（材料加工工程专业论文）选择性激光烧结激光扫描路径的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 选择性激光烧结( s l s ) 技术使用激光束进行截面区域烧结，扫描系统需要作大 量的扫描，所以扫描路径的选择就显得尤为重要。高效精确的扫描路径在减小翘曲变 形，提高成形件糟度和强度、以及设备的制造效率，延长激光一振镜的使用寿命等方 面有着重要的作用。， 本文详细分析了当前选择性激光烧结系统中常用激光扫描路径的特点。针对华中 科技大学快速制造中心开发的h r p s 系列快速成形系统中采用的分区变向扫描的缺 陷，提出了种改进的分区变向扫描方式。这种扫描方式在保持原有成形精度基础上， 能大幅度提高成形件的强度、激光扫描效率，缩短成形时间，延长激光器使用寿命， 改善成形件的表面光洁度。但改进的分区变向扫描仍不能满足用户对高精度成形件的 成形要求，为此本文又开发了复合扫描方式。 复合扫描方式将轮廓扫描与改进分区变向扫描相结合，吸收了轮廓扫描精度高、 分区变向扫描快捷稳定的优点，并克服了轮廓扫描速度慢、算法复杂不稳定以及分区 变向扫描精度不高的缺陷。文中对这种扫描方式的实现策略和方法进行了深入地分析 和研究，解决了复合扫描中能量和速度的匹配问题，使这种扫描方式能有效地应用到 h r p s 系列快速成形系统中。 通过对变向扫描、分区变向扫描、改进分区变向扫描、复合扫描的成形对比实验 分析研究可以得出：本文开发的两种扫描方式在不同的评价项目上各有优势，改进分 区变向扫描在成形效率、成形件强度上最佳，而复合扫描成形件测量结果中最大误差 较改进分区变向扫描和原有的两种扫描方式减小了将近一倍，抗弯强度较原有两种扫 描也提高了8 0 1 0 0 ，抗冲击、抗拉伸强度较原来的两种扫描方式也有所提高。 关键词：激光选择性烧结改进分区变向扫描复合扫描成形精度成形强度 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e ri su s e dt os i n t e rt h es e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) p a r t s t h es c a n n i n gs y s t e m n e e d st od op l e n t yo fs c a n ，s os c a n _ m e t h o di sv e r yi m p o r t a n t t os l s p r o c e s s e f f i c i e n ts c a n m e t h o dc a l lm i n i m i z et h es l sp a r t s s h r i n k a g e ，i n c r e a s et h ep r e c i s i o na n ds t r e n g t ho ft h e s l s p a r t s ，i m p r o v et h ef a b r i c a t i o np r o d u c t i v i t yo f t h es l sm a c h i n e ，a n di n c r e a s eo ft h e l a s e r - g a l v a n o m e t e r ss e r v i c e l i f e t h ec h a r a c t e ro ft h es c 趾m e t h o dc u r r e n t l yu s e di ns l s p r o c e s si si n v e s t i g a t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n i no r d e rt os o l v et h eu n r e a s o n a b l eg r o u p i n gs c a nm e t h o di nh r p ss e r i e s ， w h i c ha r em a d eb yt h er a p i dm a n u f a c t u r i n gc e n t e ro fh u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y , a l li m p r o v e dg r o u p i n gs c a nm e t h o di sd e v e l o p e d t h i sn e wm e t h o dc a r l e n h a n c et h es t r e n g t ho ft h ep a r t s ，i n c r e a s es c a n n i n ge f f i c i e n c y , s h o r t e nf a b r i c a t i o nt i m e ， i n c r e a s eo ft h el a s e rs e r v i c el i f ea n di m p r o v et h