CN106670458A - 分部分逐层制造三维物体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种分部分逐层制造三维物体的方法，能量束根据三维物体的三维CAD模型投射在粉末层上的横截面信息，逐层的在相对应的粉末材料上实施选择性扫描最终获得三维物体，包括如下步骤：将三维物体切分成A部分和B部分，其中A部分的切面面积为S1，B部分的切面面积为S2；通过逐层制造的方法将A倒置制造完成；将制造完成的A部分倒置放置，继续使用粉末层逐层制造的方式，在A部分的切面上实施B部分的制造。本发明能有效避免或减少在制造尤其是金属三维物体过程中悬垂面的产生，提高三维物体的精度。

Description

分部分逐层制造三维物体的方法
技术领域
本发明涉及一种三维物体的制造方法，尤其涉及金属三维物体的制造方法。
背景技术
粉末床增材制造技术是利用能量束在粉末材料的铺送层上有选择性的进行扫描，并通过逐层的扫描固化累加而最终获得三维物体。能量束的扫描位置为待制造的三维物体在该层相对应的横截面部位，该部位所对应的粉末材料在与能量束作用后温度迅速升高，瞬间实现材料熔化并在冷却后实现固化连接，一层扫描完成后在完成的扫描层上继续铺送一层新的粉末，继续根据三维物体在新的粉末层相对应的横截面部位扫描。
选区激光熔化技术是代表性的用于制造金属三维零件的粉末床增材制造技术，越来越多的应用于航天、医疗等领域。尽管选区激光熔化技术原理上可以制造任意复杂形状的金属零件，但实际中仍然存在许多特征面不能很好的完成，包括尖角、特别是悬垂面结构等，悬垂结构使得三维物体局部的形状精度和尺寸精度都不能满足要求，甚至会使整个三维物体报废。对于三维物体悬垂面的加工，现有技术主要是通过添加金属支撑来保证加工过程的稳定，再除去支撑和表面打磨方法保证加工面的精度，或者再通过选区激光熔化技术加工后，再利用机加工的方式来获得悬垂面。但对于某些具有特殊的几何结构的三维物体，如悬垂面位于零件内部或者待制造的三维物体具有精细的结构特征时，使用支撑或者机加工的方式都不合适，为此在使用选区激光熔化技术制造三维物体过程中会尽量避免或减少悬垂面的产生。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种分部分逐层制造三维物体的方法，能有效避免或减少在制造尤其是金属三维物体过程中悬垂面的产生，提高三维物体的精度。
本发明的一种分部分逐层制造三维物体的方法，能量束根据三维物体的三维CAD模型投射在粉末层上的横截面信息，逐层的在相对应的粉末材料上实施选择性扫描最终获得三维物体，其特征在于，包括如下步骤：将三维物体切分成A部分和B部分，其中A部分的切面面积为S1，B部分的切面面积为S2；通过逐层制造的方法将A倒置制造完成；将制造完成的A部分倒置放置，继续使用粉末层逐层制造的方式，在A部分的切面上实施B部分的制造。
进一步的，制造完成的A部分倒置后，使其切面朝上，特征面朝下，并进行装夹定位。
进一步的，A部分装夹定位后，使用粉末材料掩埋至与A部分的切面相平后，继续使用粉末层逐层制造的方式在A部分的切面上实施B部分的制造。
进一步的，A部分的切面面积S1大于等于B部分的切面面积S2。
进一步的，所述的三维物体具有特征结构。
进一步的，所述的特征结构包括悬垂面。
进一步的，A部分具有特征结构。
进一步的，A部分包括悬垂面。
采用该方法制作三维物体尤其是金属三维物体，通过将三维物体的分部分处理，对三维物体的分部分进行位置倒置，避免或者减小了悬垂面的产生，提高了三维物体的制造精度，且该方法能减少直接制造三维物体时所需要的支撑结构，节约了制造过程中的材料和时间，同时也节约了支撑结构后处理所需的时间和人工成本。
附图说明
图1为一种具有悬垂面的三维零件；
图2为图1所示的包括支撑结构的三维零件的剖视图；
图3为图1所示的三维零件的切分示意图；
图4为另一种具有悬垂面的三维零件；
图5为图4所示的三维零件切分后包括特征e在内的上部分；
图6为图4所示的三维零件切分后包括特征d在内的下部分。
具体实施方式
利用粉末材料逐层的制造金属三维物体过程中，经常会出现悬垂面的制造，即分层的切片形成没有自我支撑的悬空部分。一般在切片层厚固定的情况下，悬空部分长度越大，切片与水平面构成的夹角越小，对于三维物体的制造便带来更多不便，制造过程中需要设计支撑将悬垂面固定，使其不翘曲变形。然而支撑结构的制造过程包括去除过程，会给三维物体的制造精度带来影响，尤其是支撑结构设计在特征面时，往往难以满足制造精度的要求。
