下面是小编为大家整理的基于大型金属增材制造中，通过现场特定控制实现压花和功能分级材料自动化工艺规划,供大家参考。
在基于大型金属的增材制造中，通过现场特定控制实现压花和功能分级材料的自动化工艺规划
抽象 现场特定工艺参数控制的潜力是增材制造（AM）的一个属性，使其成为一种制造工艺，具有很高的吸引力。多年来，人们对许多 AM 工艺的功能分级材料特性的研究兴趣一直很高。然而，减缓这一领域发展进展的问题之一是进程规划。手动编程方法和定制解决方案用于特定于站点的控制工作并不少见。本文介绍了切片软件的开发，该软件包含一种全自动工艺规划方法，用于为一系列 AM 工艺实现厚度、工艺参数控制。该技术包括使用父几何和子几何来控制特定于站点的参数的位置，这些参数叠加在未修改的刀具路径上，即使用基于矢量的规划方法，其中附加信息（例如大型金属 AM 工艺的熔池尺寸）被分配给矢量。这种技术有可能对印刷物体进行宏观和微观结构修改。重点介绍了一个原理验证实验，其中该技术用于生成动态珠几何形状，这些几何形状被沉积以诱导新颖的表面压花效果，并提供了其他软件示例，突出了对更复杂物体的软件支持。
关键字：
切片; 压花; 增材制造; 大幅面 DED 1. 引言 切片是增材制造（AM）工作流程中必要且关键的步骤。由于现成的或原始设备制造商 （OEM）（如果切片器可供使用）很常见，因此切片是 AM 的一个研究不足的方面。然而，一台针对特定增材制造机器和工艺量身定制的切片机，可以在完全足够的工艺和充分发挥其生产率、质量和现场特定工艺参数控制潜力的工艺之间产生差异。这也可能意味着可以实现流程规划活动的完全自动化，否则这些活动将非常繁琐和耗时。
在切片开始之前，通常会将对象从 CAD（计算机辅助设计）转换为 STL（立体光刻）文件。STL 使用三角形 [1] 表示所有曲面几何图形。然后，该 STL 与水平平面相交，其增量高度对应于 AM 机器上首选的构造层高度。这些交叉点将创建与必须填充的图层相对应的 2D 面堆栈。这种填充采用几种类型的路径形式，包括周长、插图、蒙皮和填充。这些路径样式可能包括闭合轮廓和开放折线。
但是，对象的生成不需要局限于 2D 多边形的轮廓。事实上，不同的作者已经研究了对象上或对象内特征的生成，以实现安全性或质量保证等目标[2，3]。为了影响基于金属的大幅面增材制造系统的这一目标，有必要进行特定于站点的控制。以前已经研究了特定地点的控制，原因有很多，包括过程稳定性和微观结构控制。
各种作品已经研究了出于安全或质量保证目的在物体上或物体内使用特征[2，3]。在此参考工作中，作为 CAD 设计过程的一部分，特征被内置到对象中，然后通过目视检查进行评估。此处介绍的压花过程可以完成类似的行为，但由于多个对象被考虑为路径算法的一部分，因此无需花时间在 CAD 中设计特征。
大量的工作也研究了超越层和几何边界范围的研究。所谓的越界印刷是 Patricio 等人的工作重点[4]。这项工作通过利用建筑材料的支撑介质来寻求物体的自由形式构造。
一些工作还试图修改图层的构成。在 Alkadi 等人的一项研究中，共形映射用于在曲面上构造物体[5]。使用共形映射，对象被翘曲以匹配它将在其上构造的表面。对共形切片的兴趣持续增长，以支持更高的几何复杂性和更高的零件质量[6，7，8，9]。对基于体素的过程规划也有很大的兴趣，这种方法非常适合局部或特定于站点的参数修改[10 ，11，12，13，14，15]，但不一定适合许多 AM 机器传统上运行的方式;基于矢量的过程规划应用更广泛，在本工作中，提出了一种基于矢量的，特定于站点的过程规划技术。
除了扩展图层的概念并超越典型的几何分析外，一些作品还研究了特定于站点的控制。Dehoff 等人，Lee 等人，Shi 等人和 Raghavan 等人是四个这样的例子[16 ，17，18，19]。这项工作的重点是金属粉末系统，其中通过对激光功率，焦点，速度
等的开环修改进行现场特定控制，以影响物体的微观结构。事实上，在上述工作中，作者关注的是晶粒生长和所得微观结构的取向，这是 AM 感兴趣的主要结果之一，源于使用特定部位的对照[20 ，21，22]。
在立体光刻中，特定部位对照的一个值得注意的用途是定制树脂的双色光聚合，用于诱导不同的区域厚度和地形图案[23]。
