SLS工艺多孔结构体模型表示及制造方法研究与实现

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多孔结构由于其具有吸波、缓震和轻量化等特殊功能在航空航天、汽车、制鞋和化工材料等领域有广泛应用。但是多孔结构体在采用选择性激光烧结制造时存在诸多问题:传统的模型表示方法采用STL格式呈现多孔结构的内部晶胞特征时产生百兆及以上大小的STL文件,极大地降低了模型传输与切片效率;传统的Z型扫描策略在晶胞内部反复烧结时容易导致局部热量集中,造成翘曲变形及过烧。本文针对多孔结构小尺寸晶胞结构表示和优化局部热量集中的扫描策略展开研究。对于模型表示方法,本文提出了一种综合边界表示和函数表示优点的复合表示方法来表示多孔结构体。采用传统三维模型边界表示法来表示模型外表面,空间函数法表示内部晶胞结构,其中以三周期极小曲面函数作为函数表示法来表示晶胞外表面。最后综合两种表示方法,实现多孔结构体的准确表示。针对多孔结构体成形制造,本文提出一中基于轴向包围盒的位图切片算法和基于位图的变功率定速扫描策略。采用拓扑重构STL模型邻接三角形-公共边关系,然后通过特定高度的切平面与三角形求交点来依次获取外轮廓,采用三周期极小曲面空间函数等式来求取其内部晶胞轮廓;针对获取到的两部分轮廓,本文以模型的轴向包围盒为位图,通过位图大小和像素分辨率计算出位图上长宽分布的像素数,然后根据每个像素单元与轮廓区域的位置关系设置灰度值,设定完所有像素灰度值得到最终切片位图。变功率定速扫描策略是让激光以恒定速度扫描,其功率与位图像素灰度值对应来改变,由于在制造过程中扫描速度恒定并且不会在局部产生激光频繁跳跃,可大幅减少局部热量集中问题。实验结果表明,采用本研究的方法可将传统STL表示的多孔结构模型文件大小从百兆级降低到兆级,可完成孔径尺寸低至1.8mm的晶胞结构的制造,并且能显著降低局部热量集中问题对成形精度的影响。
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