA和(he)FDM則於SLS基(ji)本(ben)相(xiang)似(si)。這(zhe)與壹(yi)般數控加工(gong)系(xi)統的刀具偏置(zhi)有(you)壹(yi)定相(xiang)似(si)性。

(2) 基於翹(qiao)曲(qu)變(bian)形的路(lu)徑規劃，

翹(qiao)曲(qu)變(bian)形是(shi)3D 打(da)印(yin)技(ji)術中(zhong)制件(jian)存(cun)在(zai)的共(gong)性問(wen)題，在(zai)FDM工(gong)藝(yi)中(zhong)，由(you)於體積收(shou)縮(suo)而(er)產(chan)生的內應(ying)力(li)會影(ying)響原(yuan)型(xing)的尺寸精(jing)度，引起(qi)原(yuan)型(xing)整(zheng)體變(bian)形、翹(qiao)曲(qu)或(huo)在(zai)原(yuan)型(xing)內(nei)部(bu)引起(qi)分層，甚至會損(sun)壞(huai)工(gong)件(jian)與工(gong)作(zuo)臺之間(jian)的支撐(cheng)部(bu)分，使(shi)成型無(wu)法(fa)正(zheng)常進(jin)行下(xia)去。在(zai)其(qi)他快速成型工(gong)藝(yi)中(zhong)，也存(cun)在(zai)類似(si)的情況(kuang)，如光固(gu)化(hua)(SLA)工(gong)藝(yi)中(zhong)光引發(fa)聚(ju)合(he)反(fan)應(ying)發(fa)生(sheng)固(gu)化(hua)時(shi)體積收(shou)縮(suo)引起(qi)的翹(qiao)曲(qu)變(bian)形，選(xuan)擇(ze)性激光燒(shao)結(SLS)和(he)成型堆(dui)積(ji)制造(zao)（SDM）工(gong)藝(yi)中(zhong)伴隨成型材(cai)料在(zai)熱態和冷(leng)態轉(zhuan)變(bian)和材(cai)料相(xiang)變(bian)時引起(qi)體積收(shou)縮(suo)而(er)導(dao)致(zhi)的變(bian)形，和(he)分層實體制造(zao)(LOM)工(gong)藝(yi)中(zhong)層間的收(shou)縮(suo)應(ying)力(li)引起(qi)的變(bian)形。

對於FDM工(gong)藝(yi)而(er)言，采(cai)用(yong)較(jiao)短(duan)的掃描線進(jin)行填(tian)充(chong)能(neng)夠(gou)有(you)效(xiao)的減小收(shou)縮(suo)，進(jin)而(er)減小(xiao)翹(qiao)曲(qu)變(bian)形，並(bing)行柵(zha)格掃(sao)描(miao)是壹(yi)種能(neng)夠(gou)很好的減小工(gong)件(jian)翹(qiao)曲(qu)變(bian)形的掃描方式。對於SLS、SLA及(ji)其(qi)他3D打(da)印(yin)工(gong)藝(yi)而(er)言，同(tong)樣的是，短(duan)邊掃(sao)描(miao)比(bi)長(chang)邊掃(sao)描(miao)的翹(qiao)曲(qu)變(bian)形量要小(xiao)。因此，對於3D打(da)印(yin)工(gong)藝(yi)，減(jian)小翹(qiao)曲(qu)變(bian)形的方法是(shi)采用(yong)分(fen)區(qu)域掃(sao)描的策(ce)略(lve)，將壹(yi)個較(jiao)大的平(ping)面劃分(fen)成若(ruo)幹瘦(shou)長(chang)的區(qu)域，然(ran)後控制熔(rong)融(rong)擠壓(ya)噴頭(tou)（或(huo)激光頭(tou)）沿著(zhe)每個區(qu)域的短(duan)邊方向進(jin)行掃描(miao)，這(zhe)就(jiu)可以(yi)大幅(fu)減小(xiao)工(gong)件(jian)的翹(qiao)曲(qu)變(bian)形。

針(zhen)對成型效(xiao)率的路(lu)徑規劃

在(zai)3D打(da)印(yin)制造(zao)領域中(zhong)，CAD 實體數據(ju)模(mo)型(xing)目(mu)前普遍(bian)采(cai)用STL文件(jian)格式來(lai)描述(shu)，實(shi)際(ji)三維(wei)CAD實(shi)體數據(ju)模(mo)型(xing)由(you)許多空間三(san)角形平(ping)面來(lai)逼近(jin)，因此，實體經切(qie)片(pian)處(chu)理以(yi)後，其(qi)截面輪(lun)廓(kuo)線不是由(you)壹(yi)組實(shi)體曲線組成，而(er)是由(you)壹(yi)組封(feng)閉的多邊形(xing)輪(lun)廓(kuo)組成，且多(duo)邊(bian)形與多邊(bian)形之(zhi)間(jian)只(zhi)有(you)包(bao)含(han)與被包(bao)含(han)或(huo)分(fen)離的現象(xiang)。不同(tong)的三維(wei)造(zao)型(xing)軟(ruan)件(jian)將 CAD 實體數據(ju)模(mo)型(xing)轉(zhuan)化為 STL 文件(jian)格式的數據(ju)模(mo)型(xing)時(shi)，其(qi)轉(zhuan)換算法是(shi)不盡(jin)相(xiang)同(tong)的。同(tong)時，在(zai)切(qie)片(pian)算法中(zhong)，對 STL 數據(ju)模(mo)型(xing)中(zhong)各(ge)三(san)角(jiao)形(xing)的幾何與拓撲數據(ju)在(zai)內存(cun)中(zhong)的存(cun)儲方式及(ji)順序(xu)的不同(tong)，均能(neng)造(zao)成各(ge)多(duo)邊(bian)形(xing)輪廓的順序(xu)及(ji)其(qi)終始點位置(zhi)具有(you)隨意(yi)性(xing)，從(cong)而(er)存(cun)在(zai)壹(yi)些(xie)不必要且明(ming)顯(xian)的空行程(cheng)。每(mei)層包(bao)括(kuo)很(hen)多條(tiao)路(lu)徑，如(ru)果空(kong)行程過(guo)多，就(jiu)會使加(jia)工(gong)效(xiao)率大(da)大(da)降低，因(yin)此需要對這(zhe)些(xie)多邊形輪廓的順序(xu)及(ji)其(qi)各(ge)終(zhong)始(shi)點位置(zhi)進(jin)行調(tiao)整(zheng)，以(yi)達(da)到優化(hua)路(lu)徑的目的。

