CN105817620B - 一种模型的3d打印免装配制造方法 - Google Patents

一种模型的3d打印免装配制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模型的3D打印免装配制造方法，包括以下步骤：S1：确定所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙；S2：基于所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙，通过增材制造一次性打印出所述模型；S3：清理所述模型的各组件之间的配合间隙内的杂质。本发明的模型的3D打印免装配制造方法，无需后期组装即可快速成型整体模型，大幅度缩短制作模型样件的验证、测试周期。

Description

一种模型的3D打印免装配制造方法
技术领域
本发明涉及模型的加工制造领域，尤其涉及一种模型的3D打印免装配制造方法。
背景技术
传统的模型的制造工艺中，往往需要将装配体各组件分别制造再进行装配，耗费时间长，不能实现模型样件的快速制作。对于需要快速验证并测试模型设计合理性、整体效果的情况来说，传统制造工艺周期的验证、测试阶段较长，相对于快速成型工艺的短周期特性存在明显不足。而产品设计师除了考虑模型的外观造型外，还需要在设计中更多地考虑如何将分散零部件进行加工并在后期合理组装的问题，这也增加了产品设计师考虑其设计可加工性的难度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种模型的3D打印免装配制造方法，无需后期组装即可快速成型整体模型，大幅度缩短制作模型样件的验证、测试周期。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种模型的3D打印免装配制造方法，包括以下步骤：
S1：确定所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙；
S2：基于所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙，通过增材制造一次性打印出所述模型；
S3：清理所述模型的各组件之间的配合间隙内的杂质。
优选地，所述模型的各组件之间的配合方式包括平面配合、柱面配合、球面配合中的一种或者几种的组合。
优选地，所述模型的组件之间的配合方式是平面配合时，其中：所述模型的组件在配合位置的壁厚为d，
当0＜d≤2mm时，所述配合间隙设置为0.4～0.6mm；
当2＜d≤4mm时，所述配合间隙设置为0.8～1.0mm；
当4＜d≤6mm时，所述配合间隙设置为1.0～1.5mm；
当6＜d≤10mm时，所述配合间隙设置为1.5～2.0mm。
优选地，所述模型的组件之间的配合方式是柱面配合时，其中：所述模型的组件在配合位置的壁厚为d，
当0.8＜d≤1.2mm时，所述配合间隙设置为0.3～0.4mm；
当1.2＜d≤4.5mm时，所述配合间隙设置为0.4～0.5mm；
当4.5＜d≤5.5mm时，所述配合间隙设置为0.5～0.6mm。
优选地，所述模型的组件之间的配合方式是球面配合时，所述配合间隙设置为0.5～0.65mm。
优选地，步骤S2的打印包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，在打印之前，使用与待打印材料同种材料的样件进行打印测试，基于差值反馈的方法设定打印的模型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：
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，得到更适合当前打印状态下的光斑补偿值ε'；
(2)材料收缩率补偿值通过n组打印测量值与理论值进行如下计算优化：
r'＝r+Δr
其中，l为理论尺寸，l'为实际尺寸，Δr为实际打印时的补偿值偏差，为偏差均值，r打印预设收缩率补偿值，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'。
优选地，步骤S2的打印包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，步骤S2中，打印时，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80～100℃。
优选地，步骤S2的打印包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，其中每一层铺设于加工平台上的材料粉末的厚度为0.02mm～0.12mm；优选的，所述材料粉末的颗粒直径在20～120μm左右。
优选地，步骤S2中通过增材制造完成所述模型的打印时，还基于在组件的配合位置设置的杂质清理孔，步骤S3中通过所述杂质清理孔对组件的配合位置的配合间隙内的杂质进行清理。