es m o o t h n e s so f t h ep a r t s s u r f a c e b u tt h i s s c a nm e t h o dc a n n o tm e e tt h er e q u e s to f h i g hp r e c i s i o n ，s oa n o t h e rs c a nm e t h o d ( c o m p o u n d s c a nm e t h o d 、i sd e v e l o p e d t h ec o m p o u n ds c a nm e t h o du t i l i z e dt h ep r e c i s i o no fc o n t o u rs c a nm e t h o da n dt h e q u i c k n e s s o f t h ei m p r o v e d g r o u p i n g o n e i to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n go f t h es l o w n e s sa n d i n s t a b i l i t yi nc o n t o u ro f f s e ta n d t h ec o a r s e n e s si ni m p r o v e d g r o u p i n gs c a nm e t h o d f u r t h e r m o r e ，m a n yo t h e rp r o b l e m sh a v eb e e ns o l v e d ，s u c ha sl a s e rp o w e rm a t c h i n ga n dl a s e rr a t e m a t c h i n gi nt h ep a t hg e n e r a t i o n ，s ot h ec o m p o u n d s c a nm e t h o dc a nb es u c c e s s f u l l yu s e dt o t h es l sm a c h i n e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ef a b r i c a t i o ne f f i c i e n c ya n ds 打e n g t ho f s l s p a r t sf a b r i c a t e dw i t l lt h ei m p r o v e dg r o u p i n g s c a nm e t h o da r et h eh i g h e s ta m o n ga l lt h e s c a nm e t h o dr e s e a r c h e di nt h ed i s s e r t a t i o n a n dt h em a x i m a le r r o ro f t h e p a r t ss c a n n e d 、啊t l t h ec o m p o u n ds c a nm e t h o di sd o u b l e dt h a nt h i so ft h ep a r t ss c a n n e dw i t l lo t h e rs c a n m e t h o d s t h ef l e x u a ls t r e n g t hi n c r e a s eo fe i g h t yp e r c e n t ，a n dt h et e n s i l ea n di m p a c t s t r e n g t ha r ei n c r e a s e dt o o k e y w o r d s ：s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g c o m p o u n d s c a nm e t h o d i m p r o v e dg r o u p i n gs c a nm e t h o d f a b r i c a t i o np r e c i s i o nf a b r i c a t i o n s t r e n g t h i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：帮施听 日期：刮岸年月2 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：秽衫斫 f 1 期：w b 4 ，年牟月2 予日 指导教师签名：更乏砷 日期：训忙于月形1 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 激光扫描路径对s l s 成形过程的影响 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g s l s ) 是将c a d 模形直接转换为实体原 形零件。