CN104149340B - 基于3d打印技术获得金属零件性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大型金属或非金属材料结构零件的承载测试领域，尤其涉及一种尤其涉及一种由3D打印技术加工制造的缩小比例的非金属零件性能获得相应的原尺寸金属零件的性能的方法。该方法通过测试缩小尺寸的3D打印非金属零件基本物理机械性能参数，采用有限元分析方法计算其承受载荷的状态，推演出具有原尺寸的金属零件的承受载荷的状态。本发明的特点及有益效果：在较低的成本和较少的时间内，通过3D打印技术加工制造出的非金属缩小尺寸的零件，能够快速推演出相应金属结构零件的承载能力。从而有效缩短产品零件设计制造周期、提高设计成功率。
Description
技术领域
本发明属于大型金属或非金属材料结构零件的承载测试领域，尤其涉及一种由3D打印技术加工制造的缩小比例的非金属零件性能获得相应的原尺寸金属零件的性能的方法。
背景技术
3D打印，也叫快速成形技术、增材制造技术,原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片,然后由3D打印机把打印材料按切片图形逐层叠加,最终堆积成完整的物体。与传统制造业的“减材制造技术”不同，3D打印遵从的是加法原则，可以直接将计算机中的设计转化为模型，直接制造零件或产品，不再需要传统的刀具、夹具和机床。
3D打印耗材包括：塑料、橡胶、金属、粉末、尼龙、薄膜、树脂、石蜡、石膏、尼龙丝、钛合金、陶瓷等不同材料。现在制约3D打印技术发展的关键不在技术本身，而是材料,最难的是在工业级别的运用，而大型金属结构件更是难中之难。
虽然从长远看，这项技术应用范围之广将超乎想象,最终将给人们的生产和生活方式带来颠覆式的改变,甚至引发第三次工业革命。但是由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，这项技术并不能完全取代传统的减材制造法加工大型金属结构件。
而大型的金属或者非金属结构件，进行测试性能时，采用单纯的有限元分析的结果往往会与实际情况产生很大的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于为了解决目前无法通过3D打印技术制造的非金属零件获得相应金属零件性能的问题，或者大型非金属零件性能测试困难，提出了一种基于零件缩比有限元分析，通过缩小比例的3D打印非金属零件性能获得相应金属零件或者大型非金属零件性能的方法。
本发明是这样实现的，一种基于3D打印技术获得金属零件性能的方法，该方法包括如下的步骤：
一种基于3D打印技术获得金属零件性能的方法，其特征在于，该方法包括如下的步骤：
1)设计出所需金属结构零件三维实体模型；
2)将上述模型按照3D打印机所能接受的尺寸按比例缩小，然后采用光敏树脂材料，基于3D打印技术加工制造出对应的光敏树脂非金属缩小尺寸的零件；
3)通过常规实验测试打印的光敏树脂非金属零件的基本物理机械性能；
4)按照金属零件在实际工作中的工况搭建缩微的试验平台，从零逐渐增加载荷，在试验平台上对光敏树脂非金属零件进行加载试验，采用电阻应变片法测试不同载荷条件下树脂零件的变形分布以及变形量变化情况；
5)将步骤3)中测量的光敏树脂非金属零件的基本物理机械性能以及基本物理机械性能种类与步骤4)中的不同载荷条件作为基本输入值，采用有限元分析软件进行树脂零件受力模拟分析；将模拟的变量分析结果与步骤4)中实测结果进行对照，符合度大于90％进行下一步，否则返回到5)调整基本物理机械性能种类及载荷条件，再次进行模拟分析，直到理论和试验符合度达到要求。
6)将步骤5)中调整好的载荷条件、基本物理机械性能种类和1)中的金属材料基本物理机械性能作为输入参数，采用有限元分析软件进行金属零件受力模拟分析，从零开始增加载荷力的大小，模拟分析出金属零件的强度，即可推演出相应金属结构零件的零件在实际工况下不会变形过大而失效能够承受得住相应的载荷。
进一步地，步骤3)中所述基本物理机械性能包括：抗拉强度、弹性模量、布氏硬度、泊松比、屈服强度、切线模量和密度。
进一步地，步骤4)或5)中所述的载荷条件指的是施加载荷力的大小、力的方向、力的作用点和力的分布情况。
进一步地，步骤6)中载荷条件指的是施加载荷力方向、力的作用点和力的分布情况。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明通过测试缩小尺寸的3D打印非金属零件基本物理机械性能参数，采用有限元分析方法计算其承受载荷的状态，推演出具有原尺寸的金属零件的承受载荷的状态。在较低的成本和较少的时间内，通过3D打印技术加工制造出的非金属缩小尺寸的零件，能够快速推演出相应金属结构零件的承载能力。从而有效缩短产品零件设计制造周期、提高设计成功率。
