CN104226988A - 一种大尺寸零部件的3d打印制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺寸零部件的3D打印制造方法，包括以下步骤：a.将待制造的大尺寸零部件的模型切割成在预定尺寸范围内的多个子零件模型；b.基于所述多个子零件模型，通过增材制造完成各子零件的加工成型；c.将各子零件接合固定在一起成型为大尺寸零部件。本发明既能通过有效加工尺寸不足的3D打印设备制造大尺寸零部件，又能保证经过切割拼接后的大尺寸零部件的性能及整体尺寸精度，为诸多领域的大尺寸零部件样件或成品的制造提供快速、有效的解决方案。

Description

一种大尺寸零部件的3D打印制造方法

技术领域

本发明涉及大尺寸零部件的加工技术领域，具体为一种大尺寸零部件的3D打印制造方法。

背景技术

在诸多领域都存在尺寸较大的零部件，传统制造方式为通过大型加工设备制造或在设计时将其拆分为多个组件，及工艺均为减材制造，其基体材料主要为塑料、金属等，传统通过减材制造方法加工而成的大尺寸零部件受到大型设备的限制，或者限制了设计师在前期对零部件的自由设计。而增材制造的方式打破了传统设计中零部件结构形式的限制，可以满足任意外形及尺寸的加工需求，不过由于3D打印技术的限制，目前无法制造满足各种大尺寸零部件直接成型要求的设备，这也限制了各领域中大尺寸零部件的制造。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种大尺寸零部件3D打印制造方法，其既能通过有效加工尺寸不足的3D打印设备制造大尺寸零部件，又能保证经过切割拼接后的大尺寸零部件的性能及整体尺寸精度，为诸多领域的大尺寸零部件样件或成品的制造提供快速、有效的解决方案。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大尺寸零部件的3D打印制造方法，包括以下步骤：

a.将待制造的大尺寸零部件的模型切割成在预定尺寸范围内的多个子零件模型；

b.基于所述多个子零件模型，通过增材制造完成各子零件的加工成型；

c.将各子零件接合固定在一起成型为大尺寸零部件。

根据优选的实施例，本发明的技术方案还可以采用以下一些技术特征：

步骤a中，选择模型上平整的结构位置进行切割，切割成多齿状切口。

优选地，所述齿状切口为燕尾槽、矩形槽、三角槽形状的切口。

步骤b中，在加工之前，对应于子零件模型的切口位置设定待加工的各子零件接口的3D打印加工余量，为接口边缘位置预留设定的加工及拼接间隙。优选地，设定加工余量时，去除子零件模型的切口边缘位置上符合预定形状和尺寸的部位，如0.4mm以下的尖端。

步骤b的加工成型包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，在加工之前，使用与待加工材料同种材料的样件进行加工测试，基于差值反馈的方法设定加工子零件的激光光斑补偿值和/或材料收缩率补偿值，以确定3D打印加工参数，其中，

(1)激光光斑补偿值通过n组激光成型的内、外轮廓数据进行如下计算优化：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_i=\frac{{\mathrm{\δ}}_{i1}-{\mathrm{\δ}}_{i2}}{4}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\δ}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_i}{n}$

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\mathrm{\ϵ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\δ}}$

其中，δ₁为外轮廓尺寸，δ₂为内轮廓尺寸，Δδ补偿波动值，为补偿波动值均值，ε为预设光斑补偿值，ε'为优化光斑补偿值，基于多组内外轮廓的差值，求均值后反馈回预设光斑补偿值ε，对其进行调整，得到更适合当前加工状态下的光斑补偿值ε'；

(2)材料收缩率补偿值通过n组加工测量值与理论值进行如下计算优化：

$\mathrm{\Δ}{r}_i=\left(\frac{l_i-l_i^{\′}}{l_i}\right)\×100\%$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δr}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{r}_i}{n}$

r'＝r+Δr

其中，l为理论尺寸，l'为实际尺寸，Δr为实际加工时的补偿值偏差，

为偏差均值，r加工预设收缩率补偿值，r'为实际收缩率补偿值，通过进行偏差值Δr的求解，求均值后反馈回预设收缩率补偿值r，对其进行调整，得到优化的收缩率补偿值r'。

