CN106041075B - 一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，包括如下步骤：步骤一：建立金属零件整体成形工艺模型；步骤二：整体成形工艺模型拆分；步骤三：确定每个悬空结构成形的支撑基板的固定结构、形状和尺寸；步骤四：按照成形方向，首先成形第一部分模型结构，成形完毕后，通过第一悬空结构对应的固定结构安装固定第一支撑基板；然后继续成形第二部分模型结构，在完成第二部分模型结构成形的同时以第一支撑基板为基准实现了第一悬空结构的成形；最后，按照同样的方法依次完成后续部分的模型结构和悬空结构的成形得到整个金属零件；步骤五：对成形的金属零件进行热处理后去除支撑基板、基材以及零件余量，获得具有悬空结构的全金属增材制造构件。

Description

一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法。

背景技术

目前，增材制造技术(3D打印)作为制造业的一个新兴技术领域，发展迅速，得到国家及各地方政府的大力扶持。基于增材制造技术本身离散+堆叠的制造原理，以及快速近净自由成形的优势，使其备受航空航天，医疗，汽车和模具制造等领域技术人员和广大科研学者的亲睐。

众所周知，大部分航空航天类金属零件都具有复杂的外形表面和内腔结构以满足飞行器轻量化的需求，这就对传统制造技术提出了更高的要求，而传统制造业也因此面临着更多的技术挑战。高能束金属增材制造技术的原理是先在计算机中生成零件的三维CAD实体模型，然后将模型按一定的厚度分层切片，把零件的三维形状数据信息转换为一系列二维平面轮廓信息，随后在数控系统控制下，用高能束熔覆的方法将金属材料按照一定的填充路径在一定的基材上逐点填满给定的二维形状，重复这一过程逐层堆积形成三维实体零件。相比于传统制造技术，其在成形复杂结构金属零部件方面有着显著优势，特别是需要大量去除材料的结构件制造。然而，该技术也有其局限性。由于高能束金属增材制造技术的原理决定了增材制造必须是后一层以前一层为基体进行熔覆，因此在成形倾斜度较大的悬空结构时，会存在前一层对后一层支撑作用不足的问题，从而无法实现较大倾斜度结构的成形。高能束金属增材制造技术在大倾斜度悬空结构成形中的局限将会大大降低该技术制造构件的复杂度，从而限制其在复杂结构件制造方面的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种金属零件悬空结构的高能 束增材制造方法，使增材技术能够用于成形拥有悬空结构的复杂金属构件制造，并保证增材制造的高效、高性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，包括如下步骤：

步骤一：建立金属零件整体成形工艺模型；根据具有悬空结构金属零件结构，确定成形方向，并建立金属零件的整体成形工艺模型；

步骤二：整体成形工艺模型拆分；根据悬空结构的位置和数量，以悬空结构下方作为分割界面，将整体成形工艺模型拆分为多个部分，拆分部分的数量比悬空结构的数量多1；沿加工方向从下往上，每个分割界面上方部分的工艺模型包含一个悬空结构；

步骤三：采用与每个悬空结构下表面保持平行的支撑基板作为每个悬空结构成形的基准，根据悬空结构下方零件的结构限制条件，确定每个悬空结构成形的支撑基板的固定结构、形状和尺寸；每个悬空结构对应的支撑基板固定在前一部分的工艺模型中；

步骤四：零件成形；按照成形方向，首先成形第一部分模型结构，成形完毕后，通过第一悬空结构对应的固定结构安装固定第一支撑基板；然后继续成形第二部分模型结构，在完成第二部分模型结构成形的同时以第一支撑基板为基准实现了第一悬空结构的成形；最后，按照同样的方法依次完成后续部分的模型结构和悬空结构的成形，最终成形完毕整个金属零件；