优选地，模型的3D打印免装配制造方法还包括步骤S4：对所述模型进行表面后处理，表面后处理的方式包括喷砂、打磨、上色、喷涂中的至少一种。
优选地，步骤S2中，所述打印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。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：采用本发明方法制作模型，先确定模型各组件之间的配合方式和配合间隙，再在组件的相应配合位置按照确定的配合方式和配合间隙进行设置，通过增材制造(3D打印)来一次性打印模型，并在打印完成后对配合间隙内进行清理，保证模型的各组件之间的正常运转，实现整体模型的一体化免装配加工，无需后期组装即可快速成型整体模型，从而大幅度缩短制作模型样件的验证、测试周期，实现快速高效的前期设计验证及个性化制作。
在优选的方案中，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，在高温下局部融化材料、并逐层堆积，精确控制加工间隙，并且满足任意外形零件的加工，同时针对加工变形导致的尺寸变化进行预先优化，考虑配合间隙的杂质处理，在后处理中使用尽量保持尺寸精度的固化方式，从而制造得到高尺寸精度的免装配的模型。
附图说明
图1是本发明的模型的3D打印免装配制造方法一种实施例的流程图；
图2是实例1的汽车模型的示意图；
图3是实例1的汽车模型的组件之间的配合位置的示意图；
图4是实例2的减速箱模型的示意图；
图5是实例3的管道模型的示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。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。
本发明公开一种模型的3D打印免装配制造方法，包括以下步骤：确定所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙；基于所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙，通过增材制造一次性打印出所述模型；清理所述模型的各组件之间的配合间隙内的杂质。
如图1所示，在本发明的具体实施例中，对于模型的免装配制造方法包括以下一些步骤：
A1：数据模型处理(配合间隙)。
对待制造的模型进行分析，确定模型的各组件之间的配合方式和配合间隙。
模型的各组件之间的配合方式主要包括平面配合、柱面配合、球面配合，及其他复杂的间隙主要是根据上述进行组合得到，故间隙设置中主要考虑以上三种配合方式的间隙数值的确定。
在考虑相对面积的情况下，测试平面配合、柱面配合及球面配合的合理加工间隙；分析加工模型的配合方式，确定其中平面配合、柱面配合及球面配合的情况，修改原始模型、保证合理的加工配合间隙，并依此修改加工模型。
以下分别为三种配合方式的配合间隙确定过程：
(1)平面配合的配合间隙测试：设置设备对应的材料变形收缩率补偿参数，及激光光斑热影响的补偿参数，具体收缩率补偿参数为X 3.40％，Y 3.34％，Z(0)2.44％，Z(300)1.86％，光斑补偿参数Beam offset 0.34mm。如表1所示，其中√表示间隙正常成型。
表1平面配合间隙尺寸表
从表1中可知，壁厚为2mm时最小间隙为0.5mm，壁厚为4mm时最小间隙为1.0mm，壁厚为6mm时最小间隙为1.5mm，壁厚为8mm时最小间隙为2.0mm，壁厚为10mm时最小间隙为2.0mm。
综上，当模型的组件之间的配合方式是平面配合时，其中：模型的组件在配合位置的壁厚为d，当0＜d≤2mm时，配合间隙设置为0.4～0.6mm；当2＜d≤4mm时，配合间隙设置为0.8～1.0mm；当4＜d≤6mm时，配合间隙设置为1.0～1.5mm；当6＜d≤10mm时，配合间隙设置为1.5～2.0mm。
测试模型尺寸根据加工参数，加工尺寸误差在±0.1mm内，较为符合实际情况，可作为实际生产中加工间隙的理论参考；测试模型尺寸误差为±0.2mm时，配合偏差将超出正常范围。
(2)柱面配合的配合间隙测试：设置设备对应的材料变形收缩率补偿参数，及激光光斑热影响的补偿参数，具体收缩率补偿参数为X 3.40％，Y 3.34％，Z(0)2.44％，Z(300)1.86％，光斑补偿参数为Beam offset 0.34mm。如表2所示，其中×表示间隙不正常，√表示间隙正常。
表2柱面配合间隙尺寸表
从表2中可知，对于薄壁形式的轴孔配合件，即壁厚接近1.0mm时，柱面配合间隙设置为0.35mm对于轴孔成型后的正常运动较为保险；对于厚壁形式的轴孔配合件，壁厚接近5.0mm时，柱面配合间隙设置为0.45mm对于轴孔成型后的正常运动较为保险。