步骤b的加工成型包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，加工时，将对应同一切口的不同子零件接口成型部位设置在预定水平范围内和预定高度范围内。优选的，预定水平范围和预定高度范围为：XY方向距离为2mm～30mm内，Z方向上高度差0～20mm内。优选地，对应同一切口的不同子零件接口部位在3D打印的同一层材料加工成型。

步骤b的加工成型包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，加工时，在对粉末材料烧结融化处理前对材料实施使其获得设定预热温度的预热。优选的，塑料粉末材料预热到其熔点以下3～8℃，金属粉末材料预热到其熔点以下80～100℃。

每一层铺设于加工平台上的材料粉末的厚度为0.01mm～0.12mm。优选的，所述材料粉末的颗粒直径在20～120μm左右。

步骤c中，在各子零件接合之前，对各子零件接口处进行打磨，降低其粗糙度，并减少尺寸以至少抵消一部分因接口固化时产生的尺寸变化。

步骤c中，将含有按重量份0.5～1.5：0.5～1.5：1～2比例、更优选1：1：1～2比例配置的环氧树脂、EP固化剂、无水酒精的固化喷涂溶液，喷涂到各子零件接口位置后，将接口对应相接合，并通过预定的不高于100℃的低温加热以固化喷涂溶液，所述低温优选为60至90℃，更优选为75℃。

步骤b中，所述加工成型是采用熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、三维印刷(3DP)中的任一种增材制造方法。

本发明的有益效果：

采用本发明方法进行大尺寸零部件的制作，先将待制造的大尺寸零部件的模型切割成在多个尺寸较小的子零件模型，再通过增材制造(3D打印)，完成各子零件的加工成型后，将各子零件接合固定在一起成型为大尺寸零部件，这一方法不仅突破大多数零件的传统加工尺寸限制，满足在前期对零部件的自由设计，而且能使用有效加工尺寸不足的3D打印设备制造出大尺寸零部件，有效保证经过切割拼接后的大尺寸零部件的性能及整体尺寸精度。

优选的实施方案能够获得进一步的优点。例如，模型切割时在平整的结构位置进行切割，切割成齿状切口，3D打印加工出的子零件可以更好地进行固定连接。基于本发明，可采用熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、三维印刷(3DP)等任一种3D打印技术，例如，通过控制聚焦高能激光束或电子束的扫描路径，在高温下局部融化粉末材料、并逐层堆积，可以完成切割所形成的复杂切口加工，并且满足任意外形零件的加工。又如，可针对可预测的加工变形导致的尺寸变化进行预先的加工参数优化，还可以对切口位置进行加工余量预处理。再如，按照不同子零件的同一切口部位在加工成型时水平及高度位置相近的方式，以及对应切口部位在同一层面加工的方式，确定各子零件在加工时的成型位置，可使得不同子零件所对应的成型接口加工一致性好，匹配精度高，成型品质好。再如，使用尽量保持能尺寸精度的固化方式，采用本发明实施例中的固化喷涂溶液进行喷涂及低温固化处理，最后够得到高尺寸精度的大尺寸成型零部件。

附图说明

图1为本发明大尺寸零部件的3D打印制造方法一种实施例的流程图；

图2为实施例中大尺寸零部件切割加工示意图；

图3a至图3c分别为实施例中形成三角槽、矩形槽、燕尾槽切口形状的切割加工示意图；

图4为实例1的汽车进气歧管燕尾槽切割组合示意图；

图5为实例2的汽车仪表盘外壳的切割组合示意图；

图6为实例3的大尺寸管道的3D打印拼接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，根据本发明的实施例，对大尺寸零部件模型(样件)切割后的子零件模型，采用增材制造技术制作子零件并拼接成型，其中，先将待制造的大尺寸零部件的模型切割成在预定尺寸范围内的多个子零件模型；然而，基于所述多个子零件模型，通过增材制造完成各子零件的加工成型；最后，将各子零件接合固定在一起成型为大尺寸零部件。

