魯言霞
(山東省濱州經濟技術開發(fā)區(qū)中海中學(實驗學校西校區(qū)),山東 濱州 256600)
基于加工方法和材料的不同,3D打印技術可細分為熔融沉積制造技術、三維粉末黏接成型技術、分層實體制造技術、光固化成型技術等。該文主要圍繞熔融沉積制造技術進行研究,該3D打印技術具備可用材料廣泛、生產設備便宜、操作過程簡單等優(yōu)勢。路徑規(guī)劃是熔融沉積制造技術中的關鍵步驟,該文主要圍繞徑規(guī)劃來研究 3D 打印技術。
為直觀地展示3D打印技術研究現(xiàn)狀,該文圍繞熔融沉積制造技術、路徑規(guī)劃技術進行探討。
該文主要圍繞熔融沉積制造技術進行研究,作為代表性的3D打印技術,該技術可通過打印噴頭將絲狀材料變?yōu)槿廴跔顟B(tài)擠出,在規(guī)劃好的路徑下,實體零件可通過完全固化的材料完成單層制造,該技術原理如圖1所示。
在熔融沉積制造技術的具體應用中,圖1中的打印噴頭會首先下降,直至與打印平臺間相距一個層厚,絲狀材料由加熱器負責加熱,打印平臺由專用加熱裝置進行加熱,完成加熱后計算機控制打印噴頭沿著打印實體截面輪廓移動,絲狀材料熔融后在專業(yè)移動過程中擠出,打印噴頭在這一過程中由送絲裝置持續(xù)送絲,打印完成一層截面輪廓后,固化的熔融材料粘接前一層,打印噴頭的上移高度為一個層厚,以此反復進行打印,直至完成加工。熔融沉積制造技術多以塑料為打印材料,具備較為簡單的加工原理,材料使用率高,材料成本性低,使用熔融沉積制造技術的3D打印機也具備操作簡單等優(yōu)勢,這使熔融沉積制造技術近年來快速發(fā)展且得到廣泛應用。但受到噴頭吐絲直徑固定的影響,熔融沉積制造技術應用中層厚會受到限制,這使其存在相對有限的成型精度。此外,與其他3D打印技術相比,熔融沉積制造技術的用時較長,這是由于其需要在加工過程中等待材料完全固化,有限的噴頭移動速度也限制其加工效率。
圖 1 熔融沉積制造技術原理示意圖
在3D打印實踐中,路徑規(guī)劃需要在分層處理完成后進行,路徑規(guī)劃方法直接影響3D打印效果。對該文研究的熔融沉積制造技術來說,常用的路徑規(guī)劃技術包括直線掃描技術、分區(qū)掃描技術、輪廓偏置掃描技術、分形掃描技術等。直線掃描技術在應用中需要對截面輪廓逐行掃描填充,基于設定的加工速度控制表面輪廓掃描速度,輪廓空腔處的掃描速度會有所加快。直線掃描技術具備加工速度快、程序簡單等特點,但如果加工模型存在輪廓空腔,打印噴頭需要在不同噴絲速度和行程速度間轉換,這對傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的準確性存在較高要求,大量的跳行換轉也使加工過程很容易出現(xiàn)拉絲、誤差問題,最終影響表面成型精度,加工模型打印時因受力不均勻而出現(xiàn)翹邊變形的情況同樣較為常見;圍繞分區(qū)掃描技術進行分析可以發(fā)現(xiàn),該技術需要按照分組規(guī)則對分層截面輪廓圖進行細分,進而獲取多個相連的小型區(qū)域,這類區(qū)域掃描按照規(guī)定的掃描方式完成。分區(qū)掃描技術在應用中的噴頭跳轉僅出現(xiàn)在不同小區(qū)域間,可有效預防翹邊變形、噴頭拉絲等問題,但該技術不適用于打印腔體薄厚不均勻、結構不規(guī)則的模型,這類打印模型的分區(qū)難度過高且存在過于復雜的控制程序,分區(qū)不佳對打印質量造成的影響也較為深遠;輪廓偏置掃描技術需要沿外輪廓表面從外向內逐圈掃描,在完成截面輪廓圖最外面掃描后,噴頭會向內逐步移動,直至完成全部掃描。輪廓偏置掃描技術存在相對分散的內應力收縮方向,因此該技術的應用能夠較好規(guī)避噴頭空行程、翹邊變形等問題,適用于薄厚均勻、結構規(guī)則的打印模型,在這類模型打印中精度較高。但如果打印模型存在腔體薄厚不均勻、結構不規(guī)則、偏置路徑重合相交等問題,很容易出現(xiàn)復雜化掃描路徑算法,嚴重時還會導致打印失敗。
