CN108388739B - 一种非匀质仿生结构増材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非匀质仿生结构増材制造方法，属于增材制造技术领域，主要应用在零件制造或者模具修复工作中，实现某些仿生功能特性，增强零件或模具某方面的性能。本发明包括的步骤是：三维模型获取、功能需求确定、仿生结构选择、仿生结构参数建模、有限元分析校验、加工路径规划、加工参数设置、增材制造及性能检测评价九个步骤。本发明在增材制造中采用了仿生结构，为增材制造后的制品增加了优良的仿生功能特性；支持采用非匀质的材料来实现增材制造，扩展了增材制造的应用领域和应用前景。

Description

一种非匀质仿生结构増材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域。特别涉及采用仿生结构和非匀质材料实现仿生功能特性的增材制造方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除及切削加工技术，是一种"自下而上"的制造方法。增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的优势就越显著。增材制造技术作为一种新的加工方式，凭借可以“自由制造”的优势，在许多需要定制的行业得到应用。

自然界生物在亿万年的协同进化中，为满足生存需求而不断适应环境，其结构和功能已经达到近乎完美的程度。以生物体特性为原型，通过模仿生物体梯度结构、多层结构、刚柔交替层叠耦合结构特点，将这些仿生结构应用于零件的制造中，可以为零件带来很多优异的仿生功能特性。

本发明针综合利用仿生结构设计和增材制造技术，设计了一种非匀质仿生结构増材制造方法。能够在增材制造中，使用非匀质材料构建仿生结构，从而使得增材制造的零件具有耐磨、抗冲击、抗疲劳等优秀的功能特性。

发明内容

本发明的目的是通过增材制造的手段，利用非匀质仿生结构，在进行模具或者零件修复的同时，实现某些仿生功能特性，以增强零部件的性能。

本发明包括以下步骤：

1)、获取待加工工件的数字化三维模型，并对其进行规则化前期预处理。

2)、根据工程需求，确定待加工工件所需的功能特性要求及性能约束条件。

3)、以功能特性要求和性能约束条件为目标，确定增材制造过程中所采用的仿生结构的具体形式，并根据待加工工件的基底材料、功能特性要求和性能约束条件选择增材制造过程中采用的非匀质材料。

4)、根据待加工区域的三维模型、仿生结构和性能约束要求，确定仿生结构参数，建立仿生结构参数模型。

5)、采用有限元分析工具对上述采用非匀质仿生结构的增材制造模型进行模拟、分析和校验，如果数值模拟结果能够满足性能约束条件，则进入下一步；否则返回步骤4)，重新设定仿生结构参数。

6)、根据仿生结构要求，对待加工工件的数字化三维模型，进行分单元和分层切片，并获得增材制造的加工路径。

7)、根据材料特性和加工工艺要求，确定增材制造过程中的送粉参数、激光参数、运动参数，建立加工参数建模。

8)、将确定好的加工路径、加工参数输入到增材制造设备中完成增材制造。

步骤1)中所述的规则化前期预处理，包括对待加工区域的三维模型进行挖、切、补的操作，使得待加工区域变得齐整、平滑、顺直，以方便后续工作的进行。

步骤2)中所述的功能特性要求，可以是摩擦磨损性能、抗冲击性能、疲劳性能、减阻性能等仿生功能特性中的任何一种。性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求；

步骤3)中所述的仿生结构包括：纵深方向梯度结构、三明治结构、水平方向刚柔耦合结构、化学/物理非光滑结构等。

步骤4)中所述的仿生结构参数包括：刚柔材料配比、刚柔材料尺寸、表面形貌、层厚度、梯度变化形式、梯度变化规律等。

步骤6)中所述的加工路径是一系列三维点集，这些点集构成了激光头和送粉头在每一个切片层上的运动轨迹。这些运动轨迹是由仿生结构参数确定的。

进一步的，运动轨迹的生成方式可分为一次成型方式和多次成型方式。一次成型方式形成的运动轨迹是一条持续推进的路线，没有回退过程，在运动过程中加工粉末的材质会自动进行切换，以实现非匀质结构。多次成型方式形成的运动轨迹则由多条运动路线组成，多条运动路线之间没有重叠，每条路线中仅采用一种材质的加工粉末进行加工，这种方式通过多次成型来实现非匀质结构。

步骤7)中所述的送粉参数包括：粉末材料、送粉量、送粉孔直径、持续时间；激光参数包括：激光功率、离焦量、光斑直径、出光时间；运动参数包括：运动速度、加速度、运动时长。

