CN106682299A - 一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法，先依据铸造零件外形特征设计出带浇注系统三维模型，将其划分为用于数值仿真的有限元网格，对有限元网格进行流固耦合及热应力计算，得到砂型在充型及凝固过程的应力分布，根据砂型材料强度准则转化为等效应力，得到砂型的强度要求分布；再考虑烧结效率，从工艺参数库中提取满足要求的工艺参数，并划分采用不同工艺参数的区域；然后对划分区域后的砂型模型进行切片，生成分区域变工艺参数的扫描策略；最后将分区域变工艺参数的扫描策略导入激光选区烧结设备中进行分层烧结制造，最终得到具有分区域强度的砂型，本发明提高了激光烧结工艺制造砂型的效率以及砂型对铸造过程的适应性。

Description

一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法

技术领域

本发明涉及选择性激光烧结技术领域，尤其涉及一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法。

背景技术

激光选区烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)，是一种利用激光加热粉末烧结成型的增材制造技术。激光选区烧结工艺实验表明，工艺参数(激光功率，扫描间距等)对烧结制件的强度、制造效率、尺寸精度等性能指标有直接影响。事实上，各种性能指标之间相互制约，不能都达到最佳性能。为此，如何选择选择最优的工艺参数是激光烧结领域的关注热点。

目前，激光选区烧结设备大多采用固定的工艺参数。此工艺参数是针对一般砂型制造时各项指标之间的相互平衡，是统计意义上的最佳参数配比，未考虑特定砂型在实际工作过程中的强度要求。也就是说，所选用的工艺参数对于特定砂型没有很好的适应性。

激光选区烧结砂型的工作受力发生在是金属液充型及凝固过程中。在充型过程中，砂型受到非均匀且时变的金属液压力和冲击力。在凝固过程中，由于砂型和铸件的温度变化不均匀及热胀系数不同，砂型还受到不均匀的热应力作用。受力的不均匀及砂型复杂外形导致了砂型各区域的强度要求有较大差异。

考虑到砂型各区域强度要求不同的事实，固定的工艺参数也未发挥出激光选区烧结工艺的优势，因为某些工艺参数在烧结过程中可以改变。另一方面，砂型强度要求是连续变化的，但连续变化的烧结工艺参数使扫描轨迹划分更加复杂，不易实现，而且也并不意味有好的性能和效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法，采用虚拟铸造技术，获得具有非均匀强度、对铸造过程有适应性的砂型。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法，包括以下步骤：

1)依据铸造零件外形特征，设计出带有浇冒口的浇注系统三维模型；

2)将浇注系统三维模型划分为有限元网格，用于数值仿真；对有限元网格进行流固耦合及热应力计算，得到砂型在充型及凝固冷却过程中的应力分布；

3)根据砂型材料的强度准则将步骤2)得到的应力转化为等效应力，得到砂型的强度要求分布；

4)考虑砂型的强度要求分布及烧结效率，从工艺参数库中提取满足要求的工艺参数，并划分采用不同工艺参数的区域；

5)对划分区域后的砂型模型进行切片，生成分区域变工艺参数的扫描策略；

6)将步骤5)中的分区域变工艺参数的扫描策略导入激光选区烧结设备中进行分层烧结制造，最终得到具有分区域强度的砂型。

所述的步骤4)在工艺参数库选择工艺参数的准则是先满足砂型的强度要求，再考虑烧结效率，当强度要求高时，采用损失局部区域的透气性和发气量，以避免浇注失败。

本发明的优点：

本发明通过虚拟铸造技术获取砂型强度需求，结合激光烧结工艺参数对烧结制件强度的控制作用，完成砂型的分区域强度设计，采用变工艺参数分区域烧结技术后，提高了激光烧结工艺对各种砂型的适应性。其具体优势在于：①在保证砂型基本性能的前提下，可通过更加合理地制定激光选区烧结策略，提高烧结效率；②预知了砂型应力集中区域，可改进砂型设计；③发挥激光选区烧结技术的优势，使工艺参数的选择更有目的性，提升了工艺潜力。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明的砂型分区域信息表示形式。