步骤五：对成形的金属零件进行热处理后去除支撑基板、基材以及零件余量，获得具有悬空结构的全金属增材制造构件。

优选的，步骤一中，所述的悬空结构为金属零件中与加工方向的夹角大于30°的结构；确定加工方向时，保证金属零件能够整体成形的基础上存在最小面积的悬空结构。

优选的，步骤二中，在拆分金属零件的整体工艺模型时，拆分获得的各 部分工艺模型具有同一空间基准。

优选的，步骤三中，支撑基板的固定结构采用在支撑基板位置下方工艺模型上设置的工艺凸台，通过工艺凸台用于支撑和定位支撑基板位置，再利用焊接的方式将支撑基板固定在理论设计位置上。

优选的，步骤三中，支撑基板的固定结构采用在支撑基板位置下方工艺模型中设置工装，通过工装用于支撑和定位支撑基板位置，再利用焊接的方式将支撑基板固定在理论设计位置上。

优选的，所述的高能束采用激光束、电子束或电弧，增材制造过程同步送进的金属材料采用金属粉末或金属丝。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明利用外部辅助手段，在零件悬空结构下部固定成形用的基板，解决了在增材制造过程中因零件处于悬空状态而无法成形的难题，拓宽了增材制造技术在制造复杂金属构件方面的应用范围。为增材制造技术可用于制造带有悬空结构的复杂金属结构件提供了一种技术手段。采用本发明增材制造的具有悬空结构的零件，具有加工余量小，加工效率高等优势，零件性能接近锻件水平。实现了悬空结构的高效、高性能增材制造。

本发明是基于增材制造技术，所以具有制造过程柔性化程度高优点，也适用于不同材料，不同尺寸和不同形状的复杂金属构件的制造。根据增材制造技术原理，由于零件悬空部位的不同，包括位置不同，结构不同，尺寸不同等因素，我们可以根据零件实际悬空结构，在不同部位设置辅助设施，用于固定不同形状和角度的基板，使其不受零件材质，尺寸和结构的影响。

本发明也可实现零件悬空结构的高性能修复和再制造。零件在生产或者使用当中会出现损伤现象，对于损伤部位为悬空结构的金属零件，可采用此方法实现零件悬空结构的高性能修复和再制造。

附图说明

图1为本发明实例1中所述的金属结构件模型示意图。

图2为本发明实例1中所述的零件工艺模型示意图。

图3为本发明实例1中零件拆分示意图。

图4为本发明实例1中支撑基板固定方式示意图。

图5a～图5e为本发明实例1中零件分段成形步骤示意图。

图6为本发明实例1中所述的最终金属结构件示意图。

图7为本发明实例2中支撑基板固定方式原理图。

图8为本发明实例2中所述的金属结构件模型示意图。

图9为本发明实例2中所述的零件工艺模型示意图。

图10为本发明实例2中所述的零件拆分示意图。

图11a～图11e为本发明实例2中零件分段成形步骤示意图。

图中：1零件悬空结构，2基材，3工艺凸台，4激光器，5激光束，6送粉喷嘴，7支撑基板，8工装。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明是用于解决复杂金属构件悬空结构难以采用送料式高能束增材制造技术成形的问题。随着增材制造技术的发展，其应用范围也在不断地扩大，从最初的航空航天领域，逐步延伸到汽车，模具制造，医疗等领域，能够制造的产品也在不断得到丰富。但是对于那些拥有复杂结构的零件，尤其是在航空航天领域，为了能够实现飞行器轻量化的需求，零件产品往往拥有相对复杂的结构。高能束金属增材制造技术必须是后一层以前一层为基体进行熔覆，因此在成形倾斜度较大的悬空结构时，前一层的支撑作用不够，导致难以实现此类结构的成形。本发明为高能束增材制造技术用于制造拥有悬空结构的复杂金属构件提供了一种制造思路和解决方案。

由于增材制造方法有很多，我们不能一一详细说明，本实例中仅以同步送粉激光增材制造技术为代表，选用的基板固定方式是在零件上建立支撑凸台，阐述高能束增材制造技术加悬空固定基板的方法来制造拥有悬空结构的复杂构件。其他同步送料增材制造技术与同步送料激光增材制造技术基本原理类似，这里不再赘述。由于拥有悬空结构的复杂构件很多，且形状各异，在实例中采用的是具有典型代表性的零件，本发明同样适用于其他形状且具有悬空结构的零部件，在这里我们不再对零件的形状和结构作详细赘述。

