CN104959598A - 一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明其步骤为：(1)建立待加工零件的三维模型，明确零件实际状态下的受力及边界条件；(2)对零件抽壳并进行有限元分析，比较不同壳厚度下的应力状态，确定零件的最佳壳厚；(3)根据零件的结构受力特征对无内部结构金属零件进行模块化拆分；(4)对零件进行力学分析，选择合适的填充单元和填充参数；(5)对无内部结构金属零件进行单元结构填充，并完善零件的拓扑结构；(6)对零件进行有限元分析，确定可靠性，否则重新选择进行步骤(3)；(7)完善零件细微结构及出粉通道，进行有限元校核，确定可靠性，否则重新进行步骤(7)；(8)将重构零件的三维模型转换成STL格式导入到激光烧结设备进行三维金属零件成型。本发明在满足零件力学性能要求的前提下，针对零件不同部位不同的受力特点进行传统零件的减材设计，实现了激光烧结零件的轻量化及快速制造，具有原理简单，操作简便，实用性高等优点。

Description

一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法

技术领域

本发明涉及激光烧结快速成型零件的设计领域，特指一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，适应于激光烧结零件制造工艺的基于受力特征分解并采用结构填充的零件设计快速制造方法。

背景技术

在进行激光烧结快速成型制造机械零件过程中，零件的质量体积对零件的成型时间产生根本性影响。激光烧结能够制造出普通机加方法难以加工的复杂零件结构，材料利用率高。传统的机械零件设计多基于传统的加工工艺方法，零件结构冗余，基于传统机械零件进行激光烧结成型会延长加工时间，增加加工成本，不利于发挥激光烧结快速成型方法的加工优势。

由于机械系统的整体性，零件结构改进将对机械系统整体产生较大影响。目前，国内激光烧结加工制造多采用三维模型—加工评估(支撑结构)—模型改进的模型反馈式的工艺设计流程。在激光烧结的快速打印方面，多简单采用零件整体镂空，添加网状支撑等进行填充。同时目前进行激光烧结快速化制造采用的方法多为打印轻型点阵空心材料或在零件内部填充胞元单元，主要存在下面几个方面的问题：没有对不同零件在不同受力状况下的实际情况进行考虑，另一方面没有考虑零件不同的特征结构，造成零件填充的结构并不是力学要求最合适的结构，会对零件性能产生影响；由于填充单元占用资源较大，很难进行有限元仿真分析实际力学情况，造成加工零件难以进行力学评估；由于打印精度的限制，造成阵列胞元结构缺陷大，结构可靠性降低。总体来看，目前缺乏一个针对激光烧结传统机械零件在实际应用中的零件快速制造方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种在不改变零件外形特征的基础上，制造出轻量化激光烧结零件实现快速打印。本方法原理简单、操作简便、效果显著的用于激光烧结工艺中实现快速打印。

一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，

包括如下步骤：

a、前期准备，建立零件的三维模型、确定零件打印方向和零件边界条件：

通过测绘设备对零件进行逆向反求，通过三维逆向建模软件或三维建模软件进行建模得到零件的三维模型图以及零件边界条件；

b、确定待加工零件最佳抽壳厚度：

将在三维逆向建模软件或三维建模软件中生成的待加工零件确定抽壳厚度的区间，并且确定一个抽壳厚度的递进精度，使得抽壳厚度根据递进精度在抽壳厚度区间内依递进，得到多个不同抽壳厚度零件三维模型；

计算不同抽壳厚度的零件重量值，将不同抽壳厚度的零件三维模型分别导入到有限元分析软件中，并且将步骤a中的零件边界条件添加到模型约束中，用默认网格划分方法并进行有限元分析，得到不同抽壳厚度下的零件的变形位移图和应力分布图，并记录上图中最大应力值和最大变形位移值，在三维逆向建模软件或三维建模软件中记录不同抽壳厚度所对应的零件重量，从而绘出不同抽壳厚度下最大应力σ_i的变化曲线以及重量m_i随抽壳厚度ζ_i的变化曲线，其中i(i＝1、2……)为不同的抽壳厚度下标序号：

