CN108015282A - 一种基于3d打印技术制造零部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于3D打印技术制造零部件的方法，包括以下步骤：（1）雕刻所述零部件的“木模”；（2）建立所述“木模”的3D模型；（3）对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析；（4）对所述3D模型进行切片处理，获得所述3D模型的逐层截面；（5）打印成型；（6）分离；（7）对材料特性进行分析检测；（8）进行激光熔化测试；（9）进行热处理试验。使用本发明的方法，可以保证零部件的质量和使用寿命，降低制造成本和产品报废率，缩短制造周期，从而以较低的成本满足用户的个性化需求。
Description
技术领域
本发明涉及 3D 打印领域，尤其涉及一种基于3D打印技术制造零部件的方法。
背景技术
在电气设备维护检修作业中，由于存在大量磨损、寿命周期失效或损坏的零部件。由于厂家已不再生产该型号设备，无法提供部件更换和维护，而只能更换整个模块或者导致整套设备待修、提前结束设备使用的问题。同时，还存在紧急需要某种备\配件（如末屏盖、GIS取气口、取油口等），但采购周期长，而无法及时更换或使用的问题。在生产一线，检修人员存在自行创新和设计改进工作器具的需求，若采用传统生产方法，开模铸造，存在批量少，成本高的问题，造成单件或少量设计的工具几乎无法实现。工作人员设计加工零部件缺失科学系统支持，没有优化设计和仿真设计的零部件，性能往往不能完全实现设备运行要求，不能发挥最大的科学生产力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种基于3D打印技术制造零部件的方法，以解决目前通过人工或模具的方式无法满足用户个性化需求的问题，并对打印形成的零部件开展电气性能和机械性能检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于3D打印技术制造零部件的方法，包括以下步骤：
S1：采用“木”质材料将要打印的零部件雕刻成型；
S2：通过3D扫描技术将该“木模”录入建模软件，由建模软件完成3D建模，获得所述零部件的3D模型；
S3：运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析；
S4：将所述 3D 模型进行切片处理，获得所述 3D 模型的逐层截面；
S5：根据所述 3D 模型的逐层截面，利用激光烧结的方法将粉末盒内的粉末进行逐层打印成型，获得所述零部件；
S6：去除所述粉末盒内剩余的粉末并将所述零部件从打印平台上分离；
S7：对所述零部件的材料特性进行分析检测；
S8：对所述零部件进行激光熔化测试；
S9：对所述零部件进行热处理试验。
优选的，所述切片的厚度为0.01mm~0.02mm。
优选的，所述切片的厚度为0.01mm。
优选的，所述零部件为金属，所述粉末为金属合金粉末。
优选的，所述金属合金粉末中添加有微量元素，所述微量元素为钛。
优选的，所述步骤S7的分析检测包括化学分析检测、表面积及孔隙率分析检测、激光粒度分析检测、金相与扫面电镜分析检测、能谱分析检测、热分析检测和流动性能分析检测。
优选的，所述步骤S8具体为：
根据选取的工艺参数，对打印的零部件进行切割处理，得到试样，然后将所述试样进行组织结构与性能实验测试。
优选的，所述步骤S8的测试包括光学金相测试、电镜与能谱测试、 XRD 与热分析检测。
优选的，所述步骤S9具体为：
S91：对所述零部件进行固溶时效处理，并对固溶时效处理后的试样进行金相分析。
S92：对固溶时效处理后的试样进行拉伸实验，检测力学性能，之后对断口进行分析观测，对比未做热处理试样，找出不同点与内在缺陷，寻找最优的热处理工艺温度。
优选的，所述时效为人工时效。
本发明的益处在于：
（1）以较低的成本满足用户的个性化需求，且相比现有技术大大提高了效率。
（2）通过运用有限元技术，保证了零部件的使用寿命，降低制造成本和产品报废率，缩短制造周期。
（3）使用金属合金材料中添加微量元素进行打印，使得零部件材料结晶、合金化方面普遍优于其他材料。
（4）使用多种方法对零部件的电气性能和机械性能进行检测，确保了产品的质量。
附图说明
图1 是本发明实施例制造方法流程图；
图2是本发明实施例运用有限元技术分析的流程图。
具体实施方式
一种基于3D打印技术制造零部件的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：采用“木”质材料将要打印的零部件雕刻成型
S2：通过3D扫描技术将该“木模”录入建模软件，由建模软件完成3D建模，获得所述零部件的3D模型。
具体方法为：采用Unigraphics NX 3D建模软件，进行计算机辅助设计，精密构建零部件的3D模型。
S3：运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析
零部件的3D模型构建后，运用有限元技术，对零部件进行有限元分析。分析类型包括应力分析、疲劳分析，分析的目的是实现减小模型大倾角的曲面，实现零部件预计的使用寿命。应力分析是分析和求解机械零件和构件等物体内各点的应力和应力分布的方法，主要用于确定与机械零件和构件失效有关的危险点的应力集中、应变集中部位的峰值应力和应变。而疲劳分析则是分析在无限多次交变载荷作用下的最大破坏应力。
有限元分析的具体流程如图2所示：首先，初步确定，包括分析类型、单元类型、模型类型；然后，前处理，包括导入几何模型、定义材料属性、划分网格；接着，求解，包括施加约束和载荷、有限元求解；最后，后处理，包括评估结果、输出报告。如果分析结果满足要求，则进行下一步；不满足，则返回，对零部件的3D建模进行优化，之后重新进行有限元分析。
S4：将所述 3D 模型进行切片处理，获得所述 3D 模型的逐层截面。
作为本发明优选的实施方式，可应用 mlab 模块 ( 一个基于 python 的模块，可以制作 3D 图像 ) 对 3D 模型进行切片处理，同时可根据精度需求对每层截面的厚度以及分辨率等进行设置。一般切片的厚度为0.01mm~0.02mm，优选切片的厚度为0.01mm。