如图1所示，在本发明的具体实施例中，大尺寸零部件的制作方法可以包括以下一些步骤：

对大尺寸零部件模型进行分析，选择较为平整的结构位置进行切割，切割成在预定尺寸范围内、可被普通3D打印设备加工的多个子零件。根据实际应用情况选择合适的切口类型，可以采用平切的方式。如图2所示，在优选实施例中，采用形成多齿状切口的方式进行切割，多齿状切口可包括如图3a至图3c所示的三角槽(或称锯齿形)、矩形槽、燕尾槽等切口形状。优选地，对于有管道的大尺寸零部件，由于管道形状复杂，选择平直管道位置进行切割，采用燕尾槽的切口方式。

根据对切口位置进行加工的变形预测，对切口进行3D打印加工余量处理，即在数据前处理阶段对切口边缘位置进行尺寸处理，例如预留一定的加工及拼接间隙，包括去除加工出容易出现问题的小尺寸细节等，例如0.4mm以下尖端，以保证3D打印技术的加工效果。

可采用熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、三维印刷(3DP)等任一种3D打印技术同时加工出多个子零件。例如，子零件可以通过铺粉、激光/电子束烧结、层片融合的循环过程，融化粉末材料、并逐层堆积而成。优选地，在加工之前，使用与待加工材料同种材料的样件进行加工测试，基于差值反馈的加工参数优化方法，设定加工子零件的(激光)光斑补偿值、材料收缩率补偿值等加工精度优化参数，确定3D打印设备加工参数，实现精度优化。

设定加工子零件的激光光斑补偿值：

激光光斑补偿值通过n组激光成型的内、外轮廓数据进行如下计算优化：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_i=\frac{{\mathrm{\δ}}_{i1}-{\mathrm{\δ}}_{i2}}{4}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\δ}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_i}{n}$

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\mathrm{\ϵ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\δ}}$

其中，δ₁为外轮廓尺寸，δ₂为内轮廓尺寸，Δδ补偿波动值，为补偿波动值均值，ε为预设光斑补偿值，ε'为优化光斑补偿值，基于多组内外轮廓的差值，求均值后反馈回预设光斑补偿值ε，对其进行调整，得到更适合当前加工状态下的光斑补偿值ε'。

设定加工子零件的材料收缩率补偿值：

材料收缩率补偿值通过n组加工测量值与理论值进行如下计算优化：

$\mathrm{\Δ}{r}_i=\left(\frac{l_i-l_i^{\′}}{l_i}\right)\×100\%$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δr}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{r}_i}{n}$

r'＝r+Δr

其中，l为理论尺寸，l'为实际尺寸，Δr为实际加工时的补偿值偏差，为偏差均值，r加工预设收缩率补偿值，r'为实际收缩率补偿值，通过进行偏差值Δr的求解，求均值后反馈回预设收缩率补偿值r，对其进行调整，得到优化的收缩率补偿值r'。

在优选实施例中，按照同一切口位置相近或同一层面加工的原则确定各子零件的成型方式及位置，进行各子零件处理，同一切口的子零件端部接近且优选同层加工，保证加工完成子零部件能够在切口位置完好得实现拼接，并且尽量减少接口处的尺寸偏差。为此，加工时将对应同一切口的不同子零件接口成型部位设置在预定水平范围内和预定高度范围内。优选的，预定水平范围和预定高度范围为：XY方向距离为2mm～30mm内，Z方向上高度差0～20mm内。优选的，对应同一切口的不同子零件接口部位在3D打印的同一层材料加工成型。