计算不同抽壳厚度ζ_i+1下的最大应力变化随零件质量增长率的比值K_i+1

$K_{i+1}=\frac{{\mathrm{\Δ\σ}}_{i+1}}{{\mathrm{\Δm}}_{i+1}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{i+1}-{\mathrm{\σ}}_i}{m_{i+1}-m_i}$

计算K_i+1值变化率

(K_i+1用来区分不同抽壳厚度K值)，

找出ΔK_i+1率最小值所对应的壁厚ζ_i+1，即为最佳壁厚ζ；

c、对零件进行力学分析，选择合适的填充单元：

根据步骤b中最佳壁厚ζ对零件进行抽壳，得到最佳壁厚的零件的三维模型，然后根据零件的工作面受力类型，将零件的三维模型进行模块化分解，使得零件分解后的每个拆分单元受力类型单一，然后根据步骤b中得到的变形位移图和应力分布图得到每个拆分单元的最大区域应力与最大许用应力，通过最大区域应力与最大许用应力的比值得到模块填充率θ，从而得到填充单元比重量，通过拆分单元的工作面受力类型即可由软件自动生成填充单元形状或可以从库文件中提取对应的填充单元形状，根据不同的填充单元形状通过填充单元比重量确定填充单元的支撑壁厚、支撑宽度或支架数目；

d、通过填充单元对拆分单元进行填充，然后将三维模型转换成STL格式导入到激光烧结设备进行三维金属零件成型。

步骤c中，所述填充率θ等于填充单元比重量与单元包络体积重量的比值。

步骤c中，在对零件进行模块化分解时，当拆分单元的填充空间厚度小于2ζ时，该拆分单元不使用填充单元填充。

所述填充单元结构悬空长度不大于2mm-5mm，填充单元内部结构厚度不小于最佳壁厚ζ。

所述测绘设备为激光扫描仪。

所述三维逆向建模软件采用Geomagic，所述三维建模软件采用Solidworks。

所述递进精度为0.3mm～0.5mm。

所述有限元分析软件采用ANSYS WORKBENCH。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明针对不同零件迥异的外形结构、受力情况，提出了一种应用在激光烧结快速制造技术的零件填充方法，该方法基于零件的实际边界条件考虑，在满足零件性能及可靠性要求的条件下得到了零件轻质结构，提出了针对零件不同的力学特点给出零件的柔性设计，避免了由于传统设计中采用单一的镂空填充方法而导致的零件性能不可估、不可靠，满足零件的前期设计可靠性的同时实现了轻量化快速制造；

2、通过给定零件的最佳抽壳厚度，得到了对零件应力影响较大的零件抽壳壁厚的上限，避免了由于壳厚质量的冗余造成零件质量增大、成型时间增长。

3、本发明采用与零件壁厚尺寸相当的填充单元进行填充设计，相对于传统点阵结构填充方法，能够高效地进行有限元分析计算，得到准确可靠的有限元分析结果，便于定量考核零件指标，同时也避免了由于微小点阵结构的成型过程产生的加工缺陷对零件性能的影响。

4、本方法提出基于零件受力特征和特征分解进行填充单元的选型和参数选择的方法，可以自主设计典型力学结构，也可能够通过建立的常见制造填充单元库来实现结构的快速填充，缩短设计周期，原理简单，方法实用。

附图说明

图1是待加工零件模型的立体图1；

图2是待加工零件模型的立体图2；

图3是待加工零件主应力最大应力随壁厚变化曲线；

图4是待加工零件受载变形方向图；

图5是待加工零件受载应力分布图；

图6是待加工零件分解模块拓扑重构剖面图。

图7是表1为待制造零件的基于受力特征分解的模块化结构。

图8是表2为待制造零件的填充单元设计。

图9是表3为待制造零件的基于受力特征分解的模块化结构及减重效果。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，在具体应用实例中的详细步骤如下：