分形掃描技術在掃描路徑的生成中應用分形曲線,如Hilbert曲線,在分形幾何原理的支持下,分形曲線可持續(xù)繁衍,最終完成完整輪廓的全覆蓋規(guī)劃,而受到整體與部分接近一致的分形曲線影響,完整的一層輪廓規(guī)劃完成后,即可同時得到一致的層片各個位置規(guī)劃結果,進而得到基本一致的加工層片厚度,這種規(guī)劃可在完整零件模型上拓展,進而保證3D打印成型質量,該技術的原理如圖2所示。
圖 2 分形掃描技術原理示意圖
結合圖2進行分析可以發(fā)現(xiàn),在應用Hilbert曲線的過程中,打印噴頭的工作方向需要持續(xù)改變,這會在一定程度上影響打印機穩(wěn)定性,打印精度也會同時受到影響。為更好應用分形掃描技術進行路徑規(guī)劃,必須對該技術進行進一步改進,這正是該文研究的關鍵所在。
在通過三維軟件制作STL格式的零件模型后,基于熔融沉積制造技術的3D打印效率和質量會受到多方面因素影響,主要體現(xiàn)在兩個方面:第一,打印實體模型所需時間和成型質量會受到模型放置方向的直接影響,這種影響主要體現(xiàn)在打印支撐使用、表面質量、表面階梯個數(shù)等方面,這種影響可在G代碼生成過程中進行改善,很多切片軟件也提供相應功能對模型位置進行調整;第二,模型路徑規(guī)劃。在應用不同路徑規(guī)劃的過程中,基于熔融沉積制造技術的3D打印效率和質量同樣會受到影響,這與各類路徑規(guī)劃技術存在的缺點和特性存在直接關聯(lián)。實體模型打印的成型效率和精度要求較高,路徑規(guī)劃的有效開展難度較高,為解決相關問題,該文將提出一種新的3D打印路徑規(guī)劃技術。
該文研究的新型路徑規(guī)劃技術以上文提及的分形掃描技術為基礎,該節(jié)將圍繞新技術的原理、優(yōu)化后的原始回路生成、優(yōu)化后的掃描軌跡生成三方面進行深入探討。
為滿足熔融沉積制造技術應用中的模型路徑規(guī)劃需要,該文以分形掃描技術為基礎,引入賦權Hamilton回路對其進行優(yōu)化。分析Hilbert曲線可以發(fā)現(xiàn),基于該曲線的分形掃描成型需要設法改進Hilbert曲線,只有減少其等分次數(shù),才能夠減少軌跡拐點,進而保證掃描過程中的穩(wěn)定移動,3D打印機的使用壽命也能夠同時延長。但考慮到等分次數(shù)的減少可能導致整個截面輪廓無法在分形掃描技術應用中完全填充,為解決相關問題,對Hilbert曲線等分后得到的基礎單元,該文研究基于固定規(guī)則對其進行合并處理,分形掃描技術存在的拐點多等問題可由此解決,打印機的使用壽命和3D打印成型質量均可得到更好保證。為基于賦權Hamilton回路優(yōu)化分形掃描技術,需要明確Hilbert曲線基元單位合并方向,優(yōu)化路徑連接在之后圍繞合并得到的大分區(qū)開展,3D打印過程的噴頭移動距離縮短及速度轉換減少可由此實現(xiàn),進而取得預期優(yōu)化效果。Hilbert曲線在應用中能夠劃分整層截面輪廓,同時保證其填充完整,而在Hamilton回路引入后,其同樣以實現(xiàn)路徑最優(yōu)為目標,因此熔融沉積制造技術應用中的模型路徑規(guī)劃優(yōu)化需要結合Hamilton回路和Hilbert曲線特點,保證掃描路徑最優(yōu)且打印要能夠更好滿足。
基于無法改變的打印噴頭規(guī)格,因此可得到固定的噴頭行走軌跡規(guī)格,基于Hilbert曲線,相應點坐標可通過細化坐標方式獲取,掃描路徑坐標和截面輪廓線各點坐標的具體值可由此順利獲取,加工過程中打印機噴頭走向自然能夠同時明確。如存在0.2mm直徑的打印機噴頭,同時存在規(guī)則正方向的截面輪廓圖形,具體邊長為1.8mm,即可得到圖3所示的細化坐標后小正方形,具體規(guī)格為0.2mm×0.2mm,對應點坐標可基于該圖確定。
圖 3 細化坐標結果
基于Hilbert曲線原理,原始回路的尋找需要首先明確基元回路,即獲得的所有單一回路,對雜亂無章的基元回路,為應對其方向差異,相關基元回路需通過Hamilton回路連接為最優(yōu)路徑,圖4為基元回路示意圖。
基于優(yōu)化后的分形掃描技術,掃描軌跡生成過程中的原始回路合并需要從基元回路的生成入手,之后的賦權計算由Hamilton回路完成,為在這一過程中獲取Hamilton回路權函數(shù)值最優(yōu)解,具體由確定,可使用公式(1)進行計算。
