一种复杂曲面零件的高精度3D打印修复方法技术领域
本发明涉及一种3D打印方法，尤其涉及一种应用于具有复杂曲面的金属零件的3D打印修复方法。
背景技术
3D打印首先需要设计人员根据所打印产品的需求，设计产品的三维图形，而以往此产品三维图
形，主要依靠设计人员的经验设计，或者依靠原产品的二维图纸生成。3D打印技术如今已被广泛应
用于产品的制造中，而在产品的修复领域，3D打印技术的应用却存在难点。这是由于某些产品的缺
损表面往往是较为复杂的曲面，而不是规则、光滑的曲面。
复杂腔体或复杂曲面的加工一直是加工制造业的难题，而缺损的零部件待修复部分大都为复杂腔
体与复杂曲面。目前随着3D打印技术的发展，对复杂零件，特别是具有复杂腔体与复杂曲面的金属
零件加工可以产生新的思路。同时，3D打印成型的部件表面的较高粗糙度往往不利于“缝合”在原
产品的破损处，而传统的加工工艺又无法对3D打印件的复杂曲面进行有效的降低粗糙度加工。
在现有技术中，一方面，一般采用扫描仪扫描零件，将点云数据网格化后细分曲面的方式获得曲
面，这种方法最大的优点是算法简单，容易得到一个光滑的曲面，但是其不适用于复杂的不规则的曲
面提取。另一方面，目前磨粒流抛光的传输方式主要有两种方法，第一种采用松散低粘度磨粒流，其
含固量低，采用泵直接抽吸式加工，但一般用于精加工表面的抛光，其抛光表面一般都在微米或亚微
米级，而3D打印零件一般表面粗糙度在毫米级或亚毫米级，所以低含固量的磨粒流对其表面去处量
较少，几乎对粗糙表面无作用。第二种采用聚合粘弹性磨粒流，其含估量极高，采用泵阀不能够抽吸，
所以采用液压缸活塞推动料缸活塞的方式直接挤压聚合粘弹性磨粒流，但此方法，液压系统的功率损
失严重，特别是拆卸麻烦，并且加工一个零件首先需要研制专门的夹具，特别是3D打印金属零件，
其表面极其复杂，所以夹具研制非常麻烦，并不适用于3D打印复杂曲面的抛光。
如何精确得到被损伤零件复杂的修复表面，以及如何获得高品质的3D打印产品的表面质量，则
涉及到对原始待修复的复杂表面数据信息的准确提取，以及如何在超精密加工过程中对打印成型的复
杂曲面表面的微观材料进行去除，以实现高品质的产品表面质量。而上述两个方面均是是目前急需解
决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种对待修复的复杂曲面进行高精度提取，并对打印成型后的零件缺损
部分进行加工以降低曲面的粗糙度的3D打印修复方法。具体采用如下技术方案：
方法包括如下步骤：1)通过测量仪器扫描完整原始零件采集原始曲面模型数据；2)扫描零件缺
损部分的复杂曲面，采用电流计在曲面外沿设置多个采样的定位点；3)根据如下公式计算曲面外沿
各个定位点的距离函数值S:
S = min ( S x m i n , S y m i n , S z m i n ) + k S x m i n 2 + S y m i n 2 + S z m i n 2 ≥ k S x m i n + S y m i n + S z m i n + 3 k 2 - ( S x m i n 2 + S y m i n 2 + S z m i n 2 ) 3 S x m i n 2 + S y m i n 2 + S z m i n 2 < k ]]>
其中，Sxmin表示定位点在x坐标上与其相邻的两个定位点间距离较小的距离值，Symin表示定位点在y
坐标上与其相邻的两个定位点间距离较小的距离值，Szmin表示定位点在z坐标上与其相邻的两个定
位点间距离较小的距离值，k表示距离权值；4)将各个定位点的距离函数值由大至小依序排列，并
根据如下公式将序列中距离函数值最小的定位点V更新为V':
x ′ = x S y ′ = y S z ′ = z S ]]>
其中，x，y，z分别为定位点V的三轴坐标值，x'，y'，z'分别为定位点V'的三轴坐标值；5)循环步
骤3)-4)直至不再出现新的定位点，通过循环更新替换过程，定位点从曲面的外沿往内延伸，最终
由原始定位点及更新后的定位点采样得到完整的待修复曲面模型数据；6)将所述原始曲面模型数据
与所述待修复曲面模型数据输入CAD/CAM软件中进行三维重构，然后输出零件缺损部分的三维模型数
据，将三维模型数据输入3D打印设备中，最后得到零件的缺损部分的3D打印实体；7)将所述3D
