3D打印路径优化

摘要：3D打印（增材制造）过程的一个特点就是加工时间长，打印效率低，普通件都需要打印8-12小时。针对3D打印中加工效率低下，产品质量不高的问题，本项研究从打印路径优化的角度，提出了一种路径优化生成算法。该算法首先根据加工环境选择以填充效率或者加工质量为目标函数确定最优路径倾斜角，再对生成的子路径进行多次优化以缩短无效路径长度，最后利用贪婪算法连接所有子路径。该算法可以在保证质量的前提下提高填充效率，具有很强的实用性。此外，该研究还对基于熔融沉积成型成型中的过填充与欠填充问题进行改善，通过采用自适应间距路径避免恒定间距路径填充过程中出现的质量问题，进一步提高了加工质量。

3D打印可以从数字模型直接制造出产品，在缩短产品开发周期的同时也可完成一些由传统加工无法胜任的产品制造，近年来在多个领域得到广泛应用。目前3D打印仍多用于一些体积不大并且对精度质量要求不高的行业，主要原因就是加工效率与质量方面仍然无法达到工业级要求。研究人员正在从多个角度试图改善增材制造的效率与质量问题，包括加工材料的选择、制造装备的提升、制造产品模型的优化等。

浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员从路径优化的角度对3D打印过程中的效率和质量问题进行研究。该方法首先建立一个加工效率与加工质量评价模型，对各层的填充路径倾斜角进行优化以在效率与质量之间进行权衡；然后根据填充轮廓的特点对填充区域进行分区，分区算法以缩短无效路径长度为目标进行优化；对子路径采用多次优算法进一步减少无效路径数目；最后采用贪婪算法对所有子路径进行衔接获得最终路径。该算法具有较强的通用性，可以在保证加工质量的基础上较大程度提高填充效率。此外，在充分考虑熔融沉积成型（FDM）技术工艺特点的基础上，提出一种自适应间距平行扫描填充路径的生成方法，可以有效避免填充过程中出现的过填充与欠填充现象，有利于改善工件成型质量，满足生产需求。

利用该路径优化生成算法生成微流道加工路径示例如下图所示。

图1 微流道填充路径生成流程示意图.

   该算法采用建立目标函数法获得较优倾斜角，方法如下图所示。

图2 （a）以填充效率为目标函数选择倾斜角；（b）以填充质量为目标函数选择倾斜角

该算法以缩短无效路径长度和减少无效路径数目目标进行分区与子路径生成，算法流程示意图如图3所示。

图3 子路径分区与生成算法流程示意图

为避免熔融沉积成型过程中的过填充与欠填充问题，该算法采用自适应间距算法生成子区域路径。生成算法如下图所示。

图4 自适应间距路径生产路径算法

目前该成果在Additive Manufacturing和International Journal of Advanced Manufacturing Technology 杂志发表，题目分别为“Optimization of tool-path generationfor material extrusion-based additive manufacturing technology”和“A parallel-based path generation methodfor fused deposition modeling”。