图3是本发明的砂型分区域后切片截面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明，但发明的实际应用并不仅限于下述的实施例。

参照图1，一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法，包括以下步骤：

1)依据铸造零件外形特征，设计出带有浇冒口的浇注系统三维模型；

2)将浇注系统三维模型划分成有限元模型，用于数值仿真；

2.1)将铸件及砂型交界面生成一致性网格，并额外生成交界面的表面单元，网格主体为四面体网格，交界面设置为膨胀层，其单元类型选为三棱柱单元，用以提高流场精度及耦合面负载传递精度，仿真结果表明强度要求高的区域出现在砂型耦合面及外侧面，为保证砂型外侧面的应力场精度，外表面也设置为膨胀层，单元类型为三棱柱单元；

2.2)结合ANSYS与Procast完成充型过程的单向流固耦合分析，首先需利用Procast完成充型过程中的流场分析，导入步骤2)中的浇注系统三维模型有限元网格，设置材料属性及边界条件，对铸造的充型过程进行模拟，获得不同时刻的铸件及砂型交界面的节点压力和速度分布，并导出为标准接口文件；

2.3)将有限元网格去除流体区域，保留分离出固体区域(砂型)和交界面的表面单元，将砂型网格导入有限元分析软件，其中固体区域单元设置为solid185，表面单元设置为surf154，并设置重力及位移边界条件；

2.4)一致性网格可以对流体及固体耦合面的节点进行一对一的匹配，并将耦合面的节点与其对应的流体区域膨胀层三棱柱单元侧棱边上的节点进行匹配，即在耦合面法向上与该节点最近的流体内部节点，以下统称为匹配节点；

2.5)再利用交界面(耦合面)的节点压力和速度分布生成耦合面载荷，其中，节点压力对固体耦合面产生正压力，同时由于流体的粘性作用，节点速度梯度将在固体耦合面产生切应力，该切应力由牛顿粘性公式计算得到，其中为剪切变形速率，可由匹配节点计算得出，μ是金属液动力粘度，节点正压力和切应力的合力就是在该点处流体对固体的作用力；

2.6)耦合面由一系列表面效应单元surf154组成，根据耦合面节点总压力，表面单元上的全部节点总压力的均值作为该表面单元的压力载荷的大小，当表面单元划分不够细致或对精度要求比较高时，可以利用等参元法对表面单元的压力进行插值积分，将表面压力转化为节点作用力，即将载荷施加在耦合面节点上；

2.7)重复得到不同时刻下的耦合面载荷，生成一系列载荷文件，据此，对砂型进行瞬态分析，得到砂型在充型过程中的应力分布；

2.8)针对铸件凝固过程，需对铸件和砂型进行热固耦合分析，在铸造仿真商业软件，导入浇筑系统有限元网格，设置材料属性及边界条件，对铸造的凝固冷却过程进行热固耦合模拟，得到砂型在凝固过程的应力分布；

3)根据砂型材料的强度准则将步骤2)得到的应力转化为等效应力，得到砂型的强度要求分布；

4)考虑砂型的强度要求分布及烧结效率，从工艺参数库中提取满足要求的工艺参数，并划分采用不同工艺参数的区域；

根据应力分布情况可以为所制造的砂型划分区域，从工艺参数库中选择不同的工艺参数，为获得划分区域的几何数据信息，需利用基于有限元结果的区域划分技术，实施步骤为：

4.1)根据砂型各离散单元的应力状态筛选出采用同一工艺参数的单元集合，筛选原则是单元任一节点的属性值大于阈值，阈值的作用是判定节点所在位置的工艺参数；

4.2)将非四面体划分为四面体单元，由于划分侧面为矩形，划分方法有两种，即两条对角线；为确保划分后侧面之间的邻接关系不被破坏，需要建立统一的划分准则，采取的准则可以是从侧面节点编号最小的节点处划分对角线，节点编号是指整个网格模型的节点编号，而不是单元内部的节点编号，由于节点编号的各异性，采用该准则划分后的四面体单元之间必然相容；

