增材制造的工藝過程前處理——路徑規劃

在3D打印過程中，工件的形狀是動態增長的，成型溫度場和材料的狀態是隨著掃描路徑動態變化的，這種變化會使制件產生變形和出現殘余應力，從而對成型件的精度、表面質量和性能等造成影響，掃描路徑的不同還會造成成型時間的不同，從而對成型效率產生影響，因而對掃描路徑的規劃非常重要。因此路徑的規劃主要分為針對成型精度的路徑規劃和針對成型效率的路徑規劃。

(1) 基于表面精度的路徑規劃

3D 打印的原理是逐層堆積成型，每一個分層截面上的誤差都會累積到zui終成型件上，因此有必要對分層截面上的路徑進行優化，減小分層截面上的誤差。由于掃描線有一定的寬度，在填充由曲線圍成的截面時實際成型輪廓與曲線輪廓之間會出現誤差，這種現象被稱為臺階效應。為此，輪廓偏置算法被提出，輪廓偏置掃描是將輪廓向實體方向偏移生成掃描矢量，然后一層一層地由內向外或由外向內進行掃描成型，由于掃描的方向不斷變化，掃描線的內應力方向是發散的，符合熱傳遞規律，降低了殘余應力，使得掃描線的收縮變形量得以減小，成型質量較好，避免了填充截面時產生的臺階效應。

切片輪廓的偏置算法是3D打印數據處理中的一個重要環節，絕大多數3D打印工藝都需要將切片輪廓進行偏置后再進行下一步處理。輪廓偏置對保證zui終工件的尺寸精度具有非常重要的意義。SLS技術，需要將掃描軌跡輪廓線向內偏置一個激光斑半徑的寬度，SLA和FDM則于SLS基本相似。這與一般數控加工系統的刀具偏置有一定相似性。

(2) 基于翹曲變形的路徑規劃，

翹曲變形是3D 打印技術中制件存在的共性問題，在FDM工藝中，由于體積收縮而產生的內應力會影響原型的尺寸精度，引起原型整體變形、翹曲或在原型內部引起分層，甚至會損壞工件與工作臺之間的支撐部分，使成型無法正常進行下去。在其他快速成型工藝中，也存在類似的情況，如光固化(SLA)工藝中光引發聚合反應發生固化時體積收縮引起的翹曲變形，選擇性激光燒結(SLS)和成型堆積制造（SDM）工藝中伴隨成型材料在熱態和冷態轉變和材料相變時引起體積收縮而導致的變形，和分層實體制造(LOM)工藝中層間的收縮應力引起的變形。

對于FDM工藝而言，采用較短的掃描線進行填充能夠有效的減小收縮，進而減小翹曲變形，并行柵格掃描是一種能夠很好的減小工件翹曲變形的掃描方式。對于SLS、SLA及其他3D打印工藝而言，同樣的是，短邊掃描比長邊掃描的翹曲變形量要小。因此，對于3D打印工藝，減小翹曲變形的方法是采用分區域掃描的策略，將一個較大的平面劃分成若干瘦長的區域，然后控制熔融擠壓噴頭（或激光頭）沿著每個區域的短邊方向進行掃描，這就可以大幅減小工件的翹曲變形。

針對成型效率的路徑規劃

在3D打印制造領域中，CAD 實體數據模型目前普遍采用STL文件格式來描述，實際三維CAD實體數據模型由許多空間三角形平面來逼近，因此，實體經切片處理以后，其截面輪廓線不是由一組實體曲線組成，而是由一組封閉的多邊形輪廓組成，且多邊形與多邊形之間只有包含與被包含或分離的現象。不同的三維造型軟件將 CAD 實體數據模型轉化為 STL 文件格式的數據模型時，其轉換算法是不盡相同的。同時，在切片算法中，對 STL 數據模型中各三角形的幾何與拓撲數據在內存中的存儲方式及順序的不同，均能造成各多邊形輪廓的順序及其終始點位置具有隨意性，從而存在一些不必要且明顯的空行程。每層包括很多條路徑，如果空行程過多，就會使加工效率大大降低，因此需要對這些多邊形輪廓的順序及其各終始點位置進行調整，以達到優化路徑的目的。

路徑規劃的目的，就是要減少噴頭或者激光頭填充過程中空行程距離，即使原先生成的填充路徑中，從一條路徑到另一條路徑過程中，在速度一定的情況下，所花時間zui少。對于FDM工藝來說，是用填充方式來得到每層的截面，因此，在噴頭填充過程中，填充速度將決定每層的填充時間。在填充速度一定的情況下，填充路徑規劃與否和優化質量的好壞將直接影響每層的填充時間，從而影響加工效率。

如圖3.7.6所示的一個截面上的實體填充路徑，存在著 ab、cd、ef、gh、ij等多條填充路徑。噴頭填充路徑時,從一條路徑切換到另一條路徑需要一定的時間，盡可能減少這種時間消耗，就要保證空行程距離盡可能的短。根據填充路徑建立數學模型，先將同一種類型環上suoyou的路徑終始點連接起來，形成一個*圖。該*圖上各個頂點是填充路徑的終始點，各條邊有一個權值，代表實際位置中各個點的相對距離，在同一條路徑上兩點（終始點）之間的權值設為 0，不同路徑上各點之間的實際距離作為他們之間的權值。這樣就從路徑規劃問題中抽象出了哈密爾頓圖。要求出*的填充路徑，即求在這樣一個*圖中，存在著一個路徑，這個路徑經過各個點有且僅有一次，使得這個路徑各邊的權值之和為zui小。

在路徑規劃時，多個因素相互交織耦合，并非獨立存在，因此要綜合權衡多個影響，根據工件的實際要求，對路徑進行*的規劃。