进一步的，有相同的时间起点。所有的参数以时间序列为索引，在同一时间点上具有同步性。

步骤8)中所述的增材制造设备可以是激光熔覆加工设备或者是3D打印设备。

进一步的，一种非匀质仿生结构増材制造方法还包括步骤9)，步骤9)包括进行性能检测、评价及后处理。

本发明的有益效果：

1、在增材制造中采用了仿生结构，为增材制造后的制品增加了优良的仿生功能特性。

2、支持采用非匀质的材料来实现增材制造，扩展了增材制造的应用领域和应用前景。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是三明治结构的非匀质仿生结构示意图。

图3是纵深方向梯度结构的非匀质仿生结构示意图。

图4是水平方向刚柔耦合结构的非匀质仿生结构示意图。

图5是化学/物理非光滑结构的非匀质仿生结构示意图。

图6是増材制造路径规划示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的基本思想是在使用增材制造技术对工件进行修复或性能改善的过程中，采用纵深方向梯度结构、三明治结构、水平方向刚柔耦合结构、化学/物理非光滑结构等非匀质仿生结构，使得修复后的工件获得优良的仿生特性。

图1是非匀质仿生结构増材制造方法的流程图，图6是増材制造路径规划示意图。如图1和图6所示，具体包括以下步骤：

1)、获取待加工工件的数字化三维模型，并对其进行规则化前期预处理。

待加工工件数字化三维模型的获取，首先采用光栅扫描设备与近景摄影测量相结合的方式得到工件的外形点云数据，并导入工件的CAD设计模型。而后采用特征点提取和ICP(Iterative Closet Point Algorithm)算法将扫描数据与CAD模型进行对齐。最后将对齐的两组数据进行布尔运算，得到待加工区域的三维模型。

规则化前期预处理，包括对待加工区域的三维模型进行挖、切、补等操作，使得待加工区域变得齐整、平滑、顺直，以方便后续工作的进行。

2)、根据工程需求，确定待加工工件所需的功能特性要求及性能约束条件。

本方法在增材制造过程中通过对加工结构的控制和加工材料的搭配，可以为被加工工件带来一些优秀的仿生功能特性，包括摩擦磨损性能、抗冲击性能、疲劳性能、减阻性能等仿生功能特性中的任何一种。在这一步骤中需要根据工程要求，选择所需的仿生功能。

性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求，例如对于摩擦磨损性能的约束条件是磨损失重值；对于抗冲击性能的约束条件是冲击韧性强度。

3)、以功能特性要求和性能约束条件为目标，确定增材制造过程中所采用的仿生结构的具体形式。并根据待加工工件的基底材料、功能特性要求和性能约束条件选择增材制造过程中采用的非匀质材料。

不同的仿生结构会带来不同的仿生功能特性。在步骤2)中确定了所需的仿生功能特性之后，进一步的选择产生该种功能特性的仿生结构的具体形式。这些功能结构包括：三明治结构、纵深方向梯度结构、水平方向刚柔耦合结构、化学/物理非光滑结构，如图2、图3、图4和图5所示。

对于相同的功能结构，采用不同的材料进行构造，获得的效果和性能也是不同的。因此根据实际工程需求、待加工工件的基地材料、性能要求等指标，进一步的选择构建仿生结构时采用的材料类别。

4)、根据待加工区域的三维模型、仿生结构和性能约束要求，确定仿生结构参数，建立仿生结构参数模型。

仿生结构参数包括：刚柔材料配比、刚柔材料尺寸、表面形貌、层厚度、梯度变化形式、梯度变化规律等。参数值的选择和确定是本方法中的一个重要环节，参数的选择和确定是以三维模型为基础，以符合仿生结构要求为条件，满足性能约束要求为目标；首先通过对实验数据进行拟合，获得参数的初始值，而后再利用多参数迭代优化方法，确定符合仿生结构要求和性能约束条件的结构参数。

5)、采用有限元分析工具对上述采用非匀质仿生结构的增材制造模型进行模拟、分析和校验，如果数值模拟结果能够满足性能约束条件，则进入下一步；否则返回步骤4)，重新设定仿生结构参数。

6)、根据仿生结构要求，对待加工工件的数字化三维模型，进行分单元和分层切片，并获得增材制造的加工路径，如图3所示。

加工路径是一系列三维点集，这些点集构成了激光头和送粉头在每一个切片层上的运动轨迹。这些运动轨迹是由仿生结构参数确定的。

运动轨迹的生成方式可分为一次成型方式和多次成型方式。一次成型方式形成的运动轨迹是一条持续推进的路线，没有回退过程，在运动过程中加工粉末的材质会自动进行切换，以实现非匀质结构。多次成型方式形成的运动轨迹则由多条运动路线组成，多条运动路线之间没有重叠，每条路线中仅采用一种材质的加工粉末进行加工，这种方式通过多次成型来实现非匀质结构。

