CN108376182B - 一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，其技术要点在于：第一步对中空微桁架结构三维模型进行工艺数模转化及成形性分析，第二步将点阵微单元结构单独分离出，第三步分别对两个三维数据模型进行结构优化，第四步进行余量设计，第五步提取有序排列点阵微单元结构模型，第六步再次保存蒙皮结构和点阵微单元结构三维数据模型的现有位置不变，第七步得到两组增材制造成形工艺程序，第八步将第七步中所得的两组增材制造成形工艺程序调入成形设备，第九步开始中空微桁架结构的增材制造成形，第十步进行去支撑的后续处理；本发明能够显著提高成形过程的稳定性，提高中空微桁架结构成形质量的可靠性。

Description

一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法。
背景技术
随着汽车和飞机等对结构件的性能要求将越来越高，要求许多关键结构件既要保证良好的承载效率，同时又提出了加多功能性需求，因此，较多传统的设计结构已不能满足设计要求，需不断引进新型设计结构。其中，中空微桁架结构便是极具潜力的先进轻质高强多功能结构，受到国内外汽车、航空航天等领域的广泛关注。
微桁架结构内部含有诸多有序排列的微结构单元，该类结构复杂程度高，对传统工艺的加工制造提出了新的挑战，该类结构采用传统工艺制造在工程上难以实现，因此迫切需求集材料－结构－功能一体化设计的先进制造技术。
随着增材制造技术的快速发展，国内外不断利用增材制造技术开始研制该类微桁架结构的成形研制，其中较为常用的为选区熔化成形增材制造技术，该技术可实现复杂型腔、空间点阵及其它异型结构的无模、快速响应制造，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，具有广阔的应用前景。
内部填充点阵微单元结构的中空微桁架结构是一种充分利用选区熔化成形增材制造技术优势的典型应用，但因内部点阵微单元结构的特殊性及加工过程的典型性，在该类中空微桁架结构的成形过程中，内部点阵微单元结构与外部蒙皮结构的连接强度成为该类结构成形研制的关注重点。现有技术中尚无形成体系，对该类结构的研究尚多处于试验研究阶段，实际工程化研制较少。
选区熔化成形增材制造技术是一种近净成形技术，该技术是利用专用增材制造软件将零件三维模型离散成一系列有序的二维层片，利用激光束源或是电子束源依据每层的扫描填充信息，选择性熔化预置金属粉末，直至成形出实体零件的过程。该技术可以制造任意复杂形状的三维实体，成形过程无需模具，可实现结构件的整体化近净成形，其原理如图1和图2所示。
随着增材制造技术的迅速发展，增材制造的零部件结构种类亦越来越多，相对于实体结构增材制造而言，空间微桁架结构的制造仍面临着如下难点和问题：1、经大量试验研究中发现，采用传统的选区熔化增材制造成形工艺进行中空微桁架结构的成形研制时，在扫描路径设计时，扫描填充线在内部点阵微单元结构与外部蒙皮结构连接尖角区域会存在填充不完全的问题，如图2所示，因此在后期成形过程中，不能保证连接区域质量的稳定性；2、在内部微单元结构与外部蒙皮结构连接区域进行束源扫描时，在连接尖角区域极易发生局部应力集中，尤其是在微单元结构与外部蒙皮结构板连接区域，随着成形过程的进行，在此位置处极易出现发生变形开裂现象，从而导致成形连接区域容易产生较多缺陷，甚至导致成形过程的中断。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法。
一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，包括如下步骤，
第一步，按照现有技术中的数据处理方法对中空微桁架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，即确定微桁架结构成形摆放位置和成形摆放角度；
第二步，将中间填充的点阵微单元结构从中空微桁架整体结构中单独分离出，即将中空微桁架整体结构分离为外侧蒙皮结构和有序排列点阵微单元结构的两个三维数据模型；
第三步，保存分离出的蒙皮结构和点阵微单元结构的工艺设计位置不变，分别对两个三维数据模型进行结构优化，确保蒙皮结构和点阵微单元结构完整无误；
第四步，根据蒙皮结构特点及成形经验，对分离出的蒙皮结构进行余量设计；