由于它的成形材料的多样性、适合多用途、成形过程无须支撑、成形件强度 高，以及在快速获得金属零件方面的独特优势，使得s l s 的应用范围非常广阔，嗣益 受到各行各业的广泛重视。但不同的s l s 成形设备在成形件的成形精度和强度上差别 很大，即使是同一台设备在不同的成形工艺下成形出的成形件质量也千差万别。而通 过对成形工艺的改进来提高成形件的质量无论在经济上还是在技术上都是s l s 设备 开发的个主要方向。 s l s 成形工艺主要包括两大类：第一类是激光一振镜参数，包括激光能量、光斑 尺寸、扫描间距、扫描速度、扫描路径。它决定了烧结过程中输入的能量密度、成形 效率、成形件质量( 成形件强度、密度和精度) 等方面。第二类是工艺参数，包括分 层厚度，加工前预热温度，成形过程中温度场的均匀性。这些参数的控制对成形件的 质量也有一定的影响。 在加工大平面零件时，由于这些因素的作用，使成形件产生翘曲变形更加明显， 致使加工零件达不到制件的精度要求，甚至是成形无法进行下去。而要达到快速制造 的加工要求，在有效控制温度场的均匀性、提供适当的预热温度外，选取合适的激光 扫描路径是一个可行且有效的方法。另外，提高加工效率也是s l s 系统应该考虑到的 问题，不同的扫描填充方式对成形件的成形效率影响很大，变向扫描对同一零件在同 样条件下成形的时间是分区变向扫描填充方法的三倍。 与其他工艺参数的选择不同，激光扫描路径对s l s 成形作用可以在理论上得出一 个确定的结论，适合于自动化的制造。 1 2 国内外快速成形系统扫描路径的研究现状 鉴于扫描路径的重要性，对各种快速成形系统中扫描路径的研究一直是个热点问 题，综合国内外提出的各种扫描路径规划，扫描路径主要有两大种类：平行线扫描和 折线扫描。 平行线扫描有： ( 1 ) 简单的平行于x 、y 轴的平行线扫描 2 】( 即z 形扫描) ，这种路径扫描方式 华中科技大学硕士学位论文 最常见，其基本思想和计算机图形学的区域填充相似，激光扫描路径沿x 或y 轴平 行来回扫描。这种方式虽然简单容易实现，但存在以下缺点； 扫描时激光需要频繁开关，缩短激光的使用寿命，而且频繁跨越形腔时激光走 了大量的不必要的行程，延长了扫描时间。 每层上激光扫描方向相同，在材料冷却固化过程中伴随着一定的收缩，这样以 同一方向扫描意味着整个面上的收缩应力方向一致，容易使烧结零件产生翘曲变形。 这种扫描方式使用平行线扫描，容易使制件强度产生各向异性。 ( 2 ) 分区变向扫描1 2 1 1 3 1 ，扫描线和z 形扫描相同，但这种扫描方式是将截面分割 成若干个小的区域，在每个区域中采用z 形扫描方式。这种扫描方式明显减少了激光 跨越形腔时的空行程。且这种扫描方式简洁快速，是激光选择性烧结中应用最多的一 种扫描方法，但是该方法也有其不足之处： 在扫描轮廓边缘的时候由于激光光斑尺寸的影响，使轮廓边缘出现细微阶梯， 影响制件的精度。 这种扫描方式由于分区较多，容易在成形件的薄壁处形成分区间的融合缝，使 成形件的强度很弱，限制了这种扫描方式的应用范围。 ( 3 ) 此外还有o n u h 和h o n ( 1 9 9 9 ) 提出的星形发散扫描及斜向星性发散扫描 4 1 。 这种扫描方式是将切片从中心分为两部分，先后从中心向外填充两个部分，填充线段 为平行x 或y 轴扫描线，或4 5 0 斜线。这种方式在一定程度上能减小翘曲变形，但也 具有平行线填充的固有缺陷。 折线扫描有： ( 1 ) 分形扫描l ，分形扫描路径具有局部和全局相似性、以及分维数为2 时能 填充整个平面的特点，克服了平行线扫描方式的缺点，使扫描过程中温度场均匀，减 少了产生翘曲变形的应力，但该方法扫描速度慢、激光要频繁加减速、精度不高、而 且也具有平行线扫描频繁跨越形腔的缺点。 ( 2 ) 螺旋线路扫描 6 1 ，按照螺旋线生成路径，采用成形时热传递变化规律的螺 旋线扫描填充方式，可以克服z 形扫描的缺点，减弱冷却时产生的应力，但和z 形扫 描一样激光要频繁跨越形腔。 ( 3 ) 轮廓偏移扫描( e q u i d i s t a n tp a t h ) 【7 】【“，这种扫描方式具有扫描精度高，激 光不会产生空行程，从而不需频繁开关激光，延长了激光的使用寿命。特别是沿制件 的轮廓进行扫描，扫描路径在不断的改变方向，而且扫描线相应的变短，使由于收缩 而引起的内应力分散，减少了产生翘曲变形的应力等优点。但轮廓扫描在实际处理中 比较复杂，生成扫描线的速度较慢，算法占用了大量的c p u 的时间，影响加工速度。 另外该算法在处理环的运算中不稳定，容易遗留未被填充的区域，影响制件强度。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 基于v o r o n o i 图的扫描路径生成算法1 9 】【l o 】，该扫描算法对波前传播算法进行 了扩展，能适用于平面多连通区域。这种扫描方式也能在一定程度上提高激光扫描效 率，但具有轮廓扫描类似缺点。 ( 5 ) f a r o u l d 和s a k k a l i s ( 1 9 9 0 ) 提出的以毕达哥拉颠矢端曲线作为填充线段的扫描 方法1 1 1 】。