本发明一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，包括如下步骤：

步骤一：建立整体成形工艺模型。根据具有悬空结构金属零件特点，选取最佳的零件成形方向，并建立零件的整体成形工艺模型；

步骤二：整体成形工艺模型拆分。根据悬空结构的位置，将整体成形工艺模型进行拆分。一般以悬空结构下方作为分割界面，则分割界面上方的工艺模型包含了悬空结构。

步骤三：确定悬空结构成形的支撑基板固定方式、形状和尺寸。根据悬空结构下方零件的结构限制条件，设计支撑基板的固定方式，进而设计出支撑基板的形状和尺寸。通常支撑基板固定在零件悬空结构的下方，并与将成形的零件悬空结构保持平行；

步骤四：制定工艺流程。根据步骤二和三的设计，确定分段成形+支撑基板固定的交替工艺方法，并制定总体工艺流程；

步骤五：成形路径规划。利用剖分软件或直接编程方法分别针对拆分后的工艺模型进行处理，获得各部分工艺模型的成形路径运行代码；

步骤六：零件成形。按照已制定分段成形+支撑基板固定的交替工艺流程，首先成形第一部分模型结构，成形完毕后，安装固定支撑基板，然后继续成形第二部分模型结构，在完成第二部分模型结构成形的同时实现了悬空结构的成形。以此类推，依次完成后续模型结构和悬空结构的成形，并成形 完毕整个零件；

步骤七：对成形件进行热处理。为了调控成形件组织和性能以及消除零件中残余应力，需对成形件进行热处理；

步骤八：去除支撑基板，基材以及零件余量。采用机械加工或其他减材加工方法去除支撑基板，基材以及少量零件余量，获得具有悬空结构的全金属增材制造构件。

其中，高能束包括有激光束，电子束，电弧等热源，增材制造过程同步送进的金属材料包含有金属粉末，金属丝等。

步骤一中，这里定义当零件的某一结构与竖直方向的夹角大于30°时，则称该结构为悬空结构。根据零件的实际结构特点，选取零件的成形方向时，应在保证零件能够整体成形的基础上尽可能减少零件中的悬空结构。建立零件整体工艺模型的时候要留有适当的加工余量。

步骤二中，在拆分金属零件的整体工艺模型时，拆分获得的各部分工艺模型必须具有同一空间基准，以确保成形的各部分之间不出现错位和偏转。

步骤三中，根据零件的悬空结构的限制条件确定支撑基板的固定方式，设计基板的形状和尺寸。基板的固定方式、形状设计、尺寸大小是在保证能够成形零件的基础上，本着最便捷，最节约材料，最经济的原则选取。比如可以在基板位置下方工艺模型上设计工艺凸台用于支撑和定位基板位置，再利用焊接的方式将其固定在理论设计位置上。也可以利用工装夹具将基板安装在设计位置，悬空结构成形完毕后，拆除工装夹具。

在根据零件的悬空结构的限制条件设计基板的形状和尺寸时，因不同零件具有的悬空结构不同，所以所选基板的形状和尺寸也不尽相同，在保证零件能够成形的基础上，基板的形状与尺寸应尽可能便于固定，成本更低，成形效果更好。

步骤五中，成形路径的规划应该确保零件在成形过程中均匀平整、形状 尺寸符合设计要求、具有良好的冶金质量。

如图1所示，为带有两层零件悬空结构1的复杂构件。本实例中我们将会采用图1所示零件详细的阐述本发明的实施过程，而本发明也同样适用于采用高能束增材制造技术用于生产其他不同形状、带有悬空结构的零件。而基板的固定方式也不仅仅局限于本实例中选用的在零件上建立工艺凸台。

