[发明专利]一种三维打印大光斑扫描路径生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维打印CAM路径规划领域，尤其涉及一种三维打印大光斑高效扫描路径生成方法。

背景技术

三维打印技术是依托于信息技术以及材料科学等多学科发展起来的尖端技术。它最早起源于19世纪末的照相雕塑和地貌成形技术，并在20世纪80年代得以发展和推广。三维打印自诞生之日起，便被人们定义为一项颠覆传统生产方式的革命性技术，已成为引领未来全球制造业发展趋势的关键词，是继蒸汽机、电力、互联网后最伟大的发明。美国《时代》周刊已将三维打印产业列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志甚至将以三维打印为代表的一系列数字化生产方式成为第三次工业命。中国物联网校企联盟把三维打印技术称作：19世纪的思想，20世纪的技术，21世纪的市场。经过二十多年的发展，三维打印先后出现了多种不同工艺形式，如：光固化（SLA）、叠层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积制造（FDM）、实体磨削固化（SGC）等。

三维打印技术是一种典型的“增材”制造技术，无论是上述哪种打印工艺，其基本原理大致相同，即在加工中，零件由打印材料（多为流体或粉末）在实体上逐层堆积固化而成。因此，三维打印也称为生长型制造或分层制造。从软件角度而言，三维打印模型经历了计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）两个过程。三维打印实体模型一般在通用CAD软件里设计完成，如Solidworks、CATIA等，并将实体模型保存成STL（三角面片模型）格式。然后将实体模型导入三维打印专用CAM软件，如Magics RP，CAM软件输出一般为实体模型的切片文件。切片文件一般仅包含每一层扫描区域的轮廓曲线信息，在三维打印设备读取模型切片文件后，不能直接用这些轮廓信息直接驱动激光或喷头进行堆积加工，在此之前，必须在每层打印区域内生成扫描路径。

现有关于三维打印技术要点的文献多集中在打印工艺、材料、机理以及硬件设备搭建等方面的研究，而针对三维打印中扫描路径生成问题的报道极少。刘厚才结合快速成形系统中CAD模型经切片后得到轮廓环数据的特点，提出了一种基于轮廓边的位图生成算法，位图数据的生成采用扫描线填充方式，该位图生成算法很好地解决了用常规的活性边表法难以判断和处理的当扫描线通过水平轮廓边所带来的奇点问题（参见刘厚才，光固化三维打印快速成形关键技术研究，华中科技大学博士论文，2009）。吴懋亮、华麟鋆研究了快速成形中常用的SLC文件的读取方式，并在切片轮廓曲线内生成平行扫描路径；采用奇偶规则判断交点是否在轮廓区域内，区分了扫描线的虚实特性，并对轮廓曲线垂直或重合于扫描线、极值点和凹拐点这几种特殊情况进行了讨论（参见吴懋亮，华麟鋆，SLC文件的扫描路径生成方法，机械与电子，2011，11:18-20）。

根据上述文献分析，现有技术可能存在的问题有：一、直接在切片轮廓区域内生成平行扫描路径，在轮廓边缘可能产生类似阶梯的固化形状，影响零件成形的表面精度；二、全程采用较小光斑半径生成扫描路径，且光斑半径固定不变，扫描效率较低。

发明内容

为了解决现有技术在三维打印扫描路径生成中存在的问题，提高三维打印的精度和效率，本发明提供一种三维打印大光斑高效扫描路径生成方法。本方法首先在轮廓边缘生成小光斑偏置轮廓扫描路径，该路径主要用于保证轮廓边缘的扫描精度；在该路径内部，生成大光斑轮廓和平行扫描路径，该路径主要用来提高轮廓内部的扫描效率。针对大光斑偏置时可能产生未扫描区域的问题，首先采用平面区域布尔运算找出这些未扫描区域，然后在这些区域内部以较小光斑生成平行扫描路径。

一种三维打印大光斑扫描路径生成方法，包括如下步骤：

步骤1、输入待打印零件模型的n层切片文件、最大光斑半径值、最小光斑半径值、以及路径重叠参数，其中：最大光斑半径值记作r_max，最小光斑半径值记作r_min，路径重叠参数记作f；记第i层切片为当前切片，n，i为大于零的自然数；

步骤2、记当前切片的轮廓曲线为b_i，对b_i偏置距离r_min生成小光斑轮廓扫描路径，记作p_s，对p_s继续偏置r_min得到小光斑扫描后内边界，记作b_s；