以及b e r t o l d i 采用d e l a u n a y 三角分解切片交叉部分，然后使用h i l b e r t 曲线 填充【1 2 】，这种填充方法只局限于规则零件的成形，不能应用在边界复杂的零件制造。 此外还有w a s s e r ( 1 9 9 9 ) 1 3 】，t i l l e r 与h a n s o n ，g a n e s a n 与f a d e l 1 扪，p h a m l l 6 】和t a k a s h i t l 7 j 等提出过其他的一些类似的切片填充方式。 综合各种扫描路径的规划方法，目的主要有三个：一是为了提高制件精度：二是 为了减小制件因收缩应力产生的翘曲变形；三是为了提高加工速度，减少激光开启次 数，延长激光使用寿命。 1 3 本课题的来源、目的和意义 l - 3 1 课题来源 本论文的研究是湖北省科技攻关计划重点项目( 编号：2 0 0 1 a a l 0 7 8 0 2 ) 和广东 省重点科技攻关项目( 编号：5 0 0 4 5 0 0 7 ) 的个重要组成部分。 1 3 2 课题的目的和意义 随着快速成形技术的发展，应用范围的扩大，对制件的精度、强度等方面提出了 更高的要求。而华中科技大学快速制造中心的s l s 系统采用的激光扫描方式已经很难 满足用户对大零件成形的精度和强度要求。工艺参数的控制已经不能避免在大形零件 成形中产生的翘曲变形现象。且工艺参数的选择是基于经验上的，缺乏理论基础，具 有很大的人为因素，不适合快速成形设备的高度自动化制造，不同操纵人员对制件质 量影响较大。而扫描路径是在计算机自动控制下进行，没有人为的干扰因素，所以扫 描路径的优化对提高制件质量有着极其重要的意义。主要表现在以下几个方面： 首先，在合理选择其他工艺参数的条件下，激光扫描路径在减小翘曲，提高精度 和强度方面有着重要的作用。高效精确的扫描路径能大大提高零件的加工精度和表面 的光洁度，减小因收缩应力而产生的翘曲变形，使制件更容易进行后处理。而不同的 扫描路径能量密度不同，最终导致成形件的强度会相差数倍以上。 其次，选择性激光烧结技术因为要使用激光扫描线填充整个截面上的区域，所以 由激光一振镜组成的扫描系统要作大量的扫描填充，激光路径的选择就显得尤为重 要。合理选择激光烧结轨迹，不仅可以提高设备的成形效率，还能延长激光、振镜的 华中科技大学硕士学位论文 使用寿命。 此外，在现有的快速成形设备中，扫描路径具有很大的相似性。在s l s 上开发的 路径可以很容易地移植到不同的设备中去，高效精确的扫描路径可以提高整个快速成 形行业的成形效率和精度。具有很大的经济效益和科研价值e 1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作为以下几个部分： ( 1 ) 对华中科技大学快速制造中心的s l s 设备中使用的两种激光扫描方式在原 理上进行了简要分析，指出这两种扫描方式中存在的缺陷。 ( 2 ) 针对分区变向扫描方式中存在的问题，提出了一种对分区变向扫描改进的新 型扫描方式，并对其实现原理和过程进行了分析研究。分析了该扫描方式的优点及缺 点。 ( 3 ) 为提高制件的精度和强度，本文提出了另一种将轮廓扫描与改进分区变向扫 描相结合的扫描方法一复合扫描。给出了该扫描方式的轨迹产生过程、环相交判断、 两种扫描结合厚度以及激光能量和速度匹配的确定方案。 ( 4 ) 对新开发的两种扫描方式的软件开发过程进行了介绍，并对复合扫描方式进 行了计算机模拟制造，在理论上分析了这种扫描方式与其他扫描方式的优缺点。 ( 5 ) 对本文中开发的两种扫描方式与原华中科技大学快速制造中心s l s 系统上 使用的两种扫描方式进行了成形效率实验、标准测试件、拉伸测试件、弯曲测试件、 冲击测试件对比成形实验。并对实验结果进行了分析。给出了不同扫描方式适用范围。 ( 6 ) 总结了全文，并对本文的研究结论给出了展望。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 改进分区变向扫描方式的研究与开发 华中科技大学快速制造中心s l s 系统上采用的变向扫描是一种非常简单的扫描方 式，这种扫描方式扫描效率极低，成形时间长，且成形件的强度弱。为提高激光扫描 效率，开发出的分区变向扫描在成形标准测试件上的时i 目由6 个多小时减小到不到3 个小时，而且成形件结构越复杂，时间的差别越大。但分区变向扫描虽然提高了成形 效率，却降低了成形件的强度，成形的薄壁零件强度极低，难以进行后处理，限制了 它的应用范围。改进分区变向扫描是在深入分析了分区变向扫描缺陷的基础上开发出 的一种在成形效率和成形强度上极大提高的扫描方法。 2 1 区域填充及填充线段的产生 激光选择性烧结( s l s ) 的基本操作是用激光束扫描固化零件截面。在扫描每层 零件截面时，一般要对截面轮廓内部的实体部分进行填充扫描。而分层软件只能得到 截面的边界轮廓信息，要进行内部填充，还必须由轮廓信息生成填充路径。 名词定义： 轮廓线：在计算机图形学中，轮廓线为物体在指定平面上的投影。根据物体投影 特性，轮廓线为闭合曲纠1 8 】。在选择性激光烧结中，轮廓线为用直线段拟合轮廓曲线 形成的封闭多边形。 