图1和图2示出的是一个具有悬垂面的三维零件，包括上特征a和下特征b，上特征a和下特征b并非呈一个整体方向的扩大或者缩小，而是存在过渡性变化。以选区激光熔化技术为例，在使用该技术直接制造该三维零件时，不可避免的要在上特征a或者下特征b处设计支撑结构，避免过大的悬垂面对制造精度的影响，如设计在下特征b处，支撑结构的设计为B。三维零件制造完毕后，再通过后处理将支撑结构去除，从而获得三维零件。
但如果将该三维零件切分层A和B上下两部分，如图3所示，在单独使用逐层制造的方式分别的制造A部分和B部分，将不存在悬垂面，因为A部分和B部分都呈一个整体方向的扩大或者缩小，即分层的切片都具有自我支撑的结构。再通过A部分和B部分的结合最终而获得三维物体。
因此许多具有悬垂面的金属三维物体，可采用的一种分部分制造的方法能减小或者避免悬垂面的产生，保证特征结构的精度。如图4示出的是一种更加复杂的三维零件，包括特征d和特征e和中性层C，考虑到其直接制造会产生悬垂面，需要构建支撑结构，因此将其分部分进行处理，仍以选区激光熔化技术为例，采用如下步骤。
1.将图4所示的三维零件的三维CAD模型切分成两部分，得到包括图5所示的特征e在内的上部分和图6所示的包括特征d在内的下部分。
2.利用选区激光熔化技术先将下部分在制造缸体内翻转制造，并加工好用于二次定位的定位孔或定位柱。下部分完成后将其从基板上切割下来，清洗处理干净。之所以翻转制造是避免或者减少直接制造下部分时因悬垂面的产生而需要设计更多的支撑。
3.将处理干净的下部分位置在缸体内重新摆正，采用切分面朝上，特征e朝下的摆放位置，通过定位柱或者定位孔确定三维零件的中心及相对位置，将其在基板上进行装夹定位，避免后续工艺中三维零件的移动造成精度偏差。
4.使用粉末掩埋的方式使得粉末层与切分面相平，继续利用选区激光熔化工艺在已经完成的下部分的基础上，制造包括特征e在内的上部分。
5.将分部完成的三维零件粉末清除，去除夹装，取出并进行相应的后处理，获得最终的三维零件。
值得注意的是，步骤1中该三维零件的切分过程时，中性层C既可以切分在上部分，也可以切分在下部分，或者上部分和下部分两者皆有，只要切分不会引入更多的悬垂面，理论上都是可以行的。考虑到效率和精度等问题，在保证不引入更多的悬垂面的情况下，切分时优选使得其中一部分的切面面积最小。
对于已经切分的三维零件，应优先制造其切面面积更大的部分，因为如果先制造切分面积小的部分，在此基础上再制造切分面积大的部分势必引入更多的悬垂面，没有达到避免或者减少三维零件在制造过程中产生的悬垂面的效果。
对于一些具有特殊结构的三维物体，分部分制造的方法不能完全避免悬垂面的产生，生产者可以根据三维物体的需要进行适当的处理，如果支撑结构不可避免，在分部分制造的基础上可以尽可能的将支撑建造在非特征部位，提高三维零件的期望度。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种分部分逐层制造三维物体的方法，能量束根据三维物体的三维CAD模型投射在粉末层上的横截面信息，逐层的在相对应的粉末材料上实施选择性扫描最终获得三维物体，其特征在于，包括如下步骤：将三维物体切分成A部分和B部分，其中A部分的切面面积为S1，B部分的切面面积为S2；通过逐层制造的方法将A倒置制造完成；将制造完成的A部分倒置放置，继续使用粉末层逐层制造的方式，在A部分的切面上实施B部分的制造。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制造完成的A部分倒置后，使其切面朝上，特征面朝下，并进行装夹定位。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，A部分装夹定位后，使用粉末材料掩埋至与A部分的切面相平后，继续使用粉末层逐层制造的方式在A部分的切面上实施B部分的制造。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，A部分的切面面积S1大于等于B部分的切面面积S2。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述三维物体具有特征结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述特征结构包括悬垂面。
7.根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述A部分具有特征结构。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述A部分包括悬垂面。
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