另外，可经过预热温度优化测试对设备预热温度进行设定，确定加工过程中切片翘曲度最小的预热温度。通过在施加烧结、融合温度前为材料提供预热，有效提高材料成型质量。优选的，塑料粉末材料预热到其熔点以下3～8℃，金属粉末材料预热到其熔点以下80～100℃。优选的，针对尼龙粉末材料的设定预热温度为165℃～173摄氏度。

可以使用已有的3D打印设备加工，通过铺粉、烧结、层片融合的循环过程完成各子零件的加工成型，其中，每一层铺设于加工平台上的材料粉末的厚度可以为0.01mm～0.12mm；材料粉末的颗粒直径可以在20～120μm左右；粉末材料通过控制聚焦高能激光束或电子束的扫描路径，在高温下局部融化并逐层堆积。制作子零件的材料粉末可以为丙烯酸-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯、聚酯、钛合金、铝合金、镍基合金、不锈钢、工具钢、铜、贵金属及其他用于增材制造的金属、高分子和陶瓷材料中的任一种或多种。

在子零件成型之后，优选先对各子零件接口周边进行打磨，降低其表面粗糙度并减少一定尺寸，避免后续接口固化时局部尺寸变化过大的情况。

为了将各子零件良好地连接固定为大尺寸零部件，优选采用如下固化喷涂溶液：其中，将环氧树脂、EP固化剂、无水酒精按重量份比例为0.5～1.5：0.5～1.5：1～2，优选为1：1：1～2的比例进行配置，配置液作为固化喷涂溶液的主要成分或唯一成分。用该固化液对各子零件接口位置进行喷涂，将各子零件对接后再使喷涂溶液固化，此方式可最大限度地减少接口处的尺寸变化。根据接口对各子零件进行拼接时，可应用夹具或其他方式固定各拼接后的整体大尺寸零部件。通过固化溶液喷涂于各接口位置完成其封闭与固定效果，通过低温加热使整体零部件快速固化，并最终完成大尺寸零部件的成型。对喷涂溶液进行固化的温度优选不高于100℃，更优选为60至90℃，更优选为75℃。

实例1

一种大尺寸零部件的3D打印制造方法，其增材制造设备用EOS P110，配套软件为Magics17.1及PSW3.6。(1)根据客户要求使用客户提供的汽车发动机进气歧管三维模型件，其中大尺寸零件尺寸为346mm×324mm×192mm，较P110设备可加工的325mm×250mm×220mm偏大，故无法进行完整的三维模型加工。(2)管道形状复杂，选择平直管道位置进行切割，采用燕尾槽5的切口方式，如图4所示。(3)在Magics中进行切口处理，并确定子零件的摆放方式，应用RP-Tools工具采用0.1mm厚度完成切片制作，在PSW软件中设置经过优化后的加工参数以保证其尺寸精度。其中，经过差值补偿方法得到的光斑补偿参数为0.29mm，收缩率补偿参数为X3.17％、Y3.2％、Z(0)2.4％、Z(300)1.86％。(4)通过激光烧结切片并完成切片堆积实现加工仓内模型的加工，并通过喷砂处理去除子零件表面参与粉末。(5)对成型零件的各切口处进行打磨，使用经过测试最佳的固化溶液配比方式进行喷涂溶液配制，将喷涂过固化溶液且固定的整体零部件进行加热快速固化，最后得到大尺寸零部件的最终效果。(6)经过三维扫描显微镜测试，拼接位置经过固化后粗糙度为Ra6.5，表层增厚40～90μm，后续经过加温测试及空气流量测试，均可正常完成。

实例2

如图5所示，汽车仪表盘外壳的3D打印制造，具体制造步骤与实例1类似。切口方式在仪表盘外壳11两个不同部位分别采用了矩形切口21和锯齿形切口31。

实例3

如图6所示，大尺寸管道的3D打印制造，具体制造步骤与实例1、2类似。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大尺寸零部件的3D打印制造方法，其特征在于,包括以下步骤：

a.将待制造的大尺寸零部件的模型切割成在预定尺寸范围内的多个子零件模型；

b.基于所述多个子零件模型，通过增材制造完成各子零件的加工成型；

c.将各子零件接合固定在一起成型为大尺寸零部件。

2.如权利要求1所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤a中，选择模型上平整的结构位置进行切割，切割成多齿形的切口，优选地，所述齿状切口为燕尾槽、矩形槽或三角槽形状的切口。

