CN108372297A - 一种基于粉末床金属微单元结构特定选区熔化成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于粉末床微单元结构特定选区熔化成形方法，在基于粉末床的选区熔化增材制造成熟工艺基础上，针对微单元结构的特点，进行特殊选区熔化增材制造扫描路径设计，采取“内推轮廓扫描线”的扫描填充设计方式，对微单元结构进行切片分层、扫描路径处理；所述“内推轮廓扫描线”的扫描填充设计方式，即根据轮廓线扫描路径方式，在轮廓线内部设定一定距离的扫描间距后，填充与轮廓线相同的扫描路径，以此类推，直至在内部无法再填充扫描线为止。本发明保证了成形过程无变形、内部组织无缺陷，有效提高成形过程的稳定性，提高整体结构件的成形质量，为该类结构在航空航天武器装备等领域的广泛应用奠定技术基础。

Description

一种基于粉末床金属微单元结构特定选区熔化成形方法

技术领域

本发明属于选区熔化增材制造技术领域，涉及一种基于粉末床金属微单元结构特定选区熔化成形方法。

背景技术

在众多复杂结构中，结构内部往往含有较多微小结构单元，以下统称为“微单元结构”，其扫描横截面区域小于1mm×1mm，或是更小，该类结构十分精细，可利用基于粉末床的选区熔化增材制造技术实现该结构的成形研制。

基于粉末床的增材制造技术是一种基于离散堆积成形思想的先进制造技术，无需模具，通过把零件3D模型沿一定方向离散成一系列有序的微米量级薄层，以激光或电子束为热源，根据每层轮廓信息逐层熔化金属粉末，直接制造出任意复杂形状的零件，其原理如图1所示。

利用激光/电子束选区熔化成形技术无模、快速响应的制造技术特点，可实现复杂型腔、空间点阵及其它异型结构成形研制，可大幅减少制造工序、缩短生产周期，尤其在金属复杂结构件的成形方面占有明显优势，可实现材料－结构－功能一体化设计和制造。特别适合曲面型腔、悬空薄壁以及变截面等复杂结构制造，无需数控加工，仅需热处理和表面光整零件即可，在汽车、飞机、航空航天等其它领域具有广阔的应用前景。

随着增材制造技术的快速发展，各种复杂结构的相继大量采用新型设计结构，而许多新型设计结构利用传统技术加工时，制造周期长，更有甚者，面对各种复杂结构件越来越严苛的各项性能要求，许多新型复杂零部件根本无法利用传统工艺加工，因此无法满足结构性能或功能技术要求。

新型设计结构的引入，使得一个结构中通常含有较多复杂设计因素，其中许多设计结构中通常含有许多微单元结构，该类结构单个扫描横截面积较小，在进行激光选区熔化成形时，因结构的典型性，使得该类微单元结构成形质量的可靠性及稳定性成为该类结构研究的重点。其中，比较典型的结构为空间点阵夹芯结构，该结构内部含有较多微小单元，且单个横截扫面积均小于1mm×1mm。

经文献检索分析，国内外对基于粉末床的微单元结构的制备尚无较多研究，尤其是该类微单元结构的成形过程应力变形控制方法文献较少，如何实现基于粉末床微单元结构制备过程中的应力变形控制，最终实现该类结构的工程化研制及应用，成为目前航空航天武器装备研究的研究热点。

近年来，增材制造技术迅速发展，基于粉末床的选区熔化成形工艺更是成为航空航天等领域的研究热点，相对于已日渐成熟的实体结构的增材制造成形，基于粉末床微单元结构的激光/电子束选区熔化成形制造过程，仍面临着如下难点和问题：

经大量试验研究中发现，采用传统的激光选区熔化成形工艺进行微单元结构的成形研制时，在利用现有工艺进行扫描路径设计过程中发现，在微单元结构内部存在扫描填充线缺少或不完整现象，如图2所示，因此无法保证成形过程的稳定性及成形质量的可靠性。本发明就是针对含有该类微单元结构的复杂结构采用基于粉末床的增材制造技术工艺加工时，为保证成形过程无变形、内部组织无缺陷，提高内部结构的成形质量，提出一种针对微单元结构内部扫描路径设计方法，该方法还适用于含有该类微单元结构的其它结构件的增材成形，同时还可用于其它复杂结构的增材制造成形。

