[发明专利]基于曲面分层的复杂零件3D打印方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种复杂零件3D打印领域的技术，具体是一种基于曲面分层的复杂零件3D打印方法及系统。

背景技术

对于复杂零件的3D打印，现有的分层方式均为2D分层，即基于等层厚、变层厚、多方向的方式进行分层切片。单方向打印无法解决支撑问题；变层厚的切片方式通过对于竖直方向有曲面的时候，减小切片层厚来提高打印精度；而多方向切片对于复杂零件而言，则会带来巨大的前期切片处理成本。填充方式主要包括Raster,Zigzag,Contour,Hybrid,Continuous,medial axis transformation等，通过不同的2D平面内的填充方式，兼顾填充效率和打印精度。但是，2D平面内轮廓拟合误差和Z轴方向的叠层误差依旧存在。现有的多自由度打印设备依赖于现有2D切片方式以及2D平面内的填充策略，并未真正意义上采用3D切片的方法，来实现打印件表面光滑、表面曲线梯度自由以及调整层与层之间较弱的连接。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于曲面分层的复杂零件3D打印方法及系统，结合复杂零件的结构、表面和功能选取曲面分层和填充策略，规划打印轨迹，并转换为打印设备的控制数据进行3D打印和后处理，从而实现结合复杂零件曲面分层的3D打印。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明根据复杂零件的结构、曲面特征和工艺需求建立其三维模型，并进行结构轻量化拓扑优化设计和空间3D切片分层，生成用于3D打印的控制数据；根据控制数据进行打印参数设定后进行逐层3D打印，得到复杂零件的3D打印件。

所述的复杂零件的结构包括：空间异形管道结构、一体化复杂结构、空间自由曲面结构等具有较大Z向切片叠层误差的结构。该类结构若采用现有Z向切片，XY平面打印的方式会导致叠层误差。

所述的曲面特征包括：空间自由曲面、旋转曲面等沿着Z向曲率较大的曲面。

所述的工艺需求包括：某些零件要求在Z方向的拉压性能更优从而要求打印件的微观组织沿着某个方向生长，即打印方向与生长方向一致。

所述的建立，通过面向打印对象本身的形状、性质以及工艺材料需求，利用三维造型软件进行建模实现。

所述的三维模型通过三维造型软件绘制。

所述的结构轻量化拓扑优化设计包括：结构功能分析、承载性能约束分析和应力特性分析。

所述的结构功能分析是指：对于关键结构、关键功能进行分析，进一步保证结构、功能能够达到设计需求。在满足结构功能的情况下，进行结构轻量化拓扑优化。

所述的承载性能约束分析是指：分析打印件本身各个方向上的承载性能约束，该约束影响打印成形运动方式，在满足承载性能约束的情况下，进行结构轻量化拓扑优化。

所述的应力特性分析是指：对打印件本身所需的应力特性进行分析，在满足应力需求的情况下，进行结构轻量化拓扑优化。

所述的空间3D切片分层是指：根据复杂零件的三维模型的结构特点，选取曲面分层方法进行曲面切片分层，对分层后的空间3D分层数据进行处理后选择填充策略填充，进行打印路径及轨迹规划。分层方向为沿着径向，通过包络最里层与最外层的数据，然后选择合适的填充策略进行逐层打印，沿着径向，由外向里或者由里向外进行叠层制造。

所述的选取曲面分层方法包括但不限于：按照纤维增长的方向或者结合结构和曲面进行随形。

所述的曲面切片分层的方向可由里向外、由外向里，并且层厚相等或不等。

所述的控制数据包括但不限于：用于控制各个电机的驱动数据以及各个电机之间联动的时序数据。

所述的逐层3D打印是指：结合CNC加工控制成形精度分层打印，每打印一层或数层后采用沿着成形面法向方向施压的方式进行加工强化。