在采用高能束增材制造技术生产相应的零件时，通常我们会做一些准备工作。以本案例为例，首先我们会利用三维设计软件将零件支撑凸台结构添加到零件工艺模型中，然后会对零件模型进行相应的处理，如增加余量，切分等等，并准备好生产过程中所需要的基板数目等细节性工作，下面以图1所示零件为例，采用两种固定基板的方式详细阐述本发明的实施，具体的操作过程如下。

实例1

采用工艺凸台加焊接的方式固定基板，具体步骤如下：

步骤一：建立整体成形工艺模型。零件结构如图1所示，根据具有悬空结构金属零件特点，选取最佳的零件成形方向，并建立零件的整体成形工艺模型，整体工艺模型中应包含基材的位置及尺寸，如图2所示；

步骤二：整体成形工艺模型拆分。根据悬空结构的位置，将整体成形工艺模型进行拆分。一般以悬空结构下方作为分割界面，则分割界面上方的工艺模型包含了悬空结构，如图3所示；

步骤三：确定悬空结构成形的支撑基板固定方式、基板的形状和尺寸。根据悬空结构下方零件的结构限制条件，设计支撑基板的形状和尺寸，进一步设计用于安放支撑基板的工艺凸台，采用的固定方式确定为：如图4所示，支撑基板放置在工艺凸台上，将支撑基板和周围结构沿缝隙焊接固定在一起，其中焊接方法也包括填料熔覆焊接方法。焊接固定后的支撑基板上表面应在零件悬空结构的下方，并与将成形的零件悬空结构保持平行，且周边 结构不影响后续结构的成形；

步骤四：零件成形。如图5a-5e所示，利用剖分软件分别针对拆分后的工艺模型进行处理，获得各部分工艺模型的成形路径运行代码，按照已制定分段成形加支撑基板固定的交替工艺流程，首先成形第一部分模型结构和工艺凸台，如图5a所示；成形完毕后，采用步骤三所述放置基板和焊接的方式安装固定支撑基板，如图5b所示；然后继续成形第二部分模型结构和相应的工艺凸台，在完成第二部分模型结构成形的同时实现了悬空结构的成形，如图5c所示。以此类推，依次完成后续模型结构和悬空结构的成形，并成形完毕整个零件，如图5d和5e所示；

步骤七：对成形件进行热处理。为了调控成形件组织和性能以及消除零件中残余应力，需对成形件进行热处理；

步骤八：机械加工。采用机械加工的方法去除基材、支撑基板、工艺凸台以及零件余量，获得具有悬空结构的全金属增材制造构件，如图6所示。

实例2

如图8所示零件的小倾角主体结构上有较大倾角的悬空结构，采用工装装夹方式固定基板，具体步骤如下：

步骤一：建立整体成形工艺模型。零件结构如图8所示，根据具有悬空结构金属零件特点，选取最佳的零件成形方向，并建立零件的整体成形工艺模型，整体工艺模型中应包含基材的位置及尺寸，如图9所示；

步骤二：整体成形工艺模型拆分。根据悬空结构的位置，将整体成形工艺模型进行拆分。一般以悬空结构下方作为分割界面，则分割界面上方的工艺模型包含了悬空结构，如图10所示；

步骤三：确定悬空结构成形的支撑基板固定方式、形状和尺寸。根据悬空结构下方零件的结构限制条件，设计支撑基板的形状和尺寸，进一步设计其安放形式，采用的固定方式确定为：将支撑基板装夹在工装之上，并将支 撑基板和工装组合体装夹定位在悬空结构下方预设位置，也可将支撑基板和周围结构沿缝隙焊接或填料熔覆连接在一起，如图7所示。固定后的支撑基板上表面应在零件悬空结构的下方，并与将成形的零件悬空结构保持平行，且周边结构不影响后续结构的成形；