还研究了熔池的现场特定控制，用于大规模直接能量沉积（DED）系统中的宏观结构控制。Heralic 等人[24]和 Nassar 等人[25]在 DED 过程控制领域做出了重大贡献。熔池操纵和控制已经通过多种方法进行了研究，包括建模和绘图方法[26，27，28，29]和闭环反馈控制，以实现均匀的沉积特性[30，31，32，33]，这是现有技术。Gibson 等人的多项工作已经证明了熔池监测和闭环控制[34，35，36]。在这项工作中，作者展示了通过尺寸和形状操纵来控制熔池，及其对施工过程的影响。
这项工作的一个新颖扩展是通过特定地点的闭环控制[37]进行的手动编程压花过程，其中动态微珠几何形状被生成并沿着未修改的刀具路径沉积，从而在 3D 打印零件的侧面压花 2D 图像。这种方法与其他需要修改刀具路径以诱导或与动态微球几何形状协同工作的工作形成鲜明对比[38，39，40]。这是在 DED 中首次演示了穿透厚度，闭环，特定于站点的控制[41]，并且对这种方法的进一步探索要求过程规划自动化。因此，本工作的重点是实现该方法所需的过程规划的自动化，并且相信与之相关的许多好处和优点，其中包括以下内容：
对许多 AM 工艺进行穿透厚度，特定于地点的工艺参数控制，包括金属粉末床熔融（不仅仅是 DED）;
全自动过程规划，而不是耗时的手动编程或定制解决方案的开发;
用于实现动态微珠几何形状的宏观结构控制，其优点包括体积缺陷缓解和压花，以提高物体安全性;
用于实现功能分级零件属性的微观结构控制。
过程规划方法的自动化将通过软件示例进行展示在平坦和曲面上进行填充修改和压花的技术，这是实现在路径定义之外生成特征的概念，这是一种在 AM 中切片的新方法，它利用了主要（父）和次（子）几何形状。
2. 材料和方法 为了促进新的压花工艺，需要针对特定地点的控制。因此，ORNL Slicer 2.0（橡树岭国家实验室，田纳西州诺克斯维尔，美国）得到了增强，以提供特定于站点的功能。在 Slicer 2 中，网格的概念得到了扩展，以允许额外的控制，并且可以将网格指定为几种不同类型的网格之一。本讨论感兴趣的类型是构建和设置网格。构建网格是加载、横截面且路径布局的典型网格。相比之下，设置网格不会生成任何路径，而是修改构建网格的特定区域。基于聚合物的方法的简单示例如图 1 所示。
图 图 1.特定于站点的控制应用程序的示例。左：在对象的孔周围放置两个矩形，以使填充图案致密化。右：覆盖特定区域以禁止填充。
在本例中，左侧的填充密度被修改为在孔附近更致密，以便在以后钻孔时提供额外的支撑。图的右侧是相反的示例，其中阻止区域具有任何填充路径。除了填充密度之外，设置网格还允许修改许多其他物理参数，例如挤出速率和功率。输入功率的操纵对于应用压花工艺的大幅面 DED 系统至关重要。
由于能够就地修改任意区域的设置，压花过程被开发为该功能的逻辑扩展。第一步是允许组合引入多个 STL 以形成父子关系。此关系定义了哪个 STL 有助于构建路径或设置修改，从而导致轮廓外路径。育儿系统还允许轻松操作对象。
图 2 显示了一个示例可视化效果。
图 图 2.设置为父对象和子对象的两个对象的示例。墙壁（浅蓝色）代表父母，而橡树叶（深蓝色）代表孩子。
作为此加载过程的一部分，子网格的操作方式与任何其他网格类似。此操作包括典型的仿射变换（如平移、旋转和缩放），以使浮雕网格适当地适合其父级的表面。
需要明确的是，Slicer 2 中的育儿系统旨在为用户提供方便。当子网格被作为父网格时，与平移、旋转和缩放相关的任何父网格操作也会自动应用于子网格。此外，每个网格的最大表面会自动对齐。但是，最终调整必须由用户进行。最重要的调整是孩子应该在多大程度上嵌入父母。子对象的嵌入深度是其设计的一个函数。子对象应设计为厚度至少为一个珠子宽度。如后续图片所示，与父母的路径相交的孩子的横截面是导致浮雕行为的原因。因此，子网格越厚，嵌入其父网格的深度就越深。通过将子项嵌入得更深，子项的横截面将与父网格的更多路径相交。增加的路径交叉点产生更多的熔池扩展点，并可能使浮雕特征更加明显。
加载两个网格进行施工后，就可以开始切片了。切片的每个步骤都涉及几种基本算法之一，例如平面-对象相交、多边形偏移、骨架生成和线-多边形相交。对切片过程的每种算法的完整解释超出了本文的范围。然而，计算库计算几何算法库（CGAL）是这些算法的多个详细来源之一[42]。
首先对父网格进行横截面，以确定路径的适当区域。此外，用于压花的子网格也是横截面的。此次级横截面与其他空间信息（包括横截面平面的方向）捆绑在一起。此方向对于促进任意切片平面的过程非常重要。为了便于解释，该示例将假设一个标准水平切片平面，该平面沿 Z 轴向上移动，整个子网格在单个平面上浮雕。但是，没有什么可以阻止此方法使用任意切片平面或曲面。这种横截面的示例如图 3 所示。