综上，当模型的组件之间的配合方式是柱面配合时，其中：模型的组件在配合位置的壁厚为d，当0.8＜d≤1.2mm时，配合间隙设置为0.3～0.4mm对于轴孔成型后的间隙最优；当1.2＜d≤4.5mm时，配合间隙设置为0.4～0.5mm对于轴孔成型后的间隙最优；当4.5＜d≤5.5mm时，配合间隙设置为0.5～0.6mm对于轴孔成型后的间隙最优。
柱面配合时，为了使设置了极限配合尺寸的柱面配合能够正常运转，可以在原始模型上添加辅助转动孔位(例如内六角孔)，便于加工后的外力辅助转动。
(3)球面配合的配合间隙测试：设置设备对应的材料变形收缩率补偿参数，及激光光斑热影响去的补偿参数，具体收缩率补偿参数X 3.40％，Y 3.34％，Z(0)2.44％，Z(300)1.86％，光斑补偿参数为Beam offset 0.34mm。测试得到合理配合间隙为0.5～0.65mm，且间隙中粉末能够顺利清理，保证配合机构的正常运转。
另外，如果模型的组件之间的配合方式为平面配合、柱面配合、球面配合中的至少二者的组合，则相应的配合间隙，设置为组合中的两者或三者的配合所需设置的配合间隙中的最大值。
根据上述各壁厚对应的配合间隙进行设置，使得模型的各组件之间的配合更加顺畅，既不会因为太紧而使得组件之间相对活动不便，也不会因为太松而导致组件之间相对活动不规则。
A2：数据模型处理(杂质清理)。
将模型打印成型后，需对模型的各组件之间的配合间隙进行清理，以清理组件之间的配合位置处在加工过程中残留的杂质，并通过外力(如喷砂、扭转等)方式驱动组件之间的配合位置进行相对运动以清除。
本发明可以采用熔融堆积技术(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对模型进行打印成型，考虑各种不同的加工方式(例如SLS无需制程，SLA及FDM需要设计支撑等情况)，确定模型的各组件之间的配合间隙的杂质清理的方式及位置，便于加工的后期处理。其中，杂质清理方式可采用在柱面位置、平面位置、外球面位置设置清粉孔，或在配合表面设置转动孔位，通过外力驱动组件之间的配合位置转动清理配合间隙中的粉末。
A3：加工方式及参数确定。
根据模型的局部特征及加工方式的特色，确定模型的摆放方式及对应的加工参数(XYZ方向收缩率补偿参数及光斑补偿参数)。在打印之前，使用与待打印材料同种材料的样件进行打印测试，基于差值反馈的加工参数优化方法，设定打印的模型的(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。
XYZ方向收缩率补偿参数的确定方式如下：
材料收缩率补偿值通过n组打印测量值与理论值进行如下计算优化：
r'＝r+Δr
其中，l为理论尺寸，l'为实际尺寸，Δr为实际打印时的补偿值偏差，为偏差均值，r为打印预设收缩率补偿值，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'。
光斑补偿参数的确定方式如下：
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：
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，得到更适合当前打印状态下的光斑补偿值ε'。
A4：加工过程控制。
可经过预热温度优化测试对设备预热温度进行设定，确定打印成型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80～100℃。优选的，针对尼龙粉末材料的设定预热温度为165～173℃。
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模型的一次性打印成型，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。制作模型的材料粉末可以为丙烯腈-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。
A5：模型后处理。
根据数据模型处理(杂质清理)对模型的各组件之间的配合间隙内的杂质进行清理，并对表面进行后处理，如喷砂、打磨、上色、喷涂等。
本发明的模型的3D打印免装配制造方法，可以制作多种模型，如汽车模型、飞机模型、机器人模型、管道模型等任一种非紧密配合的模型。
实例1：
如图2所示，一种汽车模型的3D打印免装配制造方法，其增材制造设备用EOSP110，配套软件为Magics17.1及PSW3.6。(1)根据客户提供的汽车模型，对装配位置进行重新设计，设置柱面配合间隙为0.45mm，平面配合间隙为0.5mm，球面配合间隙为0.55mm，其中汽车模型尺寸为280mm×200mm×80mm。(2)充分考虑加工完成后清粉问题。(3)在Magics中进行切口处理，并确定汽车模型的摆放方式，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0.25mm，收缩率补偿参数为X3.34％、Y3.4％、Z(0)2.4％、Z(300)1.3％。(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汽车模型表面残余粉末。(5)仔细清理装配体模型内相关组件之间的配合位置处的粉末杂质，使其配合机构运转顺畅。如图3所示，汽车模型的局部放大图A、B、C处分别为免装配制作时柱面配合、平面配合、球面配合的实例，通过合理的配合间隙设置，应用3D打印技术完成最终的免装配汽车模型制作。
