CN106925782B - 一种基于仿生功能的lmd激光制造工艺 - Google Patents

一种基于仿生功能的lmd激光制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，具体步骤如下：步骤1，对成型件的实体建模；步骤2，金属覆盖层实体模型转换成STL文件格式；步骤3，金属覆盖层分层算法的制定；步骤4，金属覆盖层扫描路径的规划；步骤5，进行成形试验；本发明的该工艺实现了对LMD过程成型的速度和精度的控制，在保证生产效率的同时，获得高质量的成形件；此外，获得的金属覆盖层是对龟甲进行仿生的构建，具有类似龟甲高强度和轻质量的特点。

Description

一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺
技术领域
本发明属于激光熔化沉积领域，即LMD增材制造工艺，具体为一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺。
背景技术
激光熔化沉积技术（Laser Melting Deposition，LMD）作为增材制造技术的一种，是快速成型技术和激光熔覆技术的有机结合，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。整个LMD 系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。与传统的加工工艺相比，LMD工艺可以大幅度降低材料浪费、简化产品的制造程序、提高新产品开发周期、提高效率并降低成本、适合个性化零件生产等。同时，可以通过LMD对材料的微观结构及力学性能等进行控制和设计。
随着LMD增材制造技术的不断发展和突破，该技术为航空航天、工模具等领域高附加值金属零部件的包覆提供一种高性能、高柔性技术。然而，在不合理的制造工艺下，在LMD过程中极易出现脆性金属间化合物，严重影响金属覆盖层的最终性能。一方面，金属间化合物会消耗基体中有用的合金元素。另一方面，为裂纹提供了形核和长大的有利位置，在残余应力或其他外载应力作用下可为裂纹的形核和生长扩展提供条件。
生物仿真技术作为一种先进制造技术为成形件工艺参数的优化提供了新途径。乌龟是地球上现存的最古老的生物之一，坚硬的外壳给予了乌龟优异的被动防御能力，在大自然的优胜劣汰中存活至今。而乌龟壳坚固性的研究长期以来一直被国内外学者所重视。乌龟背部呈拱形结构，跨度很大，这种近似半球形面的蜂窝状多边形结构，能够提供最佳的抵抗外压力的能力。
因此，将LMD激光制造工艺应用于龟甲的仿真，在比较薄覆盖层的基础上，提高性能、抵抗外压力，同时保持成型的速度以及精度一直是本领域技术人员待解决的技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，是基于对龟甲结构进行研究，制作成本较低，能够在金属表面以较薄的覆盖层和较少的材料增加量来获得较高强度。
本发明是这样实现的，一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，对成型件的实体建模；
步骤2，金属覆盖层实体模型转换成STL文件格式；
步骤3，金属覆盖层分层算法的制定；
步骤4，金属覆盖层扫描路径的规划；
步骤5，进行成形试验。
进一步，所述的步骤1包括：将粉末均匀分散成环型再汇聚送入聚焦的激光光束，熔化后落入熔覆层，而且粉末流与激光束同轴耦合输出，后利用三维CAD软件对龟甲结构进行实体建模。
进一步，所述的沉积粉末是铝合金或钛合金的球形粉末，其颗粒直径大于等于50μm且小于等于150μm。
进一步，所述的步骤3包括：
3.1，读取STL文件；
3.2，确定分层方向；
3.3，确定分层厚度的最大最小值；
3.4，确定最大残余高度；
3.5，确定层厚：
设在STL模型表面A点处的层厚为ha，最大残余高度为Cmax，A点处的法矢量为P（Px，Py，Pz），则在A点处的层厚为：ha＝Cmax/Pz，其中Pz≠0；ha的取值范围为[hmin，hmax]；
如果ha<hmin，则ha=hmin；
如果ha>hmax，则ha=hmax；
3.6，生成截面轮廓线：
根据层厚，找到一个与下一层切平面相交的三角面片F0{A,B,C}，求得相交的两个交点，根据拓扑关系找到与三角面片F0相邻的三角面片F1，并求得下一个交点，依次遍历该层所有相交三角面片直至到达第一个三角面片F0结束，得到该层切片的轮廓线。