图 图 3.示例横截面。
上图：黄线表示切片平面。
底部：横截面导致两个矩形区域用于壁，一个较小的区域用于叶茎。
图 图 4 显示了横截面的示例。对于此示例，黄色切片平面开始沿 Z 轴向上移动。对于第一层，底部图片中的横截面是结果。较大的矩形表示墙（父对象），而较小的矩形表示左侧（子对象）的茎。在此示例中，壁是两个珠子厚，这将导致两个大矩形，在后续步骤中将用适当的路径填充。在此过程中，子横截面随行，并且该过程对所有层重复。
图 图 4.生成的路径。红色路径表示墙（父级）的构建路径。
横截面完成后，父对象的路径将照常进行。也就是说，以周长，插图，皮肤，填充和骨骼的形式应用所有适当的轮廓。结果路径的示例如下所示。
然后，父对象进入后处理阶段，在该阶段应用与子对象相关的修改。回想一下，在此过程中传递了子对象的横截面，并且此横截面是子对象从父对象突出的结果。因此，可以应用线-多边形相交形式的简单几何逻辑。线-面相交可以分解为线段-线段相交，并可通过 Bentley-Ottmann 算法进行计算 [43]。此算法是一种线扫描算法，用于在已按 x 位置排序的所有线段上扫描一条线。此算法产生一组交集。图 图 5 显示了带有子对象横截面的路径可视化。
图 图 5.放大了第一个构建路径的可视化效果。红色代表墙体施工的路径，蓝色是橡树叶在其茎处的第一层的横截面，黄色区域代表交叉点。
在此示例中，焦点将位于父对象的第一个路径上，因为它是与子对象相交的路径。如果来自父对象的路径与子对象的横截面相交，则该路径中的段将分成多个较小的段。在此示例中，路径将分为三个子分段，每个分段在转换为 G 代码命令时分配适当的物理参数。上述三个段的 G 代码命令示例如图 6 所示：
图 图 6.G 代码命令的示例。
感兴趣的物理参数是熔池大小设定点，定义为 ESP。在这些命令中，指示线性运动的典型变量保持不变，ESP 只是简单地连接到末端。ESP 是指连接到机器的熔池控制系统。该控制系统是基于摄像头的检测系统，可通过调制激光功率来控制熔池。通过必要的控制支持，该变量被路由到系统以进行熔池控制。
在此示例中，ESP 表示与标称值相比的百分比变化。因此，包含 ESP1.0 的 G 代码命令是熔池标称大小的典型构建命令。第二条生产线将有一个比标称值大 50%的熔池。
因此，由于对象是通过父对象的路径构造的，因此路径的子分段将具有调制信息。这种调制具有扩大或收缩熔池的实际效果。扩展或收缩产生嵌入在父对象表面的子对象，而无需显式路径。
如前所述，在 Gibson 等人的工作中，通过激光功率对大幅面 DED 系统进行了熔池控制。作为这项工作的结果，功率调制设置作为切片软件的一部分包含在内。结合指示适当构建速度和珠子宽度要求的其他标准用户设置，功率调制允许进行简单的百分比变化计算。有了这个算法，构建了一个演示部分来展示压花技术。
3. 结果 利用上一节中描述的算法，构造了一个示例浮雕对象。该对象是在有线馈送的大幅面 DED 系统上构建的。使用的原料是直径为 1.6 毫米的 Ti-6Al-4V 电线。选择的母体几何形状是双珠壁（长 175 毫米，高 150 毫米）。在给定的层高下，墙壁为 94层。此父几何是通过表示开环折线的骨架路径构造的。这些折线表示为两条彼此平行的开放路径。选择的子几何体是 ORNL 的橡树叶，因为它表示具有非凡复杂性的对象。两个对象的可视化和生成的路径分别如图 3 和 图 4 所示。此可视化的物理演示部分如图 7 所示。
图 图 7.演示对象。左 左：按构造方式。右 右：经过后处理热处理。吉布森等人[37]。
如上一节所述，该过程中没有任何固有内容可以阻止将此方法应用于具有不同构建平面或非平面的对象。上一节中描述的算法已应用于其他几个用于验证的示例。这些示例如图 8 所示。
图 图 8.在非平面上压花的示例。左 左：椅子底部的六边形。右 右图：拖船上的橡树叶。
4. 讨论 从图 图 7 中可以看出，浮雕的自动化实现是成功的。构建完成后，在墙的正面清晰可见橡树叶。为了在没有此算法的情况下影响此结果，此 DED 过程通常受到一组特定设计规则的约束，这些规则通常需要较低分辨率的元件细节[44]。物理参数的完整细节可以在 Gibson 等人之前的工作中找到[37]。
此外，如图 8 所示，子对象可以压花在其父对象上，而不管其表面的曲率如何。左边的例子是一个六边形浮雕在单件式椅子的底部，这代表了大规模的应用。相比之下，右边的例子是拖船 STL 侧面浮雕的橡树...