7)、根据材料特性和加工工艺要求，确定增材制造过程中的送粉参数、激光参数、运动参数，建立加工参数建模。

送粉参数包括：粉末材料、送粉量、送粉直径、持续时间；激光参数包括：激光功率、离焦量、光斑直径、出光时间；运动参数包括：运动速度、加速度、运动时长。

送粉参数、激光参数和运动参数具有时间上的相关性，三者处于同一时间轴之上并且具有相同的时间起点。所有的参数以时间序列为索引，在同一时间点上具有同步性。

8)、将确定好的加工路径、加工参数输入到增材制造设备中完成增材制造。增材制造设备可以是激光熔覆加工设备或者是3D打印设备。

9)、进行性能检测、评价及后处理。必要时可对增材制造后的工件进行性能检测与评价，以及抛光、打磨等必要的后续处理工作。

Claims (4)

1.一种非匀质仿生结构増材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）、获取待加工工件的数字化三维模型，并对其进行规则化前期预处理；

2）、根据工程需求，确定待加工工件所需的功能特性要求及性能约束条件；

3）、以功能特性要求和性能约束条件为目标，确定增材制造过程中所采用的仿生结构的具体形式，并根据待加工工件的基底材料、功能特性要求和性能约束条件选择增材制造过程中采用的非匀质材料；

4）、根据待加工区域的三维模型、仿生结构和性能约束要求，确定仿生结构参数，建立仿生结构参数模型；

5）、采用有限元分析工具对采用非匀质仿生结构的增材制造模型进行模拟、分析和校验，如果数值模拟结果能够满足性能约束条件，则进入下一步；否则返回步骤4），重新设定仿生结构参数；

6）、根据仿生结构要求，对待加工工件的数字化三维模型，进行分单元和分层切片，并获得增材制造的加工路径；

7）、根据材料特性和加工工艺要求，确定增材制造过程中的送粉参数、激光参数、运动参数，建立加工参数建模；

8）、将确定好的加工路径、加工参数输入到增材制造设备中完成增材制造；

步骤1）中所述的规则化前期预处理，包括对待加工区域的三维模型进行挖、切、补的操作，使得待加工区域变得齐整、平滑、顺直，以方便后续工作的进行；

步骤2）中所述的功能特性要求，是摩擦磨损性能、抗冲击性能、疲劳性能、减阻性能的仿生功能特性中的任何一种；性能约束条件则是对功能特性的具体量化要求；

步骤3）中所述的仿生结构包括：纵深方向梯度结构、三明治结构、水平方向刚柔耦合结构、化学/物理非光滑结构；

步骤4）中所述的仿生结构参数包括：刚柔材料配比、刚柔材料尺寸、表面形貌、层厚度、梯度变化形式、梯度变化规律；

步骤6）中所述的加工路径是一系列三维点集，一系列三维点集构成了激光头和送粉头在每一个切片层上的运动轨迹；这些运动轨迹是由仿生结构参数确定的；

步骤7）中所述的送粉参数包括：粉末材料、送粉量、送粉孔直径、持续时间；所述的激光参数包括：激光功率、离焦量、光斑直径、出光时间；所述的运动参数包括：运动速度、加速度、运动时长；

步骤8）中所述的增材制造设备是激光熔覆加工设备或是3D打印设备。

2.根据权利要求1所述的一种非匀质仿生结构増材制造方法，其特征在于：所述的运动轨迹的生成方式可分为一次成型方式和多次成型方式；一次成型方式形成的运动轨迹是一条持续推进的路线，没有回退过程，在运动过程中加工粉末的材质会自动进行切换，以实现非匀质结构；多次成型方式形成的运动轨迹则由多条运动路线组成，多条运动路线之间没有重叠，每条路线中仅采用一种材质的加工粉末进行加工，这种方式通过多次成型来实现非匀质结构。

3.根据权利要求1所述的一种非匀质仿生结构増材制造方法，其特征在于：所述送粉参数、激光参数和运动参数有相同的时间起点；送粉参数、激光参数和运动参数以时间序列为索引，在同一时间点上具有同步性。

4.根据权利要求1所述的一种非匀质仿生结构増材制造方法，其特征在于：还包括步骤9），步骤9）进行性能检测、评价及后处理。

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