第五步，提取有序排列点阵微单元结构模型，对与蒙皮结构接触的点阵区域进行加强结合性能结构设计；
第六步，再次保存蒙皮结构和点阵微单元结构三维数据模型的现有位置不变，按照支撑结构设计原则分别对两个三维模型进行支撑结构设计处理；
第七步，分别对蒙皮结构和三维点阵微单元结构进行切片分层、扫描路径设计处理，得到两组增材制造成形工艺程序；
第八步，将第七步中所得的两组增材制造成形工艺程序分别按照保存设计位置调入成形设备；
第九步，浏览每层扫描信息，确认成形扫描程序无误，开始中空微桁架结构的增材制造成形；
第十步，对成形后的微桁架结构进行去支撑的后续处理得到最终中空微桁架结构实物。
进一步地，第一步中的成形摆放角度为最外侧蒙皮结构表面与X轴夹角为20°-45°。
进一步地，第四步中的余量设计为结合成形设备和成形参量，蒙皮型面余量设计为0-0.6mm。
进一步地，第五步中对与蒙皮结构接触的点阵区域进行加强结合性能结构设计，设计过程为，首先，选择与蒙皮结构接的触所有面，对接触面进行深入加长设计，即在保证原设计规格和距离的基础上，使得每个接触点均深入蒙皮结构内部；其次，对深入结构进行加粗和钝化结构设计优化处理，加大与蒙皮结构的接触面积，便于接触区域填充更多扫描线。
进一步地，每个接触点深入蒙皮结构内部的深入尺寸为0.3-0.5mm。
进一步地，对深入结构进行加粗和钝化结构设计优化处理的设计为处理后的尺寸为原尺寸的1.1-1.3倍。
本发明的优点：
1、显著提供了结合区域的成形质量和结构强度；
2、显著提高成形过程的稳定性，提高中空微桁架结构成形质量的可靠性。
附图说明
图1为现有技术中点阵微单元结构扫描线填充不完全的示意图；
图2为图1的局部放大示意图；
图3为本发明的点阵微单元结构与蒙皮结构有接触点区域扫描路径填充线示意图；
图4为图3的局部放大示意图结构示意图；
图5为本发明的中空微桁架结构的结构示意简图；
图6为本发明的点阵微单元结构与蒙皮结构接触所有面的结构示意简图；
图7为本发明的点阵微单元结构深入蒙皮结构的示意简图。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
如图3-7所示，一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，包括如下步骤，第一步，按照现有技术中的数据处理方法对中空微桁架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，即确定微桁架结构成形摆放位置和成形摆放角度，成形摆放角度为最外侧蒙皮结构表面与X轴夹角为20°；第二步，将中间填充的点阵微单元结构从中空微桁架整体结构中单独分离出，即将中空微桁架整体结构分离为外侧蒙皮结构和有序排列点阵微单元结构的两个三维数据模型；第三步，保存分离出的蒙皮结构和点阵微单元结构的工艺设计位置不变，分别对两个三维数据模型进行结构优化，确保蒙皮结构和点阵微单元结构完整无误；第四步，根据蒙皮结构特点及成形经验，对分离出的蒙皮结构进行余量设计，余量设计为结合成形设备和成形参量，蒙皮型面余量设计为0mm；第五步，提取有序排列点阵微单元结构模型，对与蒙皮结构接触的点阵区域进行加强结合性能结构设计；第六步，再次保存蒙皮结构和点阵微单元结构三维数据模型的现有位置不变，按照支撑结构设计原则分别对两个三维模型进行支撑结构设计处理；第七步，分别对蒙皮结构和三维点阵微单元结构进行切片分层、扫描路径设计处理，得到两组增材制造成形工艺程序；第八步，将第七步中所得的两组增材制造成形工艺程序分别按照保存设计位置调入成形设备；第九步，浏览每层扫描信息，确认成形扫描程序无误，开始中空微桁架结构的增材制造成形；第十步，对成形后的微桁架结构进行去支撑的后续处理得到最终中空微桁架结构实物。
实施例2
