[发明专利]一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法

说明书

一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法，先进行基于壳类零件曲面轮廓特征的曲面切层，得到不等厚曲面切层；然后进行基于测地线路径规划；最后进行五轴打印机工艺控制，对于模型表面轮廓线为直线的不等厚零件，利用G代码自带线性插值控制走丝速度和喷头高度实现变层厚直线打印；对于表面轮廓线为曲面的不等厚零件，利用梯形近似等效曲面，计算吞吐量，通过控制走丝速度和喷头高度来实现曲面的打印；本发明可以显著提高零件的表面光洁度和力学性能。

技术领域

本发明属于三维增材制造技术领域，具体涉及一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法。

背景技术

增材制造(additive manufacture，AM)技术是近30年来信息技术、新材料技术与制造技术多学科融合发展的先进制造技术。增材制造技术能够快速准确的将设计思想转变为产品模型，缩短了产品的研制周期，提高了企业对市场的快速反应能力。

壳类零件广泛应用于工业、医学、航空等领域，是一种重要的零件。采用增材制造构建壳类零件是一种高效的制造方法，但目前的增材制造绝大多数都是平面分层增材制造，使壳类零件的机械强度和几何精度都受到极大限制。传统的平面分层制造方法比较适用于边缘平缓的模型，但在打印像壳类零件这种边缘陡峭模型时，此时模型表面与零件的制作方向存在一定角度，该方法制造的不规则零件在倾斜表面上具有明显的阶梯效应，严重影响零件的尺寸精度和表面粗糙度。

曲面分层熔融沉积成型(Curved Layer Fused Deposition Modeling,CLFDM)是一种针对此类问题有效的五轴3D打印方法，它将切层方式转变为曲面切层方式和曲面填充方式。但是，对于具有陡坡的表面和不等厚的壳类零件，采用该方法打印零件时不能够完全将打印件切层分为若干等厚的曲面层，这样就不能充分发挥曲面切层的优势，仍然存在以下问题：

(1)由于平面分层方法在零件层叠方向上是离散化堆叠，在沿Z向的轮廓方向离散的，在打印曲面时会出现“台阶”效应，而曲面层切层虽然能解决部分等厚度的薄壳类零件的质量问题，但是对于不等厚的薄壳类零件，打印出的零件仍然具有“台阶”效应。

(2)等厚度曲面切层方法可对零件打印出所受应力提前进行分析，并沿着应力线方向多方向规划打印路径，可以定向增强零件的力学性能。而对于不等厚壳类零件，采用等厚曲面切层后产生台阶效应的材料部分对提高整个部件的力学性能并没有作用，会造成材料的浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法，可以显著提高零件的表面光洁度和力学性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种壳类零件变厚度曲面分层、路径规划及工艺控制方法，包括以下步骤：

1)基于壳类零件曲面轮廓特征的曲面切层，包括以下步骤：

1.1)输入模型文件：构建制品的三维模型，并对三维模型进行三角剖分；

1.2)标记上下表面：首先批量选取正面朝z轴负半轴，即面片法向量第三个坐标z0的三角面片及面片上的所有点，提取三角网格的边缘边界并向内偏置得到一条封闭折线，保留封闭折线内部和折线上的三角网格顶点作为三维模型的底层三角面片；然后批量选取正面朝z轴正半轴，即面片法向量第三个坐标z0的三角面片及面片上的所有点，提取三角网格的边缘边界并向内偏置得到一条封闭折线，保留封闭折线内部和折线上的三角网格顶点作为三维模型的顶层三角面片，其余面片作为曲面分层的分割边界曲面；

1.3)获取等高线：对上下表面进行基于其等高线分别划分成相同数量的空间曲线，空间曲线依照高度顺序进行编号，并使得上下表面编号相等的空间曲线相匹配；