打印实体放入粘弹性磨粒流抛光系统进行抛光，当抛光结束后，取出工件，并擦拭干净。
优选地，步骤7)所述抛光包括如下步骤：I)将粘弹性磨粒流抛光系统的快连接头与转接头分开，
向上抬动手柄，将粘弹性磨粒流工作腔上腔体打开，将所述3D打印实体放入粘弹性磨粒流工作腔下
腔体的配合圆柱槽内，然后向粘弹性磨粒流工作腔下腔体中添加粘弹性磨粒流，当粘弹性磨粒流填满
下腔体后，盖上粘弹性磨粒流上腔体；并用螺栓拧将粘弹性磨粒流工作上腔体与粘弹性磨粒流工作下
腔体拧紧；然后通过快连接头将第一抗磨软管与粘弹性磨粒流工作腔上腔体上的转接头相连接；II)
启动调频电机，调频电机通过联轴器带动旋转曲轴转动,旋转曲轴带动第一碾压曲拐与第二碾压曲拐
旋转，而第一碾压曲拐与第二碾压曲拐在旋转过程中不断碾压第一抗磨软管，从而在第一抗磨软管中
产生真空，引起密封容积不断变换，进而将粘弹性磨粒流从粘弹性磨粒流箱体中不断抽吸上来，不断
碾压到粘弹性磨粒流工作上腔体中，从而将粘弹性磨粒流不断挤压抛光3D打印复杂曲面表面；III)
抛光结束后，拔下第一抗磨软管上的快连接头，拧下螺栓，抬动手柄打开粘弹性磨粒流工作腔上腔体，
取出工件，并擦拭干净。
优选地，所述旋转曲轴分别通过前支撑圆锥滚子轴承和后圆锥滚子轴承固定于安装套筒内，安装
套筒通过螺栓与连接壳体相连，连接壳体通过螺栓与调频电极相连接，连接时调频电机与连接壳体及
安装套筒依靠止口定位，连接壳体通过其自身的法兰盘与粘弹性磨粒流箱体上的法兰座通过螺纹连接。
优选地，第一抗磨软管放置在具有定位槽的抗磨软管箱体中，抗磨软管箱体通过螺栓固定在安装
套筒上，在粘弹性磨粒流挤压抛光3D打印复杂曲面过程中可通过蝶阀控制出口开度大小，从而控制
流量大小，进而调整粘弹性磨粒流的抛光速度。
优选地，在3D打印设备打印缺损部分的3D打印实体时，同时还打印与3D打印实体一体成型的
定位圆柱，所述定位圆柱用于在抛光时固定3D打印实体。
优选地，软管采用室温硫化硅橡胶材料。
优选地，零件为金属零件。
本发明具有如下有益技术效果：
1、本发明的3D打印修复方法较之传统手工修复有着精度高、成本低、易修改的优点。
2、本发明采用的复杂曲面提取算法可获得与待修复的复杂表面相一致的三维实体模型，其效率
大大高于三坐标测量仪。
3、相比较传统泵阀控制的松散低粘度磨粒流抛光以及液压挤压推动的聚合粘弹性磨粒流抛光，
本发明采用电机直连传输曲轴，并通过曲轴碾压抗磨软管传输高含固量的粘弹性磨粒流，使软管内传
输周期变化的容积，从而将高含固量磨粒流直接输送到3D打印成品工件的密封腔体内抛光工件表面。
4、通过快换接头直接连接软管，拆卸方便，软管采用室温硫化硅橡胶材料，其对温度变化不敏
感，而且其抗磨损，当粘弹性磨粒流的反复高速通过其表面时，不能磨损输送软管。
5、选用变频电机，可以变频调节碾压速度，从而可以根据工件的复杂程度控制碾压软管速度。
6、采用3D打印零件时自身生产定位圆柱，不用研制专门的抛光夹具。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明的粘弹性磨粒流抛光系统结构图。
图3是室温硫化硅橡胶软管密封容积变化图。
具体实施方式
1-粘弹性磨粒流箱体；2-法兰座；3-变频电机；4-联轴器；5-连接壳体；6-安装套筒；7-抗磨软
管箱体；8-前支撑圆锥滚子轴承；9-旋转曲轴；10-后支撑圆锥滚子轴承；11-密封圈；12-转接头；
13-蝶阀；14-工作腔与箱体连接螺栓；15-快连插头：16-第一抗磨软管；17-第二抗磨软管；
18-快连接头；19-3D打印件；20-粘弹性磨粒流工作腔上腔体；21-上下工作腔体连接螺栓；22-
粘弹性磨粒流工作腔下腔体；23-转接头；24-手柄25法兰；26-第一碾压曲拐；27-第二碾压曲拐；
28-螺栓；29-螺栓；30-螺栓；
如图1所示，本发明的方法包括如下步骤：
1)通过测量仪器扫描原始零件采集原始曲面模型数据；
2)扫描零件缺损部分的复杂曲面，采用电流计在曲面外沿设置多个采样的定位点；
3)根据如下公式计算曲面外沿各个定位点的距离函数值S:
