FDM成型技術中的掃描路徑生成方法研究*

王 建 張 弓 王衛軍 梁松松 何文杰 李友浩 李 均

(①廣州中國科學院先進技術研究所，廣東 廣州 511458; ②襄陽汽車職業技術學院，湖北 襄陽 441021; ③陜西科技大學，陜西 西安 710021)

FDM(fused deposition modeling)成型技術是一種集成了高分子材料科學、CAD/CAM技術、數控技術，結合了當前發展極為迅速的計算機技術的快速成型技術中的一種。目前打印成型件的沿邊翹曲變形和打印成型件的表面質量低問題是影響該技術發展的兩個主要因素。另外打印同一個模型時，不同的掃描填充路徑會導致最終成型時間不同，從而影響成型的效率[1]。因此，合理的掃描填充路徑非常重要。針對掃描路經規劃國內外許多學者提出了幾種不同的方法，平行線掃描比較容易實現，但是啟停頻繁，存在拉絲現象[2]；Z字型掃描簡單高效, 減少了空行程，但打印件的強度不高[3]；十字網格掃描打印件的機械強度高，表面質量不好；輪廓偏置掃描打印精度高，但是算法較復雜，打印件的強度不夠高[4-5]。為此，本文對現有的掃描填充路徑進行了分析研究，并提出了一種混合路徑掃描填充方法。

1 掃描填充路徑

針對熔融沉積成型技術上面介紹了幾種不同的掃描路經填充方法，下面主要對輪廓偏置掃描和Z字型掃描的生成算法原理和特點進行介紹。

1.1 輪廓偏置掃描

輪廓偏置掃描填充是輪廓線沿著實體部分發生偏移，然后一層一層的由內向外或者由外向內掃描成型，如圖1所示。這種掃描填充方式的優點是對于具有型腔的模型可以減少拉絲和成型件沿邊翹曲變形的現象。但是該算法比較復雜，尤其是當成型件的型腔比較復雜時，偏置輪廓比較容易出現干涉現象和“孤島”效應[6]，以及輪廓環相交的問題。

1.2 Z字型掃描

這種方法是對平行線掃描填充的優化，沿著X或Y方向逐行填充模型。該方法易于實現，主要減少了空行程，節省了時間[7]，如圖2所示。但是如果模型復雜或者內部存在一些中空結構，則FDM噴嘴經常轉彎，導致成型精度和外觀質量較差。

根據上述兩種掃描方式的優缺點，本文提出了基于輪廓偏置和Z字型的混合路經掃描填充算法。算法的基本流程如圖3所示。

2 混合路徑掃描

2.1 基本思想

在對STL模型進行切片時，模型的內外輪廓采用輪廓偏置掃描填充算法進行填充,外輪廓由外向內進行偏置,內輪廓由內向外進行偏置,而對于重疊的區域則做一些處理,這樣就可以提高打印件的質量。在未進行掃描填充的區域則采用Z字型掃描填充算法進行填充,這種掃描填充方式使得成形區域的加工過程趨于近似平行,減少打印過程中殘余應力出現的情況,因此可以很好的改善翹曲變形的產生。

2.2 實現機理

(1)內外輪廓環的判斷及分組

STL模型通過切片生成的模型是由一系列輪廓環組成的，根據切片橫截面內輪廓環所包圍的區域不同,我們把這些輪廓環分為外輪廓環和內輪廓環兩種。如果一個輪廓環包圍的部分為實心區域時,則稱這個輪廓環為外輪廓環,當包圍的部分為鏤空區域時則稱之為內輪廓環。如果切片模型的橫截面區域中的一個外輪廓環內部只有內輪廓環而沒有其他的輪廓環,如圖4a所示, 我們把這樣的區域稱之為單連通區域。如果切片橫截面區域中一個外輪廓環內部不僅包含內輪廓環而這個內輪廓環內部又包含別的輪廓環,如圖4b所示,我們把這樣的區域稱之為多連通區域[8]。一個多連通區域通過合理的輪廓環分組,可以分成多個單連通區域。輪廓環分組就是把具有復雜包含關系的一個多連通區域劃分成若干個獨立的單連通區域[9],這樣就可以把原來非常復雜的問題進行了簡單化,這在快速成形技術中有著非常廣泛的應用。