发明内容

本发明的目的：本发明是在基于粉末床的选区熔化增材制造成熟工艺基础上，针对微单元典型结构特点，进行特殊选区熔化增材制造扫描路径设计，形成该类微单元结构特定选区熔化成形方法，从而有效提高成形过程的稳定性，提高整体结构件的成形质量，为该类结构在航空航天武器装备等领域的广泛应用奠定技术基础。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于粉末床微单元结构特定选区熔化成形方法，在基于粉末床的选区熔化增材制造成熟工艺基础上，针对微单元结构的特点，进行特殊选区熔化增材制造扫描路径设计，采取“内推轮廓扫描线”的扫描填充设计方式，对微单元结构进行切片分层、扫描路径处理，其具体步骤包括：

（1）按照传统数据处理方法对微单元结构或是含有微单元结构的三维模型进行工艺数模转化及成形性分析，并进行成形方案设计，即确定成形结构的摆放位置、成形摆放角度等；

（2）将所有微单元结构单独分离出来，即将整体结构分离为微单元结构与非微单元结构两个或是更多三维模型；

（3）分别保存分离出的微单元结构与非微单元结构两个或是更多三维模型的工艺设计位置不变，分别对分离后的多个三维数据模型进行结构优化，确保每个三维结构独立且完整无误；

（4）根据多个非微单元结构特点及前期大量成形经验积累，对分离后的非微单元结构进行余量设计；

（5）对微单元结构进行余量设计，对微单元结构与非微单元结构接触区域的搭接区进行余量设计；

（6）再次确认保存分离出的多个三维模型的现有位置不变，按照支撑结构设计原则分别对多个三维模型结构进行支撑设计处理；

（7）按照传统激光选区熔化成形工艺对非微单元结构进行切片分层、扫描路径设计处理，得到两组或多组激光选区熔化成形工艺程序，包含支撑等其他辅助设计结构成形工艺程序；

（8）提取微单元结构，按照“内推轮廓扫描线”的扫描填充设计方式，对微单元结构进行切片分层、扫描路径处理，得到微单元结构的激光选区熔化成形工艺程序，不包含支撑等其他辅助设计结构成形工艺程序；所述“内推轮廓扫描线” 的扫描填充设计方式，即根据轮廓线扫描路径方式，在轮廓线内部设定一定距离的扫描间距后，填充与轮廓线相同的扫描路径，以此类推，直至在内部无法再填充扫描线为止；

（9）将（7）、（8）中所得的所有激光选区熔化成形工艺程序均按照保存设计位置调入成形设备；

（10）浏览每层扫描信息，确认成形扫描程序无误，开始微单元结构或是含有微单元结构的结构件激光选区熔化成形。

本发明的有益效果：1、本发明针对基于粉末床的微单元结构制备，提出了一种针对微单元结构内部扫描路径设计方法，保证了成形过程无变形、内部组织无缺陷；2、针对含有微单元结构的零部件结构提出了“结构分离”成形设计方法，即在成熟的选区熔化成形工艺基础上，将微单元结构从整体结构中单独分离出来，与其它结构同时进行成形；3、针对微单元结构提出了“内推轮廓扫描线”的激光扫描方式，避免了微小结构扫描区域内部填充扫描线不完整的问题，保证了选区熔化成形微单元结构以及含有该类微单元结构的制件的内部质量。

附图说明

图1为基于粉末床的增材制造技术工作原理示意图；

图2为传统激光选区熔化成形工艺扫描时在微单元结构内部存在扫描填充线缺少或不完整现象示意图；

图3为本发明实施例中空间点阵夹芯结构的三维模型示意图；

图4为本发明实施例中按照传统数据处理方法对空间点阵夹芯结构三维模型的成形方案示意图：

图5为本发明实施例中将整体结构分离为点阵结构和蒙皮薄壁板状结构两个三维模型的示意图；

图6为本发明实施例中空间点阵夹芯结构余量设计后三维模型俯视示意图；

图7为本发明实施例中空间点阵夹芯结构余量设计后余量设计后某一层截面信息显示图；

图8为本发明实施例点阵结构中横截面为圆形的单个微单元结构扫描线填充设计示意图；

图9为本发明实施例点阵结构中横截面为方形的单个微单元结构扫描线填充设计示意图；

图10为本发明实施例中整个内部点阵结构“内推轮廓扫描线”扫描路径填充设计示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

空间点阵夹芯结构即为内部含有大量微单元结构的典型应用案例，故本实例以100mm×24mm×50mm的空间点阵夹芯结构为实例，其三维模型图见图3所示，其内部填充结构由微单元结构（即10mm×10mm×10mm的点阵结构）有序阵列而成，外侧为非微单元结构（厚度2mm的蒙皮薄壁板状结构）：

