一种用于3D打印蜡模件的激光消除层纹方法及装置与流程

本发明涉及增材制造过程中的在线表面处理与激光加工控制，尤其涉及一种用于3d打印蜡模件的激光消除层纹方法及装置。

背景技术：

1、3d打印蜡模件通常采用类似喷墨打印机的原理进行逐层堆积成型，即喷蜡头保持静止，热床沿y轴方向匀速运动，喷蜡头根据当前层位图信息在热床经过相应位置时喷射蜡材。然而，由于逐层打印的工艺本质，每一层的边界处不可避免地形成台阶状的层纹（又称“台阶效应”），层纹的存在使得蜡模件表面粗糙度增大、尺寸精度下降，进而影响后续熔模精密铸造（失蜡法）的铸件表面质量。

2、传统的层纹消除方式主要有：

3、（1）降低打印速度：通过降低z轴的速度要求从而优化z轴的精度，能减弱肉眼可见的“阶梯效应”，让曲面过渡更平滑，受限于设备的加工效率需求，该方法较难进一步消除更细微的层纹；

4、（2）打磨模壳型腔：操作人员使用打磨工具去除模壳型腔内的层纹，效率低下，一致性差，且无法处理复杂内腔或微细结构；

5、（3）打磨浇注出的金属件：这种方式可以从物理上去除大部分的表面瑕疵，能够处理微细结构，但效率较低，一致性差。

6、此外，现有技术中存在利用激光对蜡模进行打标的技术方案。例如，专利cn113996937b公开了一种蜡模激光打标机及打标方法，其利用近红外激光（780nm~1100nm）对蜡模表面进行打标刻号，激光标刻头固定安装，工件通过xy轴移动机构实现二维定位，由控制器控制传送带进料和激光标刻程序。但其作用是在已完成的蜡模表面刻划标识，激光头固定、工件通过xy平台移动，不涉及打印过程中的层纹消除问题。

7、对于喷蜡式3d打印设备，层纹位置随每层切片轮廓变化，且热床在打印过程中连续运动，因此在线消除层纹还需同时解决轮廓实时提取、图像坐标与设备坐标转换、连续运动下的触发时序以及激光热影响范围控制等问题。现有的离线打磨、单纯降低层厚或激光打标方案均不能完成上述协同控制。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种用于3d打印蜡模件的激光消除层纹方法及装置，旨在解决3d打印蜡模件表面层纹导致的粗糙度大、精度差的问题，通过将一维振镜集成于喷蜡头上，在打印过程中利用轮廓识别和参考平面求交技术自动定位每层的层纹位置，并利用热床自身的运动配合飞行补偿算法实现激光同步微熔融处理，无需增加额外的运动轴，即可在线消除层纹，提高蜡模件表面质量，省去后处理工序。

2、一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种用于3d打印蜡模件的激光消除层纹方法，包括：

3、根据三维模型的切片数据生成当前打印层的位图，并基于所述位图提取当前打印层的轮廓线；

4、在三维空间中设定虚拟参考平面，所述虚拟参考平面垂直于热床所在平面并垂直于热床的运动方向，且所述参考平面与一维振镜的激光焦点位置重合，将所述参考平面与所述轮廓线进行求交运算，得到若干层纹加工交点；

5、将所述一维振镜固定安装于喷蜡头上，使其出光方向垂直于所述参考平面，在热床沿其运动方向连续移动过程中，根据所述热床的运动速度和自打印开始起的已流逝时间实时计算偏移量；

6、以所述偏移量沿热床运动方向反向修正所述一维振镜的出光位置，并根据各所述交点的坐标控制激光触发时刻和振镜偏转角度，对所述层纹进行局部微熔融处理。

7、优选地，提取当前打印层的轮廓线包括：

8、将所述位图进行灰度化和二值化处理，生成前景/背景二值矩阵；

9、对所述二值矩阵采用8邻域连通边界追踪算法提取闭合的像素级轮廓线，再采用douglas-peucker算法对提取的轮廓线进行简化，去除冗余点，获得当前打印层的轮廓线。

10、优选地，所述二值化处理采用大津法otsu自动阈值分割，且所述二值矩阵采用位压缩格式存储。

11、优选地，所述求交运算为：

12、沿垂直于热床运动方向逐列扫描所述轮廓线所在的区域，将每一列中前景区域与背景区域状态发生转换的位置记录为所述层纹加工交点。

13、优选地，生成所述位图之前还包括坐标系标定：

14、确定切片位图的像素分辨率、图像原点与设备原点的偏置量，建立像素坐标到热床坐标的仿射变换关系，并确定激光焦点相对于喷蜡头的安装偏置。

15、优选地，在控制激光触发时，当控制链路存在固定延迟τ时，将触发时刻修正为t_i'=(y_i-y_0)/v-τ，其中，y_i为第i个交点的y轴坐标，y_0为热床初始位置，v为热床运动速度。

16、优选地，当当前层包含外轮廓、内孔轮廓及若干孤立蜡材区域时，分别对各轮廓进行求交，并将交点按轮廓编号、y坐标及x坐标排序，对间距小于预设合并阈值的相邻交点进行合并后生成加工轨迹。

17、优选地，所述局部微熔融处理的激光参数根据蜡材的熔点、热导率及光学吸收系数预先设定，使熔化深度控制在单层层厚范围内，所述激光参数包括波长、功率、脉宽、光斑大小和频率。

18、另一方面，为实现上述目的，本发明还提供一种用于3d打印蜡模件的激光消除层纹装置，包括：

19、喷蜡头，用于逐层喷射蜡材以打印蜡模件；

20、热床，设置于所述喷蜡头下方，用于承载蜡模件并沿y轴方向运动；

21、一维振镜，固定安装于所述喷蜡头上，所述一维振镜的出光方向竖直向下，用于在一维度上偏转激光束；

22、激光器，与所述一维振镜光路连接，用于发射激光束对层纹进行局部微熔融处理；

23、控制系统，用于执行所述的用于3d打印蜡模件的激光消除层纹方法。

24、优选地，所述一维振镜的扫描方向与所述热床的运动方向垂直。

25、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

26、（1）本发明通过将一维振镜集成于喷蜡头上，在3d打印过程中同步进行激光微熔融处理，在不增加额外运动轴的前提下实现层纹的在线消除，无需后处理工序，省时省力，显著提高生产效率和蜡模件表面质量。

27、（2）本发明采用otsu自动阈值分割与8邻域边界追踪耦合的轮廓识别算法，能够自适应不同蜡材颜色和光照条件下的位图，鲁棒性强；douglas-peucker简化算法在保证轮廓精度的前提下大幅减少交点数量，降低了激光加工的计算量和加工时间。

28、（3）本发明利用参考平面求交方法将二维层纹定位问题转化为一维列扫描问题，计算复杂度低，适合在嵌入式控制器上实时运行。

29、（4）本发明引入飞行补偿机制，使激光出光位置随热床连续运动实时调整，无需热床间歇启停，保证了打印效率的同时实现了高精度的层纹定位和加工。

30、（5）本发明通过建立图像坐标与设备坐标的标定关系，并对控制链路的固定延迟进行修正，能够降低由安装偏差、通信延迟和振镜响应时间引起的加工错位；

31、（6）本发明通过多轮廓层级处理、交点去重及异常停光逻辑，可对包含内孔、孤立区域和微小特征的复杂切片进行稳定处理，并提高在线激光加工的安全性。