扫描线：扫描线是假定均布在整个平面上的一系列等距离水平或垂直直线f 1 9 】。 由于截面轮廓线是由一系列封闭的多边形组成，这些多边形可以是凸或四，并且 在多边形中间还有孔。所以，轮廓内部填充问题转化为复杂多边形区域填充问题。实 际上是在平面上进行扫描线区域填充，无论何种扫描方式，都是基于此种目的。除沿 轮廓进行扫描外，大部分扫描方式都需要先产生扫描填充线段，不同扫描方式只是在 填充扫描线的先后顺序、填充方向上不同。 区域填充的基础是判别点在区域内外的方法。即对每个点都进行区域内外的判断， 不论使用那种算法判断点与区域的位置关系，都可以建立一个函数： 沁池( 如圳= 篙p| ；蒜x , y ) 仨e d d ( 2 1 ) 对平面上所有点都调用函数( 2 1 ) 进行判别，决定需要填充的点。原理上该算法 是对的，实际上效率却很低，因为对平面中所有点都需要调用此函数。提高速度的基 本方法是利用点是否属于一个区域具有连贯性，亦即一个点属于一个区域时，他周围 华中科技大学硕士学位论文 的点也往往属于这个区域，而无需每个点都一一判别。下面是填充线产生的改进方法 x 向连贯性算法的实现过程。 对每一条扫描线，若求出它与边界的交点，并使这些交点按x 值的大小排列，那 么，扫描线就被分为若干个区间。每个区间要么整个在区域外，要么在区域内，这样 就不用逐点进行区域内 外的判别了。 算法的步骤为 ( 1 ) 对多边形的每一 边，计算与扫描线的所有 交点，建立所有交点的 表。 ( 2 ) 将所有交点进行 排序，使得同一扫描线的 交点放在一起，并按x 值增加排列。也就是说， 任意两个交点( x 1 ，y 1 ) ， f x 2 ，y 2 ) ，当且仅当y l y 2 时或y l = y 2 ，x l ( x 2 时( x 1 ， y 1 ) 在( x 2 ，y 2 ) 前面。 ( 3 ) 同一条扫描线的 交点总是成对出现的。对 每一对相邻的交点a ( x a ，y a ) 和b ( x b ，y b ) 必 有y a = y a ，x a x b 。将线 段a b 进行填充。 为了保证交点总是 成对出现，这里要规定扫 描线与多边形的顶点相 交时，边在扫描线异侧算 一个交点，雨在同侧对不 图2 1 扫描线与多边形的交点计算 计交点；水平边不计交点，这个规则就是本算法中的交点计数法则。 图2 1 中的流程图为该算法的扫描线与多边形轮廓的交点计算。 其中： 华中科技大学硕士学位论文 d v 一边的两端点与扫描线的y 向位移矢量点积。 一扫描线间距。 同时，对于不同的排序分类方法，算法的效率也不同。此处采用简单的( ”) 分类， 即以两个交点( x l ，y 1 ) ，( x 2 ，y 2 ) ，先比较y l ，y 2 以决定次序a 如果y l = y 2 ，则再比较 x i ，x 2 以决定两点的次序。排序完成的点存放在数组l i n e s i j 】中。 其中i 为扫描线的编号，j 为同一扫描线中交点按排序后的顺序编号。 2 2 变向扫描方式介绍 变向扫描也称逐点扫描，是激光选择性烧结中使用最广泛的一种扫描方法，也是 最简单直观的区域填充算法。该填充方法是按照交点的存放顺序直接填充，考虑到激 光的扫描效率，填充过程中对于相邻的两条扫描线采取不同的填充方向。例如对于i 与i + 1 两扫描线，如i 扫描线按照 l i n e s i o - - l i n e s i 1 ，l i n e s i 2 - - l i n e s n 3 顺序填充。则下一条扫描线则从最后点向前填充，即： l i n e s i + 1 j 。d 】一 l i n c s 【i + l 】d 。d - 1 ，l i n e s i + 1 j 。d - 2 一 l 证e s i + 1 【j e n d - 3 】_ j 。n d 为扫描线i + 1 中最后一个交点。 即如图2 2 a 中顺序扫描： 1j ， 。 a 水平方向b 垂直方向 图2 2 变向扫描方向变化方式 为了增大层间的粘结力和防止制件在同一个方向上扫描产生各向异性，在相邻层 旬采取相互成一个角度的扫描方法，通常为了简化计算，将不同层的扫描方向夹角设 定成为9 0 0 ，即图2 2 b 中扫描方向。在分层中将偶数层的扫描线设定成x 方向，而将 奇数层扫描线方向改为y 方向扫描【2 0 】。 在奇数层上，只需要将上述数组中的x 与y 交换，采用y 向扫描线来计算与多边 华中科技大学硕士学位论文 形交点即可。 逐点扫描采用由点到线、出线到面、由二维到三维的加工方式，逐渐加工出三维 零件。由于三维实体内的每点都要被烧结到，所以，烧结体的成形时间与其体积成正 比。而不同扫描方式下，以相同速度扫描同一截面的时间相差很大。在加工大形腔薄 壁零件时，扫描方式对烧结成形效率的影响尤为明显，而激光烧结成形技术主要应用 于模具行业，模具零件大多带有复杂的形腔，因而合理规划扫描路径对提高烧结成形 效率至关重要。 例如，加工一截面如图 2 _ 3 所示的零件时。在变向扫 描方式中，如果将截面分割 成一个个无孔洞的小区域， 以绕开截面中的内孑l ，那么 可以大幅度提高制件的成形 效率，而且形腔越大效果越 明显。