這里采用輪廓環分組的目的是為了把分成的各個獨立的單連通區域分開進行處理,這樣就可以使當前單連通區域在生成路徑及路徑排序以及合并的時候不會受到其他區域的影響,并且把打印時的起點和終點放置于切片的內部位置,而不是外部位置[10]。

(2)路徑的規劃計算

對于一個單連通區域來說,在進行切片之前，我們要先設定其允許的最大偏置次數然后進行偏置測試。按照偏置次數、偏置輪廓,保存輪廓偏置路徑,并把最后一次進行偏置得到的輪廓環的某個節點標記為排序的起點。

輪廓偏置曲線的一般形式如下所示：

(1)

(2)

(3)

進行偏置并標記起點之后，新生成的輪廓偏置曲線的表達形式則如下所示：

(4)

待到偏置完成之后開始計算輪廓環內部的Z字型掃描填充路徑,如果偏置之后不能計算出其內部的填充路徑；偏置次數就會自動減1；不斷重復上述過程,直到偏置次數為1或者內部填充路徑長度不為0時為止。

在進行Z字型掃描偏置的時候需要考慮掃描線的端點偏移，因為在一條掃描線完成進行另一條掃描線時在端點處需要轉彎。除第一條線和最后一條線之外，其余所有的線在左右兩端都需要進行偏移。以Z字型在水平方向上進行掃描為例，在端點處的偏移量：

其中：i表示掃描過程中的編號，取值為1、2、3，…，n；j=0表示掃描線左端偏移量，j=1表示掃描線右端偏移量；n為并行系數，Interval表示兩條掃描線之間的間距。

(3)排序及合并優化

根據上一步標記的排序起點,對路徑規劃計算中得到的輪廓偏置路徑及Z字型路徑在當前切片內部進行指定起點的排序及合并優化。進行優化處理之后,每一層的模型切片的路徑將具有以下特點:由輪廓偏置路徑開始到Z字型路徑結束的復合路徑;路徑的起點和終點都位于實心部分。

3 結果與分析

本文采用Repetier-Host的二次開發功能，在VC++6.0平臺上實現混合路經的掃描填充軌跡。圖5所示為不同掃描路徑填充效果圖，其為一層切片的填充軌跡效果圖。

這種混合路徑掃描填充算法在理論上可以解決成型件表面質量不高和沿邊翹曲變形的問題，而且還可以節省模型的打印時間，提高成型效率。

為了比較三種掃描路徑的打印效果，我們分別用輪廓偏置掃描填充、Z字型掃描填充和混合路經掃描填充對同一個模型采用才能共同的打印參數進行打印,模型尺寸為45 mm×45 mm×55 mm。在室溫下采用PLA打印線材，利用廣州中國科學院先進技術研究所自主研發的Flexp120打印機打印同一個模型，打印效果顯示輪廓偏置掃描填充打印的模型表面比較光滑，但是中間產生了斷層現象；Z字型掃描填充打印的模型表面比較粗糙，并且內部存在些許拉絲現象；混合路經掃描填充打印的模型整體質量比較好，不存在上述兩種掃描路經打印存在的缺陷。并且對打印之后的模型精度和打印效率進行了比較，測量結果如圖6和圖7所示。

4 結語

本文針對FDM成型技術中的掃描填充路經提出了一種基于輪廓偏置和Z字型的混合路徑掃描填充算法，該算法綜合了輪廓偏置路徑算法和Z字型掃描填充算法的優點,并結合了起點終點內置方法,與之前的掃描填充算法相比較,對打印件的質量有很大的提高，改善打印翹曲變形問題。而且混合路經算法在一定程度上可以提高打印精度和成型效率。

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