1、前期准备，建立零件的三维模型、确定零件打印方向和零件边界条件；

通过传统测绘或采用激光扫描仪等设备对零件进行逆向反求，通过三维建模软件Solidworks进行建模得到零件的三维模型图，根据零件的工作面的受力方向和受理大小得到零件边界条件，在分析零件边界条件时，采用应变仪等仪器实测零件的受载情况，确定零件的力学条件(如：扭转、压缩、拉伸、弯曲等受力方向及受力大小)，在确定零件打印方向时，首先确保零件在打印方向上的悬空部分零件的外表面悬空结构最少并且支撑结构最好去除，最好能满足零件表面在打印方向上不出现大于135°面，根据本原则，确定本例中代加工零件(如图2)竖直向上作为该零件的成形方向。

2、待加工零件最佳抽壳厚度的拟定：

将在Solidworks中生成的待加工零件确定抽壳厚度的区间，本例中抽壳厚度的区间为0.5mm-2mm，递进精度为0.25mm，从而得到抽壳厚度为0.5mm,0.75mm,1mm,1.5mm,1.75mm,2mm的零件三维模型，将不同抽壳厚度的零件三维模型分别导入到有限元分析软件ANSYS WORKBENCH中，并且将步骤a中的零件边界条件添加到模型约束中，用默认网格划分方法并进行有限元分析，从结果中得到不同抽壳厚度下的零件的变形位移图和应力分布图，并记录上图中最大应力值和最大变形位移值，从而绘出不同抽壳厚度下最大应力的变化曲线以及重量随抽壳厚度的变化曲线，

计算不同壳厚下的零件质量增长速率A、VON MISES最大应力的变化速率B，计算不同厚度下最大应力变化速率B与零件质量增长速率A的比值K，计算K值变化率本例中，抽壳厚度采用0.8mm、1mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm，通过公式计算得到的K值变化率分别为0.616、0.539、0.632、0.391。找出最 小值0.391所对应的壁厚为2mm，即是最大应力减缓随质量增加减缓变化的壁厚得到最佳壁厚ζ取为2mm，即在设计中采用2mm壳结构；

3、对零件进行力学分析，选择合适的填充单元：

根据步骤b中最佳壁厚ζ对零件进行抽壳，得到最佳壁厚的零件的三维模型，然后根据零件的工作面受力类型，将零件的三维模型进行模块化分解，使得零件分解后的每个拆分单元受力类型单一，对零件进行模块化分解时，遵循如下原则：1、根据边界条件、受力特征以及零件的结构特点对金属零件进行分解，模块化分解主要包括以下零件典型机械零件承力结构，包括定位结构，筋板结构，抗弯结构、抗扭结构、抗压结构等类型；2、结合零件外形结构特点进行分解，将其他非典型结构划归典型结构内进行分类。

本例中，可将待加工零件拆分为4个拆分单元，分解结构示意图如图7中表1所示，其中拆分单元示意向上作为成型方向。

然后根据上述变形位移图和应力分布图(如图4和图5所示)确定每个拆分单元的最大区域应力与最大许用应力，从而通过最大区域应力与最大许用应力的比值得到填充率通过填充率θ等于填充单元比重量与实体单元重量的比值得到零件的每个拆分单元的填充单元比重量，计算得到的各拆分单元的填充单元比重量分别为18.7％，56％，28.4％，65.5％。其零件受力特征总结见表1。通过填充单元比重量和表1中的拆分单元填充单元类型，即可以从库文件中提取不同填充单元参数所对应的满足上述填充单元比重量的填充单元，找到填充单元为如图8中表2所示。在对零件进行模块化分解时，如果拆分单元中空厚度小于2倍最佳壁厚ζ时，该拆分单元不使用填充单元填充。

本例中拆分单元抽壳后壁厚小于2倍最佳壁厚，因此该拆分单元3不进行填充。图5所示为零件分析应力分布。根据上述方法，最终拟定的填充单元如图3所示。

4、完成零件的模块化分解结构的拓扑重构；

拆分单元连接面采用0.5个最佳壁厚作为单元合并面壁厚，将不同拆分单元 进行拓扑重构结构，在Solidworks中导入各个分解结构，按照零件的拓扑结构对结构进行拓扑重构，合并形成与代加工拆分单元相同的代加工零件。采用拓扑合并剖面图如图6所示；