例如，假设用变向扫 描方式加工该零件需要4 8 h ， 如果形腔部分占整个零件体 积的5 0 ，则绕开形腔可咀 节省2 4 h ；如果形腔部分占到 整个零件体积的8 0 ，则绕 开形腔可以节省8 0 的加工 时间( 3 8 h ) 。 2 3 分区变向扫描方式介绍 圈2 3 薄壁零件图 分析变向扫描原理，该扫描方式虽然简单易行，算法简便直观，激光扫描稳定可 靠。但扫描效果差，制件极易产生翘曲变形，而且激光扫描效率低，在扫描中不仅产 生大量空行程而且需要不断地开闭激光器。因此合理设计扫描路径可以显著提高s l s 制件的成形效率。所以，在制件精度、强度等均能满足要求的情况下，应优先选用成 形速度快的扫描方式。分析扫描线与轮廓多边形相交特点：在一个小的范围内，扫描 线与轮廓多边形的交点相同，如图2 , 4 中标记的l ，2 区域。而在这些区域内，切 片为一个连通的整体。 在这些区域可以在先填充完一个区域后，才进行下一个区域的填充。于是产生了 华中科技大学硕士学位论文 分区变向扫描方式，该扫描方式不是简单按照数组l i n e s i j 点的存放顺序进行扫描 填充。 2 3 1 分区变向扫描实现策略 ( 1 ) 为提高烧结成形效率和减小烧结体的翘曲变形量，将截面分割成若干个无内 孔的扫描子区域，如图2 4 中所示。 ( 2 ) 区域划分原则是根据水平扫描线与图形的交点变化情况确定。图2 4 中扫描 线在1 区范围内时与制件轮廓只有两个交点，当扫描线进入2 区时，与制件的交点变 成4 。进入4 区时扫描线交点变为6 ，在7 区交点为8 。1 l 区变为6 。程序根据扫描线 与图形交点的变化把整个扫描区域划分为1 6 个不同区域。 ( 3 ) 分区扫描顺序按照先上后下，先左后右进行。即图2 4 中分区顺序为l 一 2 - - 3 一 4 一 5 一 6 一 7 。 ( 4 ) 扫描子区域内部用直线进行填充，但相邻两层截面的扫描方向之间错开一个 a 角，以避免扫描线的收缩应力方向一致。一般情况下，取a = 9 0 0 。 2 3 2 分区奎向扫描实现 图2 4 分区变向扫描 要绕开制件切片得到的每层轮廓多边形区域中的内孔或凹槽，就需对扫描区域进 行分组。当区域在扫描线方向上发生突变时( 如出现内孔或凹槽) ，扫描线上的填充 线段的段数会发生变化，以此作为扫描线分组的判据将所有扫描线进行分组；对于任 意一组扫描线而言，根据填充线段在所属扫描线上所处的位置不同，又可以将组内所 9 华中科技大学硕士学位论文 有填充线段进行分组，而每组填充线段所对应的予区域在扫描方向上均不会内孔或凹 槽。将此区域作为一个连通区域的子扫描区域。分区变向扫描方式的实现过程为： ( 1 ) 根据填充线段产生流程得到整个区域的扫描线交点，排序后得到配对的交点： ( p o ，p 1 ) ，( p 2 ，p 3 ) ，( p 2 。小p 2 。) 构成扫描线与轮廓线的相交区间，每个相交 区间对应扫描线上的一条填充线段。 ( 2 ) 扫描线分组：根据扫描线分组原则，即同组扫描线上填充线段的段数相同。 c ，一表示第i 条扫描线上填充线段的段数，即以一对配对点为端点构成的线段； n 一表示区域内扫描线的总数。 对于序列 c i ，1 i n ，若关系 c 1 = c z 一= q 吒+ 1 q + l = g 。+ 2 一一c k ：c k ：+ 1 ( 2 2 ) c k 一12 q 一2 一一c k k 。= n 成立，则整个区域内的扫描线可以分成 i t i 组，即第一条扫描线到第k l 条为第一组， 第k l + l 条到第k 2 条为第二组，第k m i + 1 条扫描线到第k m 条扫描线为第i 1 1 组。 如图2 5 中所示，图2 5 a 中只有一组 扫描线；2 5 b 中有2 组扫描线：2 5 c 中有3 组扫描线。 ( 3 ) 填充线段分组 对于任意一组扫描线而言，根据填充线 段所在扫描线上所处位置的不同，又可将 组内所有填充线段进行分组，分组方法如 下： 首先，取出组内每条扫描线上的第l 条 填充线段作为一组。 再取出组内每条扫描线上的第2 条填 充线段作为下一组。 a 图2 5 扫描线分组 重复以上过程，直到遍历完组内所有填充线段。对于任意一组填充线段，为了实 l o 搦溺 劾历 华中科技大学硕士学位论文 现相邻两层交叉扫描，可以将扫描线序号为偶数的填充线段的起点与终点位置互换。 所以，上述分组过程将连通区域内的所有填充线段分成t ( c k l + c k 2 + + c k 。) 组， 由于每组填充线段对应一个扫描子区域，因而该连通区域被分成y ( c k l + c k 2 + + c k 。) 个扫描子区域。例如： 图2 5 a 中只有一个扫描子区域；图2 5 b 中由3 组填充线段分成了3 个扫描子区 域；图2 5 c 中由3 组填充线段分成了4 个扫描子区域。 这种分区方法简单、可靠，有利于扫描路径的快速生成，而且将连通区域分成几 个扫描子区域，可以避开截面中的内孔和凹槽，从而大幅度提高了烧结成形效率。当 前大部分选择性激光烧结系统采用该扫描方式。这种扫描也是现在正在h i 冲s 一i a 设备上使用的主要扫描方式。 2 4 改进分区变向扫描方式的研究与开发 从分区变向扫描的分区方式可以 看到，图2 4 中1 区与2 、4 、7 、1 1 之间构成一个连通区域，中间不存在 内孔。