4.3)将划分出区域表示为三角面片构成的封闭域，封闭域的平面构成如图2所示；

4.4)标记可构造等值面的四面体单元，四面体单元有四个节点，当这些节点同时有大于阈值和小于阈值时，说明单元内部可构造等值面；

4.5)寻找图形边界并标记可构造过渡平面的单元，筛选后的单元集所构成的整体，其边界面集可构成多个封闭域，边界面集中便包含有图形边界，图形边界的特征是三角面片上三个节点均大于阈值，这些图形边界可直接添加进最终的三角面片集中，而有另一些三角面片的部分而非全部节点大于阈值，这些面片可生成过渡平面；

4.6)生成等值面及过渡平面，对全部被标记的单元生成棱边元素，当棱边两端中一端大于阈值，一端小于阈值时，通过插值得到等于阈值的棱中点，利用棱边中点构成四面体内的等值面，包含过渡平面的面片亦可以利用棱边中点生成过渡平面；

4.7)将图形边界、等值面、过渡平面放入一个三角面片集，并构建三角面片集的邻接关系，利用邻接关节进行三角面片集的广度遍历，需要一提的是三角面片集中存在非流形，即三角面片的一个边与多于一个的三角面片邻接，总体上看就是一个封闭域与另一个封闭域邻接，为了在遍历面片集时能分隔出多个封闭域，需给定处理非流形时的准则，可采用的判据可以是最大角度判据，其原理是同一封闭域的三角面片沿法向量所构成的角度最大，原因是封闭体内部不出现其他封闭体的三角面片，在三角面片遍历过程中，每当遇到非流形情况便要采用该判据，遍历完成后，就相当于将三角面片分隔为互不连通的面集，即多个封闭域，总面片数过少并且体积小的封闭域是由仿真中的误差产生的，需过滤去除掉；

5)合并最终得到的多个封闭域信息和砂型原始外形信息，并对其进行切片，生成截面轮廓，如图3所示，根据截面轮廓，生成分区域变工艺参数的扫描策略，最简单的变工艺参数扫描策略是在强度要求高的区域，即阴影区域，减小扫描速度，提高砂型的激光烧结程度；

6)将步骤5)中的分区域变工艺参数的扫描策略导入激光选区烧结设备中进行分层烧结制造，最终得到具有分区域强度的砂型，采用变工艺参数后，砂型的成形效率和铸造工艺适用性可得到大幅度提高。

Claims (2)

1.一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)依据铸造零件外形特征，设计出带有浇冒口的浇注系统三维模型；

2)将浇注系统三维模型划分为有限元网格，用于数值仿真；对有限元网格进行流固耦合及热应力计算，得到砂型在充型及凝固冷却过程中的应力分布；

3)根据砂型材料的强度准则将步骤2)得到的应力转化为等效应力，得到砂型的强度要求分布；

4)考虑砂型的强度要求分布及烧结效率，从工艺参数库中提取满足要求的工艺参数，并划分采用不同工艺参数的区域；

5)对划分区域后的砂型模型进行切片，生成分区域变工艺参数的扫描策略；

6)将步骤5)中的分区域变工艺参数的扫描策略导入激光选区烧结设备中进行分层烧结制造，最终得到具有分区域强度的砂型。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光选区烧结砂型分区域变强度的设计制造方法，其特征在于：所述的步骤4)在工艺参数库选择工艺参数的准则是先满足砂型的强度要求，再考虑烧结效率，当强度要求高时，采用损失局部区域的透气性和发气量，以避免浇注失败。