S = min ( S x m i n , S y m i n , S z m i n ) + k S x m i n 2 + S y m i n 2 + S z m i n 2 ≥ k S x m i n + S y m i n + S z m i n + 3 k 2 - ( S x m i n 2 + S y m i n 2 + S z m i n 2 ) 3 S x m i n 2 + S y m i n 2 + S z m i n 2 < k ]]>
其中，Sxmin表示定位点在x坐标上与其相邻的两个定位点间距离较小的距离值，Symin表示定位
点在y坐标上与其相邻的两个定位点间距离较小的距离值，Szmin表示定位点在z坐标上与其相邻的
两个定位点间距离较小的距离值，k表示距离权值；
4)将各个定位点的距离函数值由大至小依序排列，并根据如下公式将序列中距离函数值最小的
定位点V更新为V':
x ′ = x S y ′ = y S z ′ = z S ]]>
其中，x，y，z分别为定位点V的三轴坐标值，x'，y'，z'分别为定位点V'的三轴坐标值；
5)循环步骤3)-4)直至不再出现新的定位点，通过循环更新替换过程，定位点从曲面的外沿
往内延伸，最终由原始定位点及更新后的定位点采样得到完整的待修复曲面模型数据；
6)将所述原始曲面模型数据与所述待修复曲面模型数据输入CAD/CAM软件中进行三维重构，然
后输出零件缺损部分的三维模型数据，将三维模型数据输入3D打印设备中，最后得到零件的缺损部
分的3D打印实体；
7)将所述3D打印实体放入粘弹性磨粒流抛光系统进行抛光。
粘弹性磨粒流抛光系统如图2所示，其对3D打印实体的抛光过程如下：首先，将快连接头18
与转接头23分开，然后向上抬动手柄24，将粘弹性磨粒流工作腔上腔体20打开，将带有长定位圆
柱的3D打印零件19放入粘弹性磨粒流工作腔下腔体22的配合圆柱槽内，然后向粘弹性磨粒流工作
腔下腔体22中添加粘弹性磨粒流，当粘弹性磨粒流填满下腔体后，盖上粘弹性磨粒流上腔体20；并
用螺栓拧21将粘弹性磨粒流工作上腔体20与粘弹性磨粒流工作下腔体21拧紧；然后通过快连接头
将第一抗磨软管16与粘弹性磨粒流工作腔上腔体20上的转接头23相连接；
其次，启动调频电机3，从而调频电机3通过联轴器4带动旋转曲轴9转动。其中旋转主轴分别
通过前支撑圆锥滚子轴承8和后圆锥滚子轴承10固定于安装套筒6内，而安装套筒6通过螺栓29
与连接壳体5相连，而连接壳体5通过螺栓30与调频电极3相连接，连接时调频电机3与连接壳体
5及安装套筒6依靠止口定位。另外连接壳体5通过其自身的法兰盘与粘弹性磨粒流箱体1上的法兰
座通过螺纹连接。
再次，旋转曲轴9分别带动起其自身的曲拐26，与曲拐27旋转，而曲拐26和曲拐27在旋转过
程中不断碾压第一抗磨软管16，从而在第一抗磨软管中产生真空，引起密封容积不断变换，从而将
粘弹性磨粒流从粘弹性磨粒流箱体1中不断抽吸上来，而不断碾压到粘弹性磨粒流工作上腔体20中，
从而将粘弹性磨粒流不断挤压抛光3D打印复杂曲面表面。其中，第一抗磨软管放置在具有定位槽的
抗磨软管箱体中，而抗磨软管箱体通过螺栓28固定在安装套筒6上。另外在粘弹性磨粒流挤压抛光
3D打印复杂曲面过程中可通过蝶阀13控制出口开度大小，从而控制流量大小，进而调整粘弹性磨粒
流的抛光速度。
最后，当抛光结束后，拔下第一抗磨软管16上的快连接头18，拧下螺栓21，抬动手柄24打开
粘弹性磨粒流工作腔上腔体20，取出工件，并擦拭干净。
本发明中，粘弹性磨粒流不予任何金属管路接触，从而不磨损任何零件表面，而室温硫化硅胶材
质为抗磨材料，当粘弹性磨粒流流过时，并不磨损其表面。另外同时通过快插接头直接连接软管，拆
卸方便。
另外室温硫化硅橡胶软管螺旋缠绕于抗磨软管箱体内，其密封容积变化如图3所示，具体由下式
计算：
其中:N1----碾压曲拐个数；N2--------软管缠绕匝数；
-------中心角度；R-------软管半径；
另外在本发明中，3D打印零件依靠自身的定位圆柱体与粘弹性磨粒流工作腔下腔体内的圆柱槽
体定位，再挤压抛光时可在粘弹性磨粒流的挤压下自行回转，从而抛光面不断变化，抛光更加均匀，
但其3D打印零件的定位圆柱在3D打印造型时设计生成，抛光完成后如不再需要，可将定位圆柱体切
除，并依靠传统加工方法加工其规则曲面，此种可自由回转的定位夹紧方法的优点在于，适用于任何
具有复杂曲面零件的3D打印零件，不论是否是回转零件还是非回转零件都可通过自定位圆柱插与定
位圆槽中，通用性强，安装方便。