进一步，所述的步骤4具体为：提取轮廓线与扫描线的交点、采用S形扫描法对交点进行排序、对轮廓线进行填充。
进一步，所述的步骤5具体为：反射镜将激光聚集转换成与金属粉末和保护气体同轴，三者同时由喷嘴输出，激光束将基体加热成熔池，金属粉末喷射到熔池里，保护气体隔离熔池与空气，金属粉末熔覆堆积形成成形件。
进一步，所述的金属覆盖层的工艺参数：激光功率为1500～3500W；扫描速度为3～8mm/s；运载气体和保护气体均为氮气，气体流量分别为300l/h和250l/h；送粉速率为0.6～1.4g/min，分层厚度为0.4～1.3mm，扫描间距为1.6～3mm。
本发明与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1) 本发明的成形件是对龟甲进行仿生，具有高强度的特点，仿生的龟甲结构呈拱形状，跨度很大，能够提供最佳的抵抗外压力的能力；
(2) 节省原材料，龟甲结构属于蜂窝状六边形结构，且采用中间较薄，节点处较厚的结构，相对于一般结构来说，成本较低，获得的金属覆盖层是对龟甲进行仿生的构建，具有类似龟甲高强度和轻质量的特点。
(3) 本发明的工艺能够提高生产效率和生产质量，特定的分层算法不需要多次试切，可以计算出下层的分层厚度，简化了计算，控制了成型的速度和精度，该工艺实现了对LMD过程成型的速度和精度的控制，在保证生产效率的同时，获得高质量的成形件。
附图说明
图1是本发明一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺的工艺流程示意图；
图2为本发明一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺的STL文件的分层流程图；
图3为本发明一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺的路径规划流程图；
图4是本发明一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺的LMD设备示意图；
图5是本发明一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺的成形件结构主视图；
图6是本发明一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺的成形件结构俯视图；
其中，1-激光，2-反射镜，3-金属粉末，4-载气，5-熔池，6-基体。
具体实施方式
本发明提供一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，如图1所示，本发明的具体步骤如下：
（1） 对成型件的实体建模：
本发明金属覆盖层的数模类型为同轴送粉成形的数模类型，将粉末均匀分散成环型再汇聚送入聚焦的激光光束，熔化后落入熔覆层，而且粉末流与激光束同轴耦合输出。采用的沉积粉末是铝合金或钛合金金棒材球磨制得的球形粉末，其颗粒直径在50μm-150μm之间，即大于等于50μm且小于等于150μm。研究具有抗压、耐磨特性的龟甲结构，然后利用三维CAD软件对龟甲似半球形面的蜂窝状多边形结构进行实体建模。采用中间薄，两边厚的特殊结构，能在金属表面获得较高的强度的同时，节省材料，减少制作时间。
（2） 金属覆盖层实体模型的转换：
建模后，将CAD模型保存转换成STL文件格式；这种格式的文件是由大量的三角面片组成的三维模型表面。
（3）金属覆盖层分层算法的制定：
如图2所示，读取由CAD生成的STL文件，确定分层方向、分层厚度的最小值和最大值以及最大残余高度，将三角面片在分层方向上进行第一层切片，根据层平面轮廓和三角面片计算出层厚，生成截面轮廓线。其中计算层厚的具体步骤为：设在STL模型的三角面片在分层方向上的最大和最小坐标值分别为Zmax和Zmin，最大残余高度为Cmax，假设在表面A点处的层厚为ha，A点处的法矢量为P（Px，Py，Pz），则在A点处的层厚为：ha＝Cmax/Pz；其中Pz≠0。ha的取值范围为[hmin，hmax]，如果ha<hmin，则ha=hmin；如果ha>hmax，则ha=hmax。
生成截面轮廓线的具体步骤为：根据层厚，找到一个与下一层切平面相交的三角面片F0{A，B，C}，求得相交的两个交点，根据拓扑关系找到与三角面片F0相邻的三角面片F1，并求得下一个交点，依次遍历该层所有相交三角面片直至到达第一个三角面片F0结束，得到该层切片的轮廓线。