并且，5 和8 子区域为一个整 体的凸多边形，上述分区方法将这个 整体分成两部分分开扫描，而且中间 还有一段时间间隔，不利于粉末对能 量的吸收，且该分区方法存在分区过 多的缺点。为进一步提高激光一振镜 系统的扫描效率，可以采取图2 6 所 示的子区域划分方法。 2 4 1 改进扫描方式概述 图2 6改进分区变向扫描分区图 在图2 4 中，如果扫描j 1 匝序改为1 一 2 一 4 一 7 - - 11 一 1 4 一 1 6 一 5 - - 8 - - 3 一 6 一 9 一 1 2 - - 1 0 - - 1 3 - - 1 5 ，不仅可以原来的基础上减少激光跨越形腔的次数 ( 激光可以减少内孔的跨越) ，而且可以减少分区数，图2 4 中可以看作只有4 个分区 ( 1 ，2 ，4 ，7 ，1 1 ，1 4 ，1 6 并成一个分区。5 ，8 合为一个。3 ，6 ，9 ，1 2 为一个。1 0 ， 1 3 ，1 5 合为个分区) 。合并后的分区情况如图2 6 中所示。这样激光可以将连通的 区域最大限度地一次扫描完成，避免了将同一连通区域中的部分划分为几个区域的缺 陷，减少了成形件上的融合。而这些融合缝正是成形件强度最弱部分。 华中科技大学硕士学位论文 而且上述分区变向扫描方式将一个连通的区域划分为大量的子区域分别进行扫 描，使这些子区域在高温烧结后不能同时冷却。后扫描的子区域在粘结在前一个子区 域时因为两部分温度差距很大，冷却后使整个连通区域产生内部应力，致使制件产生 翘曲变形。 为实现图2 6 中的分区，就需要改变原分区变向扫描的分区原则，不能简单的按 照扫描线与轮廓多边形的交点变化情况来划分子区域。下面是改进后的分区变向扫描 方式的实现原理。 2 4 2 改进扫描方式的实现策略 要通过图形运算实现上述分区算法，就需要找出图形间的共同特征。分析分区变 向扫描的分区方法可以看出：该分区算 法只根据扫描线上的线段数变化来确 定分区，还不十分合理。 而要使同一个连通的子区域内部 分尽量在一次扫描填充完成，单独按照 扫描线与轮廓多边形的交点变化情况 来划分子区域是不能达到的。还需要参 照当扫描线与轮廓线的交点变化时，下 一条扫描线上需要填充的线段是否与 上一条填充线段在同一个连通区域内 ( 见连通区域线段定义) ，如果两填充 线段处在同一个连通区域，则可以继续 下一条线段填充，而不是将这两部分划 分为两个子区域，如图2 7 是改进分区 原则后对图2 5 中截面进行分区结果。 下面是关于连通线段与起始填充 线段的定义： 一 a 豳睾缓 弱专荔 图2 7 扫描线改进分组方法 连通线段：即两线段处于同一连通区域。当两条线段满足下列条件时，可认为此 两条线段处于同一个连通的区域： ( 1 ) 两线段所处的扫描线相邻； 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 当扫描线为x 向时，两线段在x 轴的投影上有重合部分a 当扫描线为y 向时， 则在y 轴上的投影有重叠部分。图2 8 a 中线段1 与2 为两线段为连通线段，而b 中的 1 与2 或2 则不属于连通线段。 n 一1 n 一 2 a 1 2 2 一_ _ _ _ 一l _ _ _ _ - b 图2 8 连通线段定义 起始填充线段：即在同一连通子区域中所处扫描编号最小且未被填充的线段。 改进扫描方式的分区原理： ( 1 ) 分区划分原则是使分区足够大，即使处于同一个连通区域且未被填充的线段 必须划分在同一个填充子区域。 ( 2 ) 改进扫描方式的分区和分区变向扫描方式的分区虽然都是对截面进行分块填 充，但两者的概念完全不同。改进扫描方式是一种动态的子区域划分方法。它是在填 充过程中对截面轮廓多边形进行划分，在填充完一条线段后，接下来才进行下一条填 充线段的判断。当下一条扫描线上存在有与该填充线段处在同一个连通区域，且还未 被填充，则把该填充线段划分在同一子区域内。 ( 3 ) 当下一条扫描线上有多条填充线段与上填充线段处于同一区域时，则按照编 号小的优先填充原则进行划分。 ( 4 ) 子区域的起始填充线段的判断。为实现( 1 ) 中的分区划分原则，则必须使子分 区中的起始填充线段的上一条扫描线中不存在有未被填充且在同一连通区域的线段。 2 4 3 改进扫描方式的实现 按照上述分区原则，理论上可以将切片轮廓的分区数控制到最少。但该算法要进 行大量的填充线段的连通区域判断。不符合选择性激光烧结系统中实时控制原则，且 要占用大量c u p 运算时间。为节省不必要的运算，从图2 9 中切片轮廓可以看出，轮 廓a 与轮廓d 、轮廓e 所包含区域明显不在同一个连通区域。可以首先分割成不同 的区域。这种划分方法具有一定的合理性，在s l s 系统成形中，大部分零件形状复杂， 经s t l 文件切片后所得到的轮廓多边形具有大量的独立区域，而对这些独立区域迸 华中科技大学硕士学位论文 行分别填充可以缩短填充时间。同时，对 于需要一次烧结多个零件，分开对每个零 件单独进行成形，可以提高制件的质量。 根据计算机图形学中二维图形轮廓 多边形特征：图形轮廓为一系列互不相交 多边形组成。这些多边形问的位置就具有 包含与不包含关系 1 8 】。 