S5：根据所述 3D 模型的逐层截面，利用激光烧结的方法将粉末盒内的粉末进行逐层打印成型，获得所述零部件。
本发明通过读取 3D 模型的逐层截面信息，利用激光对打印介质即粉末盒内的粉末进行逐层打印继而将逐层粘合形成一个实物。
由于本发明中的零部件为金属器件。因此，上述粉末盒内的粉末优选为金属合金粉末，即在多种金属材料粉末中添加微量元素组成。通过添加微量元素，就可使相关金属相结构与相变温度发生改变，获得性能更为优良的零部件。本发明中优选的微量元素为钛。因为钛存在 3 种基体组织，也就是α,（α+β）和β，铝是稳定α元素，钼、铌和钒是稳定β元素，这样就使得零部件的材料结晶、合金化方面普遍优于其他的材料。
S6：去除所述粉末盒内剩余的粉末并将所述零部件从打印平台上分离
打印成型后，需要去除剩余的粉末，具体的可利用毛刷等工具扫除剩余的粉末，获得与打印平台一体成型的物体。接着可将打印成型的物体从打印平台上切割下来。
S7：对所述零部件的材料特性进行分析检测
为使得打印出的零部件具有更优秀的电磁场力学性能，本发明采用多种方法对零部件进行测试分析，包括化学分析检测、表面积及孔隙率分析检测、激光粒度分析检测、金相与扫面电镜分析检测、能谱分析检测、热分析检测和流动性能分析检测等，结合内部与外部的实验与测试分析方法，来系统的研究激光选区熔化成形技术 SLM 专用的材料特性。
S8：对所述零部件进行激光熔化测试
选取适当的工艺参数，对打印的零件进行切割处理，获得试样，然后将该试样进行组织结构与性能实验测试。这些测试包括光学金相测试、电镜与能谱测试、 XRD 与热分析检测。
S9：对所述零部件进行热处理试验
通过对成形的零部件进行热处理试验，即进行固溶和时效处理。固溶热处理是将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。而时效处理可分为自然时效和人工时效两种，自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便于其缓缓地发生变形，从而使残余应力消除或减少。而人工时效是将铸件加热到550~650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底。本发明采用的是人工时效方法。同时，对固溶时效热处理后的试样进行金相分析和拉伸实验，检测力学性能，之后对断口进行分析观测，对比未做热处理试样，找出不同点与内在缺陷，寻找最优的热处理工艺制度。
综上所述，本发明基于 3D 打印技术制造零部件的方法，针对不同的部位条件，通过 3D 打印技术打印出最适合该部位的个性化零部件，通过运用有限元技术，保证了零部件的适用性和使用寿命；减少了一线维护工人的操作难度，降低制造成本，缩短制造周期，以较低的成本满足用户的个性化需求；通过在金属合金材料中添加微量元素进行打印，使得零部件的材料结晶、合金化方面普遍优于其他材料；运用多种方法对零部件的电气性能和机械性能进行检测，确保了产品的质量。
Claims (10)
1.一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用“木”质材料将要打印的零部件雕刻成型；
S2：通过3D扫描技术将该“木模”录入建模软件，由建模软件完成3D建模，获得所述零部件的3D模型；
S3：运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析；
S4：将所述 3D 模型进行切片处理，获得所述 3D 模型的逐层截面；
S5：根据所述 3D 模型的逐层截面，利用激光烧结的方法将粉末盒内的粉末进行逐层打印成型，获得所述零部件；
S6：去除所述粉末盒内剩余的粉末并将所述零部件从打印平台上分离；
S7：对所述零部件的材料特性进行分析检测；
S8：对所述零部件进行激光熔化测试；
S9：对所述零部件进行热处理试验。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述切片的厚度为0.01mm~0.02mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述切片的厚度为0.01mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述零部件为金属，所述粉末为金属合金粉末。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述金属合金粉末中添加有微量元素，所述微量元素为钛。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述步骤S7的分析检测包括化学分析检测、表面积及孔隙率分析检测、激光粒度分析检测、金相与扫面电镜分析检测、能谱分析检测、热分析检测和流动性能分析检测。
7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述步骤S8具体为：
根据选取的工艺参数，对打印的零部件进行切割处理，得到试样，然后将所述试样进行组织结构与性能实验测试。
8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述步骤S8的测试包括光学金相测试、电镜与能谱测试、 XRD 与热分析检测。
9.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述步骤S9具体为：
S91：对所述零部件进行固溶时效处理，并对固溶时效处理后的试样进行金相分析；
S92：对固溶时效处理后的试样进行拉伸实验，检测力学性能，之后对断口进行分析观测，对比未做热处理试样，找出不同点与内在缺陷，寻找最优的热处理工艺温度。
10.根据权利要求9所述的一种基于3D打印技术制造零部件的方法，其特征在于，所述时效为人工时效。
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