1、按照传统数据处理方法对空间点阵夹芯结构三维模型进行工艺数模转化及成形性分析，并进行成形方案设计，即确定空间点阵夹芯结构成形摆放位置、成形摆放角度（一般与X轴夹角为20°～45°）等成形方案，如图4所示；

2、将中间填充的点阵结构从空间点阵夹芯结构中单独分离出，即将整体结构分离为有序排列的点阵结构和蒙皮薄壁板状结构两个三维模型，如图5所示；

3、保存分离出的点阵结构和蒙皮薄壁板状结构设计位置不变，分别对两个三维数据模型进行结构优化，确保点阵结构和蒙皮薄壁板状结构完整无误；

4、根据薄壁板结构特点及前期大量成形经验积累，对分离出的蒙皮薄壁板状结构进行余量设计，结合成形设备成形参量，一般型面余量设计为0～0.6mm；

5、提取点阵结构模型，对与蒙皮薄壁板结构接触的点阵微单元结构进行余量设计，一般余量设计搭接区尺寸为0.3～0.6mm，如图6、图7所示；

6、再次确认保存分离出的点阵结构与蒙皮薄壁板状结构的设计位置不变，按照支撑结构设计原则分别点阵结构和蒙皮薄壁板状结构进行支撑设计处理；

7、按照传统激光选区熔化成形工艺对蒙皮薄壁板状结构进行切片分层、扫描路径设计处理，得到一组或多组激光选区熔化成形工艺程序，包含支撑等其他辅助设计结构成形工艺程序；

8、提取点阵结构，按照“内推轮廓扫描线”的方式，对点阵结构进行切片分层、扫描路径处理，得到点阵结构的激光选区熔化成形工艺程序，不包含支撑等其他辅助设计结构成形工艺程序；所述“内推轮廓扫描线”的方式，即根据轮廓线扫描路径方式，在轮廓线内部设定一定距离的扫描间距后，填充与轮廓线相同的扫描路径，以此类推，直至在内部无法再填充扫描线为止，如图8、图9、图10所示；

9、将7、8中所得的所有激光选区熔化成形工艺程序均按照保存设计位置调入成形设备；

10、浏览每层扫描信息，确认成形扫描程序无误，开始空间点阵夹芯结构的激光选区熔化成形。

Claims (2)

1.一种基于粉末床微单元结构特定选区熔化成形方法，其特征是，在基于粉末床的选区熔化增材制造成熟工艺基础上，针对微单元结构的特点，进行特殊选区熔化增材制造扫描路径设计，采取“内推轮廓扫描线”的扫描填充设计方式，对微单元结构进行切片分层、扫描路径处理；所述“内推轮廓扫描线”的扫描填充设计方式，即根据轮廓线扫描路径方式，在轮廓线内部设定一定距离的扫描间距后，填充与轮廓线相同的扫描路径，以此类推，直至在内部无法再填充扫描线为止。

2.根据权利要求1所述的基于粉末床微单元结构特定选区熔化成形方法，其特征是，其具体步骤包括：

（1）按照传统数据处理方法对微单元结构或是含有微单元结构的三维模型进行工艺数模转化及成形性分析，并进行成形方案设计，即确定成形结构的摆放位置、成形摆放角度等；

（2）将所有微单元结构单独分离出来，即将整体结构分离为微单元结构与非微单元结构两个或是更多三维模型；

（3）分别保存分离出的微单元结构与非微单元结构两个或是更多三维模型的工艺设计位置不变，分别对分离后的多个三维数据模型进行结构优化，确保每个三维结构独立且完整无误；

（4）根据多个非微单元结构特点及前期大量成形经验积累，对分离后的非微单元结构进行余量设计；

（5）对微单元结构进行余量设计，对微单元结构与非微单元结构接触区域的搭接区进行余量设计；

（6）再次确认保存分离出的多个三维模型的现有位置不变，按照支撑结构设计原则分别对多个三维模型结构进行支撑设计处理；

（7）按照传统激光选区熔化成形工艺对非微单元结构进行切片分层、扫描路径设计处理，得到两组或多组激光选区熔化成形工艺程序，包含支撑等其他辅助设计结构成形工艺程序；

（8）提取微单元结构，按照“内推轮廓扫描线”的扫描填充设计方式，对微单元结构进行切片分层、扫描路径处理，得到微单元结构的激光选区熔化成形工艺程序，不包含支撑等其他辅助设计结构成形工艺程序；

（9）将（7）、（8）中所得的所有激光选区熔化成形工艺程序均按照保存设计位置调入成形设备；

（10）浏览每层扫描信息，确认成形扫描程序无误，开始微单元结构或是含有微单元结构的结构件激光选区熔化成形。