在快速制造领域，将制件三维造彤然 后转化为s t l 文件为该领域的一个准标 准。经软件切片分层得到的轮廓环是用一 些多边形来拟合。这些多边形( 环) 的有 关定义如下： 环方向的定义 ”1 ：在切片中，环的 方向定义为沿环的方向绕环一周，实体 部分总是在环的右侧。 外环定义：被其他环包含次数为偶 数( 或o ) 的环，在一个连通区域内有 且仅有一个外环。外环的方向为顺时针 方向。 内环定义：内环即被其他环包含次 数为奇数的环，一个连通区域内含有o 个或多个内环，内环所包含区域为切片 上的孔洞部分。外环的方向为逆时针方 向。 环深度：即环被包含次数。按照环 被其他环包含的次数，可将多边形( 环) 组划分为不同的深度。即最外环被包含 次数为0 ，环处的深度为0 。 图2 9s t l 文件切片后轮廓多边形 环 图2 1 0 环的树形存储 0 2 3 经s t l 文件切片后的截面轮廓环顺序是随机排列的，轮廓分组就是要按照轮廓上 连通的实体( 图2 9 中的阴影部分) 为一个单位来将截面上的多边形( 环) 重新组合。 根据轮廓的特点2 2 】：轮廓上的多边形( 环) 都是封闭的多边形( 环) ，且这些多边形 ( 环) 互不相交，如图2 9 中所示。所有的多边形( 环) 按包含位置关系可存储成图 2 1 0 所示的树。可以看到，结点深度为偶数( 包括0 ) 的环都是外环，且与他紧邻的 华中科技大学硕士学位论文 下一层子结点的环构成这个连通的实体边界。按照这个结论，环的分组就可以按照环 所在的深度来确定，其中环的深度为偶数( 包括深度为0 层) 的环与其下一层的环构 成一个环组，这样切片上的环可以分成n 个环组( n - 外环数) 。每个环组都构成一个 连通的实体。 经过分组后，截面切片被划分为不同的区域，如图2 9 深度为偶数的多边形( 环) 按包含深度划分为a 、d 、e 三个外环，这些外环又和他紧邻的下一深度多边形( 环) 构成一个环组。每组多边形( 环) 构成一个连通区域的边界。图2 9 中阴影部分就为 a 、d 、e 三个外环与相应的下一深度环构成的连通区域。 多边形可按多边形间的位置关系或多边形旋转方向进行分组。在此处为保证算法 的稳定性，采用多边形位置关系进行组的划分，然后按照多边形的旋转方向进行校核 2 3 】。 根据截面轮廓多边形的特点，分区变向扫描方式的改进扫描策略的实现步骤如下： 一、将分层得到的截面上多边形( 环) 进行分组。 二、对每组多边形( 环) 按图2 1 1 中流程进行扫描填充。 图中的线段标记和回溯寻找的过程如下： ( 1 ) 流程图中符号含义： i 扫描线编号( i = o ，l ，2 ) ( m 与i 含义相同) ； j 点编号( j = o ，1 ，2 ，) ( n 、k 与i 含义相同) ： ( i ，j 卜扫描线i 上的j 点； ( i ，j ) 一( i ，j + l 卜一扫描线i 上的第j 段填充线段。 ( 2 ) 设计个动态二维数组p o i n t f l a g i 【i 】存放扫描线段是否已经被填充标记； 耐n t f l a s 砌，- ：嚣搿二搿二裟 眩。， ( 3 ) 区域起始线段的寻找： 在此扫描方式中，因为每个子区域都有且只有一条起始线段，该算法就是以起始 线段来标记不同子区域。同时起始线段也是整个截面区域是否被填充完毕的标志。所 以起始线段的寻找和确定是此算法中最主要的部分。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 为保证算法的稳定性和效率。起始线段是从刚填充完毕的线段的下一条扫描线丌 始回溯寻找，即从下一条扫描线中点标号最小且未被填充的线段开始，向扫描线编号 小的方向开始寻找，寻找的过程与扫描填充过程方向正好相反。同一条扫描线上寻找 线段的选择是以线段的标号小为优先原则，即从同一条扫描线中编号小的线段丌始向 编号大的线段方向寻找，寻找方向与填充方向一致。 图2 1 l 改进扫描方式实现流程图 为加快寻找速度，从上述分区原则可知，按照改进分区方法进行的分区较原分区 大且包含原分区，即改进后的分区不会将原分区方法划分在同一个子区域的填充线段 1 6 华中科技大学硕士学位论文 划分成不同部分，所以只有在扫描线上交点数变化时才需要按照上述方法进行连通线 段的寻找。在扫描线交点数相同时，可以保证相应区域内对应线段为连通线段。这样 可以节省大量连通线段的寻找时间，实际上只需要几次比较就可以找到起始线段。 根据回溯寻找方法，可以证明寻找到的最后一条填充线段符合起始线段的定义。 2 5 本章小结 本章首先分析了华中科技大学快速制造中心s l s 上使用的变向扫描与分区变向 扫描方式中存在的缺点。针对分区变向扫描方式的分区原理的不合理性，提出了改进 分区变向扫描，给出了这种扫描方式的实现策略和过程。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 复合扫描方式的研究与开发 从改进后的分区变向扫描方式可以看到，该扫描方式对复杂制件中的连接部分一 次扫描完成，避免了原分区变向扫描将一个整体分开扫描的缺点。提高了制件的强度， 节省了激光一振镜无效行程所花时间。是当今较好的一