（4）金属覆盖层扫描路径的规划：
如图3所示，提取轮廓线与扫描线的交点、采用S形扫描法对交点进行排序、对轮廓线进行填充；确定第一条扫描线与轮廓线的交点，生成第一条扫描线，并排序。当所有点都已排序，结束扫描路径的规划；否则，取上一条扫描线终点点间距最小值点作为下一条扫描线的起点，再生出该条扫描线，并对该扫描线上的交点进行排序。另外，针对本发明仿真的龟甲结构为中间厚两边薄的六边形，在中间厚的地方扫描较长时间，实现零件内部应力控制；利用生成的扫描代码，将点数据传递给机器人来控制其运动轨迹；
（5）成形试验：
采用上述扫描生成的扫描代码，将点数据传递给机器人来控制其运动轨迹，在基体表面进行成形试验，成形试验的工艺参数为：
激光功率为2300W，扫描速度为8mm/s，运载气体和保护气体均为氮气，气体流量分别为300l/h和250l/h，送粉速率为1.0g/min，分层厚度为0.6mm，扫描间距为2mm。
如图4所示，成形试验为：反射镜2将激光1聚集转换成与金属粉末3和载气4同轴，三者同时由喷嘴输出，激光束将基体6加热成熔池5，金属粉末3喷射到熔池5里，保护气体隔离熔池5与空气，金属粉末3熔覆堆积形成成形件，最终的成型件如图5~6所示。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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 (5)

1.一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，对成型件的实体建模，所述的成型件为中间薄，两边厚的龟甲结构；
步骤2，金属覆盖层实体模型转换成STL文件格式；
步骤3，金属覆盖层分层算法的制定，具体步骤如下：
3.1，读取STL文件；
3.2，确定分层方向；
3.3，确定分层厚度的最大最小值；
3.4，确定最大残余高度；
3.5，确定层厚：
设在STL模型表面A点处的层厚为ha，最大残余高度为Cmax，A点处的法矢量为P(Px，Py，Pz)，则在A点处的层厚为：ha＝Cmax/Pz，其中Pz≠0；ha的取值范围为[hmin，hmax]；
如果ha<hmin，则ha＝hmin；
如果ha>hmax，则ha＝hmax；
3.6，生成截面轮廓线：
根据层厚，找到一个与下一层切平面相交的三角面片F0{A,B,C}，求得相交的两个交点，根据拓扑关系找到与三角面片F0相邻的三角面片F1，并求得下一个交点，依次遍历该层所有相交三角面片直至到达第一个三角面片F0结束，得到该层切片的轮廓线；
步骤4，金属覆盖层扫描路径的规划：提取轮廓线与扫描线的交点、采用S形扫描法对交点进行排序、对轮廓线进行填充；
步骤5，进行成形试验。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，其特征在于，所述的步骤1具体为：将粉末均匀分散成环型再汇聚送入聚焦的激光光束，熔化后落入熔覆层，而且粉末流与激光束同轴耦合输出，后利用三维CAD软件对龟甲结构进行实体建模。
3.根据权利要求2所述的一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，其特征在于，所述的粉末是铝合金或钛合金的球形粉末，其颗粒直径大于等于50μm且小于等于150μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，其特征在于，所述的步骤5包括：反射镜(2)将激光(1)聚集转换成与金属粉末(3)和载气(4)同轴，三者同时由喷嘴输出，激光束将基体(6)加热成熔池(5)，金属粉末(3)喷射到熔池(5)里，保护气体隔离熔池(5)与空气，金属粉末(3)熔覆堆积形成成形件。
5.根据权利要求1所述的一种基于仿生功能的LMD激光制造工艺，其特征在于，所述的金属覆盖层的工艺参数：激光功率为1500～3500W；扫描速度为3～8mm/s；运载气体和保护气体均为氮气，气体流量分别为300l/h和250l/h；送粉速率为0.6～1.4g/min，分层厚度为0.4～1.3mm，扫描间距为1.6～3mm。
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