实例2：
如图4所示，减速箱模型的3D打印免装配制造，具体制造步骤与实例1类似，其中的组件之间的配合方式是柱面配合和平面配合相结合。
实例3：
如图5所示，管道模型的3D打印免装配制造，具体制造步骤与实例1、2类似，其中的组件之间的配合方式是球面配合。
以上内容是结合具体的优选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技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模型的3D打印免装配制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙；
S2：基于所述模型的各组件之间的配合方式和配合间隙，通过增材制造一次性打印出所述模型，所述打印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，且在通过增材制造完成所述模型的打印时，还在组件的配合位置设置杂质清理孔；
S3：通过所述杂质清理孔清理所述模型的各组件之间的配合间隙内的杂质；
其中：所述模型的各组件之间的配合方式包括平面配合、柱面配合、球面配合中的一种或者几种的组合；
所述模型的组件之间的配合方式是平面配合时，其中：所述模型的组件在配合位置的壁厚为d，
当0＜d≤2mm时，所述配合间隙设置为0.4～0.6mm；
当2＜d≤4mm时，所述配合间隙设置为0.8～1.0mm；
当4＜d≤6mm时，所述配合间隙设置为1.0～1.5mm；
当6＜d≤10mm时，所述配合间隙设置为1.5～2.0mm；
所述模型的组件之间的配合方式是柱面配合时，其中：所述模型的组件在配合位置的壁厚为d，
当0.8＜d≤1.2mm时，所述配合间隙设置为0.3～0.4mm；
当1.2＜d≤4.5mm时，所述配合间隙设置为0.4～0.5mm；
当4.5＜d≤5.5mm时，所述配合间隙设置为0.5～0.6mm；
所述模型的组件之间的配合方式是球面配合时，所述配合间隙设置为0.5～0.65mm；
所述模型的各组件之间的配合方式为平面配合、柱面配合、球面配合中的两者或三者的配合时，所述配合间隙选择其中所需设置的配合间隙的最大值。
2.根据权利要求1所述的的3D打印免装配制造方法，其特征在于，步骤S2的打印包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，在打印之前，使用与待打印材料同种材料的样件进行打印测试，基于差值反馈的方法设定打印的模型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：
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，得到更适合当前打印状态下的光斑补偿值ε'；
(2)材料收缩率补偿值通过n组打印测量值与理论值进行如下计算优化：
r'＝r+Δr
其中，l为理论尺寸，l'为实际尺寸，Δr为实际打印时的补偿值偏差，为偏差均值，r为打印预设收缩率补偿值，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'。
3.根据权利要求1所述的的3D打印免装配制造方法，其特征在于，步骤S2的打印包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，步骤S2中，打印时，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。
4.根据权利要求3所述的的3D打印免装配制造方法，其特征在于，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80～100℃。
5.根据权利要求1所述的的3D打印免装配制造方法，其特征在于，步骤S2的打印包括铺粉、烧结、层片融合的循环过程，其中每一层铺设于加工平台上的材料粉末的厚度为0.02mm～0.12mm。
6.根据权利要求5所述的的3D打印免装配制造方法，其特征在于，所述材料粉末的颗粒直径在20～120μm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的3D打印免装配制造方法，其特征在于，还包括步骤S4：对所述模型进行表面后处理，表面后处理的方式包括喷砂、打磨、上色、喷涂中的至少一种。
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