5、对步骤4中生成的零件模型进行有限元分析，分析条件同步骤2，根据应力、位移分布调整单元参数，达到应力分布均衡，并满足零件可靠性要求。

6、完善零件细微结构及出粉通道；

对零件填充单元存在应力集中处采用圆弧倒角处理，设置出粉孔，贯通不同模块化分解单元的结构内部。

7、将重构零件的三维模型转换成STL格式导入到激光烧结设备进行三维金属零件成型，对成型零件进行后处理，封闭外部出粉孔。其中图9中表3为加工零件的实际减重效果，实现了基于力学特征下的快速制造。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、前期准备，建立零件的三维模型、确定零件打印方向和零件边界条件：

通过测绘设备对零件进行逆向反求，通过三维逆向建模软件或三维建模软件进行建模得到零件的三维模型图以及零件边界条件；

b、确定待加工零件最佳抽壳厚度：

将在三维逆向建模软件或三维建模软件中生成的待加工零件确定抽壳厚度的区间，并且确定一个抽壳厚度的递进精度，使得抽壳厚度根据递进精度在抽壳厚度区间内依递进，得到多个不同抽壳厚度零件三维模型；

计算不同抽壳厚度的零件重量值，将不同抽壳厚度的零件三维模型分别导入到有限元分析软件中，并且将步骤a中的零件边界条件添加到模型约束中，用默认网格划分方法并进行有限元分析，得到不同抽壳厚度下的零件的变形位移图和应力分布图，并记录上图中最大应力值和最大变形位移值，在三维逆向建模软件或三维建模软件中记录不同抽壳厚度所对应的零件重量，从而绘出不同抽壳厚度下最大应力σ_i的变化曲线以及重量m_i随抽壳厚度ζ_i的变化曲线，其中i(i＝1、2……)为不同的抽壳厚度下标序号：

计算不同抽壳厚度ζ_i+1下的最大应力变化随零件质量增长率的比值K_i+1

$K_{i+1}=\frac{{\mathrm{\Δ\σ}}_{i+1}}{{\mathrm{\Δm}}_{i+1}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{i+1}-{\mathrm{\σ}}_i}{m_{i+1}-m_i}$

计算K_i+1值变化率

(K_i+1用来区分不同抽壳厚度K值)，找出ΔK_i+1率最小值所对应的壁厚ζ_i+1，即为最佳壁厚ζ；

c、对零件进行力学分析，选择合适的填充单元：

根据步骤b中最佳壁厚ζ对零件进行抽壳，得到最佳壁厚的零件的三维模型，然后根据零件的工作面受力类型，将零件的三维模型进行模块化分解，使得零件分解后的每个拆分单元受力类型单一，然后根据步骤b中得到的变形位移图和应力分布图得到每个拆分单元的最大区域应力与最大许用应力，通过最大区域应力与最大许用应力的比值得到模块填充率θ，从而得到填充单元比重量，通过拆分单元的工作面受力类型即可由软件自动生成填充单元形状或可以从库文件中提取对应的填充单元形状，根据不同的填充单元形状通过填充单元比重量确定填充单元的支撑壁厚、支撑宽度或支架数目；

d、通过填充单元对拆分单元进行填充，然后将三维模型转换成STL格式导入到激光烧结设备进行三维金属零件成型。

2.根据权利要求1所述的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：步骤c中，所述填充率θ等于填充单元比重量与单元包络体积重量的比值。

3.根据权利要求2所述的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：步骤c中，在对零件进行模块化分解时，当拆分单元的填充空间厚度小于2ζ时，该拆分单元不使用填充单元填充。

4.根据权利要求3所述的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：所述填充单元结构悬空长度不大于2mm-5mm，填充单元内部结构厚度不小于最佳壁厚ζ。

5.根据权利要求4所述的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：所述测绘设备为激光扫描仪。

6.根据权利要求5所述的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：所述三维逆向建模软件采用Geomagic，所述三维建模软件采用Solidworks。

7.根据权利要求1至6之一所述的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：所述递进精度为0.3mm～0.5mm。

8.根据权利要求7所述的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，其特征在于：所述有限元分析软件采用ANSYS WORKBENCH。