目前绝大多数的模拟结果都没有实测结果的验证，因为其验证过程耗时间耗经费,有些甚至没法通过实验验证(特别是航空、航天、核、地层等领域)，而本发明通过实测缩小的模型间接分析能够通过一个正确的模拟分析结果来推演一个同等条件下的另一个分析结果从而对模拟的结果进行了一个矫正，使得结果更加精确符合实测的结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于3D打印技术获得金属零件性能的方法，该方法包括如下的步骤：
1)设计出所需金属结构零件三维实体模型；
2)将上述模型按照3D打印机所能接受的尺寸按比例缩小，然后采用光敏树脂材料，基于3D打印技术加工制造出对应的光敏树脂非金属缩小尺寸的零件；缩小的比例大小与之后的测试结果在定性分析上无影响，只是在数值上随之缩小。符合3D打印机能接受的范围，尽可能地在最大的范围。
3)通过常规实验测试打印的光敏树脂非金属零件的基本物理机械性能；基本物理机械性能包括：抗拉强度、弹性模量、布氏硬度、泊松比、屈服强度、切线模量和密度。
4)按照金属零件在实际工作中的工况搭建缩微的试验平台，从零逐渐增加载荷，载荷包括施加载荷的大小、方向、作用点以及分布。在试验平台上对光敏树脂非金属零件进行加载试验，采用电阻应变片法测试不同载荷条件下树脂零件的变形分布以及变形量变化情况；
5)将步骤3)中测量的光敏树脂非金属零件的基本物理机械性能与步骤4)中的不同载荷条件作为基本输入值，采用有限元分析软件进行树脂零件受力模拟分析；将模拟的变量分析结果与步骤4)中实测结果进行对照，符合度大于90％进行下一步，否则返回到5)调整基本物理机械性能种类及载荷条件，再次进行模拟分析，直到理论和试验符合度达到要求。
本实施例中所指的调整基本物理机械性能种类，对于弹性变形，涉及到弹性模量、泊松比和密度；而对于塑性变形，还需要屈服强度、切线模量，通过调节，找出符合的基本物理机械性能种类。在进行有限元分析时，划分网格的种类和大小采用常规的方式即可。而有限元分析中的边界条件包括载荷的大小、方向、作用点和分布情况以及约束情况。约束是指零件固定不动的地方，包括位置及分布，调整好上述参数之后，在步骤6中也使用相同种类的参数。
6)将步骤5)中调整好的载荷条件、基本物理机械性能种类和1)中的金属材料基本物理机械性能作为输入参数，采用有限元分析软件进行金属零件受力模拟分析，从零开始增加载荷力的大小，模拟分析出金属零件的强度，即可推演出相应金属结构零件的零件在实际工况下不会变形过大而失效能够承受得住相应的载荷。在这里，所指的载荷条件作为有限元分析中的边界条件，包括载荷和约束。载荷包括大小、方向、位置、分布等；约束是指零件固定不动的地方，包括位置及分布等。步骤5与6相比，除了载荷的大小不一样之外，其它都需要相同。非金属模型与实际的金属之间的转化是一个间接过程：第一步是非金属模型的模拟结果和实测结果首先要符合，这样就可认为非金属模型的模拟分析是正确的，目前绝大多数的模拟结果都没有实测结果的验证，因为其验证过程耗时间耗经费；第二步是用第一步被证明正确的模拟过程来套用金属模型进行模拟，其结果也相应的为正确的了。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于3D打印技术获得金属零件性能的方法，其特征在于，该方法包括如下的步骤：
1)设计出所需金属结构零件三维实体模型；
2)将上述模型按照3D打印机所能接受的尺寸按比例缩小，然后采用光敏树脂材料，基于3D打印技术加工制造出对应的光敏树脂非金属缩小尺寸的零件；
3)通过常规实验测试打印的光敏树脂非金属零件的基本物理机械性能；
4)按照金属零件在实际工作中的工况搭建缩微的试验平台，从零逐渐增加载荷，在试验平台上对光敏树脂非金属零件进行加载试验，采用电阻应变片法测试不同载荷条件下树脂零件的变形分布以及变形量变化情况；
5)将步骤3)中测量的光敏树脂非金属零件的基本物理机械性能以及基本物理机械性能种类与步骤4)中的不同载荷条件作为基本输入值，采用有限元分析软件进行树脂零件受力模拟分析；
6)将模拟的变量分析结果与步骤4)中实测结果进行对照，符合度大于90％进行下一步，否则返回到5)调整基本物理机械性能种类及载荷条件，再次进行模拟分析，直到理论和试验符合度达到要求；
7)将步骤5)中调整好的载荷条件、基本物理机械性能种类和1)中的金属材料基本物理机械性能作为输入参数，采用有限元分析软件进行金属零件受力模拟分析，从零开始增加载荷力的大小，模拟分析出金属零件的强度，即可推演出相应金属结构零件在实际工况下不会变形过大而失效能够承受得住相应的载荷。
2.按照权利要求1所述的基于3D打印技术获得金属零件性能的方法，其特征在于，步骤3)中所述基本物理机械性能包括：抗拉强度、弹性模量、布氏硬度、泊松比、屈服强度、切线模量和密度。
3.按照权利要求1所述的基于3D打印技术获得金属零件性能的方法，其特征在于，步骤4)或5)中所述的载荷条件指的是施加载荷力的大小、力的方向、力的作用点和力的分布情况。
4.按照权利要求1所述的基于3D打印技术获得金属零件性能的方法，其特征在于，步骤6)中载荷条件指的是施加载荷力方向、力的作用点和力的分布情况。
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