式中:為回路權函數(shù)值最優(yōu)解;N為分層薄厚的影響加權因子;V為送料速度與噴頭吐絲速度的影響加權因子;C為噴頭熔絲溫度的影響加權因子;T為打印機啟停延時的影響加權因子。
為進一步確定拐點或初始處基元回路合并方向,須設法確定值最小的方向,具體需要通過式(2)確定,式中的[(,),(,)]代表值最小的方向。
式中:、均為需要合并的基元回路,為起始點基元回路,圖5為合并基元回路的過程。結合該圖進行分析可以確定(a)為合并前的基元回路,如結合式(2)計算確定基元回路1、2間存在最小的值,即可將二者合并,為同時規(guī)避島嶼型合并回路出現(xiàn),仍需使用式(2)進行計算,如計算確定基元回路1、3間存在最小的值,即可進一步合并,以此類推,最終可完成整個截面輪廓區(qū)域的基元回路合并,最終得到優(yōu)化后的分形掃描規(guī)劃路徑。
圖 4 基元回路示意圖
為生成掃描軌跡,須把握以下流程:第一,明確合并起點,該起點即為圖5中的基元回路1,之后需要按照圖5依次標記基元回路;第二,基于式(1)對值進行比對,值的最小方向通過式(2)確定,以此合并相鄰基元回路;第三,重復進行合并,兩次合并方向判別后需基于確定的方向合并,直至截面輪廓邊緣;第四,每次合并后需要將被合并基元回路的標注替換為基元回路標注,最終基于標注即可確定最優(yōu)掃描路徑是否獲取,如基元回路仍存在其他標注,須進一步進行合并處理。
圖 5 合并基元回路過程
圖 6 改進前分形掃描技術打印成品對比圖
為驗證新型路徑規(guī)劃技術的實用性,選擇Z-603S型號的3D打印機作為試驗設備,該打印機由打印平臺、送絲盤、打印噴頭、傳動裝置、控制裝置、打印機框架等部分組成。在試驗過程中,需要使用切片分層軟件Cure。確定參數(shù)后,還需要關注加工代碼的生成,基于確定的加工路徑,在3D打印機中輸入對應G代碼,這種加工代碼由準備、加工過程、結束過程三部分組成,其中最關鍵的是加工過程代碼,其他部分存在基本相同的代碼內容,試驗僅需要通過新型路徑規(guī)劃技術改進G代碼,即可完成實例驗證。為生成加工代碼,需要在切片軟件中導入打印模型,結合設置好的打印線材、打印支撐、噴頭工作速度、打印模型厚度等參數(shù),即可獲得G代碼,該G代碼可基于改進的打印掃描軌跡或特殊要求進行修改,修改后的G代碼用于生成加工代碼,最終用于3D打印。
為驗證該文研究的新型路徑規(guī)劃技術實用性,需要圍繞相同的打印實體模型進行對比,這一對比圍繞改進前后的分形掃描技術進行,分別通過二者生成打印路徑并進行打印,這一過程使用熔融沉積制造技術,打印機的打印層厚為0.1mm~0.3mm,噴頭直徑為0.4mm,設置20%的打印填充密度,風扇需要在3D打印過程開啟?;诟倪M前后分形掃描技術生成的兩種路徑打印長方體模型,可確定改進前分形掃描技術的打印時間為9530s且成形精度高,但同時也打印機工作穩(wěn)定性較差。改進后的分形掃描技術的打印時間為7990s,同時成形精度較高,工作較為穩(wěn)定。之所以新型路徑規(guī)劃技術在3D打印中表現(xiàn)突出,主要是因為該技術能夠顯著減少打印各層時的噴頭轉換方向次數(shù),這使打印機的穩(wěn)定性及最終打印成型質量均顯著改善。圖6為改進前分形掃描技術打印成品對比圖,結合該圖可以發(fā)現(xiàn),改進前的分形掃描技術打印成品存在顯著的噴頭行走痕跡,新型路徑規(guī)劃技術則基本不存在痕跡,同時新型路徑規(guī)劃技術應用后實現(xiàn)15%的打印效率提升??偟膩碚f,在基于熔融沉積制造技術的新型路徑規(guī)劃技術應用中,該技術能夠減少翹邊現(xiàn)象、優(yōu)化路徑規(guī)劃、提升打印機穩(wěn)定性、減少啟停和換向次數(shù),最終提升打印質量,因此該新型路徑規(guī)劃技術具備較高推廣價值。
綜上所述,3D打印技術的發(fā)展前景極為廣闊。在此基礎上,該文涉及的熔融沉積制造技術、新型路徑規(guī)劃技術等內容,則直觀展示了3D打印技術的優(yōu)化應用路徑。推進了3D打印技術發(fā)展,打印材料冷卻收縮控制、打印起點科學選擇、軟硬件升級影響應對等方面同樣需要得到重視。