3.如权利要求1所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤b中，在加工之前，对应于子零件模型的切口位置设定待加工的各子零件接口的3D打印加工余量，为接口边缘位置预留设定的加工及拼接间隙，优选地，设定加工余量时，去除子零件模型的切口边缘位置上符合预定形状和尺寸的部位，如0.4mm以下的尖端。

4.如权利要求1所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤b的加工成型包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，在加工之前，使用与待加工材料同种材料的样件进行加工测试，基于差值反馈的方法设定加工子零件的激光光斑补偿值和/或材料收缩率补偿值，以确定3D打印加工参数，其中：

(1)激光光斑补偿值通过n组激光成型的内、外轮廓数据进行如下计算优化：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_i=\frac{{\mathrm{\δ}}_{i1}-{\mathrm{\δ}}_{i2}}{4}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\δ}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_i}{n}$

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\mathrm{\ϵ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ\δ}}$

其中，δ₁为外轮廓尺寸，δ₂为内轮廓尺寸，Δδ补偿波动值，为补偿波动值均值，ε为预设光斑补偿值，ε'为优化光斑补偿值，基于多组内外轮廓的差值，求均值后反馈回预设光斑补偿值ε，对其进行调整，得到更适合当前加工状态下的光斑补偿值ε'；

(2)材料收缩率补偿值通过n组加工测量值与理论值进行如下计算优化：

$\mathrm{\Δ}{r}_i=\left(\frac{l_i-l_i^{\′}}{l_i}\right)\×100\%$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δr}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{r}_i}{n}$

r'＝r+Δr

其中，l为理论尺寸，l'为实际尺寸，Δr为实际加工时的补偿值偏差，为偏差均值，r加工预设收缩率补偿值，r'为实际收缩率补偿值，通过进行偏差值Δr的求解，求均值后反馈回预设收缩率补偿值r，对其进行调整，得到优化的收缩率补偿值r'。

5.如权利要求1所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤b的加工成型包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，加工时，将对应同一切口的不同子零件接口成型部位设置在预定水平范围内和预定高度范围内；优选的，预定水平范围和预定高度范围为：XY方向距离为2mm～30mm内，Z方向上高度差0～20mm内；优选的，对应同一切口的不同子零件接口部位在3D打印的同一层材料加工成型。

6.如权利要求1所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤b的加工成型包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，步骤b中，加工时，在对粉末材料烧结融化处理前对材料实施使其获得设定预热温度的预热，优选的，塑料粉末材料预热到其熔点以下3～8℃，金属粉末材料预热到其熔点以下80～100℃。

7.如权利要求1所述的3D打印制造方法，其特征在于,每一层铺设于加工平台上的材料粉末的厚度为0.01mm～0.12mm；优选的，所述材料粉末的颗粒直径在20～120μm左右。

8.如权利要求1所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤c中，在各子零件接合之前，对各子零件接口处进行打磨，降低其粗糙度，并减少尺寸以至少抵消一部分因接口固化时产生的尺寸变化。

9.如权利要求1至8任一项所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤c中，将含有环氧树脂、EP固化剂、无水酒精按重量份0.5～1.5：0.5～1.5：1～2比例、优选1：1：1～2比例的配置的固化喷涂溶液，喷涂到各子零件接口位置后，将接口对应相接合，并通过预定的不高于100℃的低温加热以固化所述喷涂溶液，所述低温优选为60至90℃，更优选为75℃。

10.如权利要求1至8任一项所述的3D打印制造方法，其特征在于,步骤b中，所述加工成型是采用熔融堆积技术(FDM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形(LENS)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属粉末烧结(DMLS)、三维印刷(3DP)中的任一种增材制造方法。