路(lu)徑規劃的目的，就(jiu)是要減(jian)少(shao)噴頭或(huo)者(zhe)激光頭(tou)填(tian)充(chong)過(guo)程中(zhong)空行(xing)程距離，即(ji)使原(yuan)先(xian)生成的填(tian)充(chong)路(lu)徑中(zhong)，從(cong)壹(yi)條(tiao)路(lu)徑到另(ling)壹(yi)條(tiao)路(lu)徑過(guo)程中(zhong)，在(zai)速度壹(yi)定的情況(kuang)下(xia)，所(suo)花(hua)時(shi)間zui少(shao)。對於FDM工(gong)藝(yi)來(lai)說，是(shi)用填(tian)充(chong)方式來(lai)得(de)到每層的截面，因(yin)此，在(zai)噴頭填(tian)充(chong)過(guo)程中(zhong)，填(tian)充(chong)速度將決定每層的填(tian)充(chong)時(shi)間(jian)。在(zai)填(tian)充(chong)速度壹(yi)定的情況(kuang)下(xia)，填(tian)充(chong)路(lu)徑規劃與否和優(you)化(hua)質量的好壞(huai)將直(zhi)接影(ying)響每(mei)層的填(tian)充(chong)時(shi)間(jian)，從(cong)而(er)影(ying)響加(jia)工(gong)效(xiao)率。

如(ru)圖(tu)3.7.6所示(shi)的壹(yi)個截面上(shang)的實體填(tian)充(chong)路(lu)徑，存(cun)在(zai)著(zhe) ab、cd、ef、gh、ij等多(duo)條(tiao)填(tian)充(chong)路(lu)徑。噴(pen)頭填(tian)充(chong)路(lu)徑時(shi),從(cong)壹(yi)條(tiao)路(lu)徑切(qie)換到另(ling)壹(yi)條(tiao)路(lu)徑需(xu)要壹(yi)定的時間，盡(jin)可能(neng)減(jian)少(shao)這(zhe)種時間消(xiao)耗(hao)，就(jiu)要保證(zheng)空(kong)行程距離盡(jin)可能(neng)的短(duan)。根據(ju)填(tian)充(chong)路(lu)徑建(jian)立(li)數學(xue)模(mo)型(xing)，先(xian)將同(tong)壹(yi)種類型環上suoyou的路(lu)徑終(zhong)始點連接起來(lai)，形成壹(yi)個*圖(tu)。該*圖(tu)上(shang)各(ge)個(ge)頂點是填(tian)充(chong)路(lu)徑的終始點，各(ge)條(tiao)邊(bian)有(you)壹(yi)個權(quan)值，代(dai)表實際(ji)位置(zhi)中(zhong)各(ge)個(ge)點的相(xiang)對距離，在(zai)同(tong)壹(yi)條(tiao)路(lu)徑上(shang)兩點（終始點）之間的權值設(she)為 0，不同(tong)路(lu)徑上(shang)各(ge)點之間的實際距(ju)離作為他們(men)之(zhi)間(jian)的權值。這(zhe)樣就(jiu)從(cong)路(lu)徑規劃問(wen)題中(zhong)抽象(xiang)出了(le)哈密爾頓(dun)圖(tu)。要求出*的填(tian)充(chong)路(lu)徑，即(ji)求在(zai)這(zhe)樣壹(yi)個*圖(tu)中(zhong)，存(cun)在(zai)著(zhe)壹(yi)個路(lu)徑，這(zhe)個路(lu)徑經(jing)過(guo)各(ge)個(ge)點有(you)且僅(jin)有(you)壹(yi)次(ci)，使得(de)這(zhe)個路(lu)徑各(ge)邊(bian)的權值之(zhi)和(he)為zui小。

在(zai)路(lu)徑規劃時(shi)，多(duo)個(ge)因(yin)素(su)相(xiang)互(hu)交(jiao)織耦(ou)合(he)，並(bing)非(fei)獨立(li)存(cun)在(zai)，因此要綜(zong)合(he)權(quan)衡(heng)多個(ge)影(ying)響，根(gen)據(ju)工(gong)件(jian)的實際要求，對路(lu)徑進(jin)行*的規劃。