如图3-7所示，一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，包括如下步骤，第一步，按照现有技术中的数据处理方法对中空微桁架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，即确定微桁架结构成形摆放位置和成形摆放角度，成形摆放角度为最外侧蒙皮结构表面与X轴夹角为45°；第二步，将中间填充的点阵微单元结构从中空微桁架整体结构中单独分离出，即将中空微桁架整体结构分离为外侧蒙皮结构和有序排列点阵微单元结构的两个三维数据模型；第三步，保存分离出的蒙皮结构和点阵微单元结构的工艺设计位置不变，分别对两个三维数据模型进行结构优化，确保蒙皮结构和点阵微单元结构完整无误；第四步，根据蒙皮结构特点及成形经验，对分离出的蒙皮结构进行余量设计，余量设计为结合成形设备和成形参量，蒙皮型面余量设计为0.6mm；第五步，提取有序排列点阵微单元结构模型，对与蒙皮结构接触的点阵区域进行加强结合性能结构设计，该加强结合性能结构设计的设计过程为，首先，选择与蒙皮结构接的触所有面，对接触面进行深入加长设计，即在保证原设计规格和距离的基础上，使得每个接触点均深入蒙皮结构内部，每个接触点深入蒙皮结构内部的深入尺寸为0.3-0.5mm；其次，对深入结构进行加粗和钝化结构设计优化处理，该设计优化处理为处理后的尺寸为原尺寸的1.1-1.3倍，加大与蒙皮结构的接触面积，便于接触区域填充更多扫描线；第六步，再次保存蒙皮结构和点阵微单元结构三维数据模型的现有位置不变，按照支撑结构设计原则分别对两个三维模型进行支撑结构设计处理；第七步，分别对蒙皮结构和三维点阵微单元结构进行切片分层、扫描路径设计处理，得到两组增材制造成形工艺程序，该工艺程序不包含支撑等其他辅助设计结构成形工艺程序；第八步，将第七步中所得的两组增材制造成形工艺程序分别按照保存设计位置调入成形设备；第九步，浏览每层扫描信息，确认成形扫描程序无误，开始中空微桁架结构的增材制造成形；第十步，对成形后的微桁架结构进行去支撑的后续处理得到最终中空微桁架结构实物。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
第一步，按照现有技术中的数据处理方法对中空微桁架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，即确定微桁架结构成形摆放位置和成形摆放角度；
第二步，将中间填充的点阵微单元结构从中空微桁架整体结构中单独分离出，即将中空微桁架整体结构分离为外侧蒙皮结构和有序排列点阵微单元结构的两个三维数据模型；
第三步，保存分离出的蒙皮结构和点阵微单元结构的工艺设计位置不变，分别对两个三维数据模型进行结构优化，确保蒙皮结构和点阵微单元结构完整无误；
第四步，根据蒙皮结构特点及成形经验，对分离出的蒙皮结构进行余量设计；
第五步，提取有序排列点阵微单元结构模型，对与蒙皮结构接触的点阵区域进行加强结合性能结构设计；
第六步，再次保存蒙皮结构和点阵微单元结构三维数据模型的现有位置不变，按照支撑结构设计原则分别对两个三维模型进行支撑结构设计处理；
第七步，分别对蒙皮结构和三维点阵微单元结构进行切片分层、扫描路径设计处理，得到两组增材制造成形工艺程序；
第八步，将第七步中所得的两组增材制造成形工艺程序分别按照保存设计位置调入成形设备；
第九步，浏览每层扫描信息，确认成形扫描程序无误，开始中空微桁架结构的增材制造成形；
第十步，对成形后的微桁架结构进行去支撑的后续处理得到最终中空微桁架结构实物；
其中，所述第五步中对与蒙皮结构接触的点阵区域进行加强结合性能结构设计，设计过程为，首先，选择与蒙皮结构接触的所有面，对接触面进行深入加长设计，即在保证原设计规格和距离的基础上，使得每个接触点均深入蒙皮结构内部；其次，对深入结构进行加粗和钝化结构设计优化处理，加大与蒙皮结构的接触面积，便于接触区域填充更多扫描线。
2.如权利要求1所述的一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，其特征在于：第一步中的成形摆放角度为最外侧蒙皮结构表面与X轴夹角为20°-45°。
3.如权利要求1所述的一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，其特征在于：第四步中的余量设计为结合成形设备和成形参量，蒙皮型面余量设计为0-0.6mm。
4.如权利要求1所述的一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，其特征在于：每个接触点深入蒙皮结构内部的深入尺寸为0.3-0.5mm。
5.如权利要求1所述的一种加强增材制造微单元和蒙皮结构结合性能控制方法，其特征在于：对深入结构进行加粗和钝化结构设计优化处理的设计为处理后的尺寸为原尺寸的1.1-1.3倍。
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