步骤四：零件成形。如图11a到图11e所示，利用剖分软件分别针对拆分后的工艺模型进行处理，获得各部分工艺模型的成形路径运行代码，按照已制定分段成形+支撑基板固定的交替工艺流程，首先成形第一部分模型结构；成形完毕后，按图11b所示位置放置工装8，然后再将支撑基板7装夹在工装8之上，并安装在理论设置位置，也可将基板与周围结构沿缝隙焊接在一起，如图11c所示；然后继续成形第二部分模型结构，如图11d所示；在完成第二部分模型结构成形的同时实现了悬空结构的成形，并拆除工装，如图11e所示。以此类推，可以根据零件的实际情况依次完成后续模型结构和悬空结构的成形；直至成形完毕整个零件；

步骤七：对成形件进行热处理。为了调控成形件组织和性能以及消除零件中残余应力，需对成形件进行热处理；

步骤八：机械加工。采用机械加工的方法去除基材、支撑基板以及零件余量，获得具有悬空结构的全金属增材制造构件，如图8所示。

以上就是采用增材制造技术加悬空固定基板制造带有悬空结构的金属零件的过程。以上过程只是选取具有典型代表性的零件结构进行本发明的阐述。因为金属结构件的形状各异，但是本发明的思想并不受金属构件的形状限制，可以应用于增材制造技术生产具有其他悬空结构的零件。

本发明为高能束增材制造技术用于生产带有悬空结构的复杂结构件提供了一种新的思路和可行的实施方案，拓宽了增材制造技术在航空航天复杂形状、高性能结构件制造领域的应用范围，提高了增材制造技术的适应性。加上增材制造技术较传统工艺技术所具有的优势，坚信本发明在以后的工业工 程中有很大的应用前途和潜力。

Claims (4)

1.一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立金属零件整体成形工艺模型；根据具有悬空结构金属零件结构，确定成形方向，并建立金属零件的整体成形工艺模型；

步骤二：整体成形工艺模型拆分；根据悬空结构的位置和数量，以悬空结构下方作为分割界面，将整体成形工艺模型拆分为多个部分，拆分部分的数量比悬空结构的数量多1；沿加工方向从下往上，每个分割界面上方部分的工艺模型包含一个悬空结构；

步骤三：采用与每个悬空结构下表面保持平行的支撑基板作为每个悬空结构成形的基准，根据悬空结构下方零件的结构限制条件，确定每个悬空结构成形的支撑基板的固定结构、形状和尺寸；每个悬空结构对应的支撑基板固定在前一部分的工艺模型中；其中，支撑基板的固定结构采用在支撑基板位置下方工艺模型上设置的工艺凸台，通过工艺凸台用于支撑和定位支撑基板位置，再利用焊接的方式将支撑基板固定在理论设计位置上；

步骤四：零件成形；按照成形方向，首先成形第一部分模型结构，成形完毕后，通过第一悬空结构对应的固定结构安装固定第一支撑基板；然后继续成形第二部分模型结构，在完成第二部分模型结构成形的同时以第一支撑基板为基准实现了第一悬空结构的成形；最后，按照同样的方法依次完成后续部分的模型结构和悬空结构的成形，最终成形完毕整个金属零件；

步骤五：对成形的金属零件进行热处理后去除支撑基板、基材以及零件余量，获得具有悬空结构的全金属增材制造构件；

步骤一中，所述的悬空结构为金属零件中与加工方向的夹角大于30°的结构；确定加工方向时，保证金属零件能够整体成形的基础上存在最小面积的悬空结构。

2.根据权利要求1所述的一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，其特征在于，步骤二中，在拆分金属零件的整体工艺模型时，拆分获得的各部分工艺模型具有同一空间基准。

3.根据权利要求1所述的一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，其特征在于，步骤三中，支撑基板的固定结构采用在支撑基板位置下方工艺模型中设置工装，通过工装用于支撑和定位支撑基板位置，再利用焊接的方式将支撑基板固定在理论设计位置上。

4.根据权利要求1所述的一种金属零件悬空结构的高能束增材制造方法，其特征在于，所述的高能束采用激光束、电子束或电弧，增材制造过程同步送进的金属材料采用金属粉末或金属丝。