CN108629086B - 一种适用于增材制造零件的应力调整方法 - Google Patents

一种适用于增材制造零件的应力调整方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108629086B
CN108629086B CN201810325510.4A CN201810325510A CN108629086B CN 108629086 B CN108629086 B CN 108629086B CN 201810325510 A CN201810325510 A CN 201810325510A CN 108629086 B CN108629086 B CN 108629086B
Authority
CN
China
Prior art keywords
stress
support
additive manufacturing
supports
deformation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810325510.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108629086A (zh
Inventor
肖中旭
朱海红
程勇
彭刚勇
殷杰
陈昌棚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN201810325510.4A priority Critical patent/CN108629086B/zh
Publication of CN108629086A publication Critical patent/CN108629086A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108629086B publication Critical patent/CN108629086B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Rod-Shaped Construction Members (AREA)

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，其公开了一种适用于增材制造零的应力调整方法，该方法包括以下步骤：(1)对待加工零件进行数值模拟；(2)根据得到的模拟结果，将零件划分为易变形区及易开裂区，并生成相应的支撑；(3)调整支撑的密度后，对形成有支撑后的零件重新进行数值模拟，并根据新的数值模拟结果分析零件的应力分布及变形量大小是否达到加工要求，若是，则转至步骤(4)，且此时的支撑为目标支撑；否则转至步骤(1)；(4)将目标支撑及零件作为一个整体一起进行增材制造，制造完成后去除目标支撑以得到所述零件，同时实现了零件的应力调整。本发明在加工过程中减小应力，避免了加工过程中的开裂，提高了质量，灵活性较高。

Description

一种适用于增材制造零件的应力调整方法
技术领域
本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于增材制造零件的应力调整方法。
背景技术
增材制造技术是最近几十年逐渐发展起来的一项先进制造技术，通过“离散-堆积”加工从而获得三维立体实物，其中激光选区熔化成形技术(Selective laser melting，SLM)近年来备受关注，其利用高能激光束为热源，根据切片信息选择性地逐层熔化粉床，以制造出具有复杂形状的三维零件。相比于传统的加工方法，SLM成形技术无需模具，成形性能好，在高精度复杂零件加工方面具有不可替代的优势。
虽然增材制造技术有很多传统制造技术无法比拟的优势，但是在加工过程中也存在一些本身的技术问题。增材制造成形过程中熔池经历快热快冷过程导致不均匀收缩引起较大的热应力。随着加工过程的进行，热应力会不断累积，但热应力超过材料的屈服强度和抗拉强度时，材料就会发生翘曲、变形、开裂或者零件与基板之间开裂，减小了增材制造成形过程中的应力显得急需解决。
目前，本领域相关技术人员已经做出了一些研究，并提出了一些减小应力和防止开裂的方法，如专利CN106926465A公开了一种控制增材制造应力变形的分段扫描路径生成方法，将打印零件的3D物理模型进行切片后，根据单层的平面数据生成固定倾角或者任意倾角的扫描路径并将该路径分成若干段。所述方法通过零件模型的前处理进行路径规划，通过对路径的分段来实现应力的减小和控制，需要对每一层都进行规划，前处理所需的数据量和工作量较大，并且在尖角等短路径处，该方法不能很好地减小应力集中带来的问题。
又如专利CN105798301A公开了一种双电子束的钛合金增材制造构件应力缓释的方法，通过双电子束在增材制造过程中对相变进行控制，以控制相变来提高构件整体塑性的方式了实现了大尺寸TC4钛合金构件的应力缓释，该方法除了需要用于加工的主光束外，还添加了用于辅助加热的辅电子束。再如专利CN107695520A和专利CN107225244A分别公开了一种双激光束的应力控制方法，不同之处在于用于后处理的辅助激光束分别用于后处理和冲击强化。以上三件专利添加辅助激光束的成本均较高，且控制系统的实现也很复杂。
又如专利CN205200541U公开了一种粉床式电子束增材制造中热应力的控制装置，通过外加热成像摄像机来采集成形腔内的温度数据来及时调整每一层的扫描速度和功率来保证每一层的温度保持均匀从而减小温度不均匀带来的热应力。这种方法除了外置的热成像摄像机外，还要保证拍摄窗口的透明膜不被加工过程中的烟尘污染，因此实现起来成本高且很复杂。
英国谢菲尔德大学的Haider Ali等人(In-situ residual stress reduction，martensitic decomposition and mechanical properties enhancement through hightemperature powder bed pre-heating of Selective Laser Melted Ti6Al4V)采用粉床预热的方式来减小增材制造过程中的应力并取得了较好的效果，但是预热温度高达600度对设备的耐高温性能要求较高，因此实现起来也比较困难。由此可见，目前用于增材制造加工过程中的应力控制方法大都成本较高并且对现有的设备改动较大，实现起来较复杂。相应地，本领域存在着发展一种能够改善增材制造零件的应力的方法的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于增材制造零件的应力调整方法，其基于现有增材制造零件的应力控制方法，研究及设计了一种能改善增材制造零件的应力调整方法。所述应力调整方法通过根据待加工零件的数值模拟结果来选择支撑类型和支撑密度以改变支撑刚度，从而改变支撑对零件的约束作用，减小了零件在增材制造过程中的应力集中问题，有效减小了加工过程中的开裂问题和翘曲变形问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于增材制造零件的应力调整方法，该应力调整方法主要包括以下步骤：
(1)对待加工零件进行数值模拟，以得到所述零件的应力分布云图及变形量分布云图；
(2)根据步骤(1)得到的模拟结果，将所述零件划分为易变形区及易开裂区，并根据得到的所述易变形区及所述易开裂区生成相应的支撑；
(3)调整所述支撑的密度后，对形成有所述支撑后的零件重新进行数值模拟，以得到应力分布云图及变形量分布云图，并根据新的数值模拟结果分析所述零件此时的应力分布及变形量大小是否达到加工要求，若是，则转至步骤(4)，且此时的支撑为目标支撑；否则转至步骤(1)；
(4)将所述目标支撑及所述零件作为一个整体一起进行增材制造，制造完成后去除增材制造得到的所述目标支撑以得到所述零件，同时实现了所述零件的应力调整。
进一步地，所述支撑包括条纹支撑、轮廓支撑及网格支撑。
进一步地，支撑的密度是指支撑之间的间隙和支撑的厚度。
进一步地，支撑的密度为0.1mm～20mm。
进一步地，所述支撑的选用与所述待加工零件的形状特征有关。
进一步地，应力集中处及易开裂处所选用支撑的刚度小于易变形处所选用支撑的刚度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于增材制造零件的应力调整方法主要具有以下有益效果：
1.所述应力调整方法根据数值模拟结果来添加适当的支撑结构以减小应力，与传统的后处理消除应力的方法相比，本发明在加工过程中减小应力，从而有效避免加工过程中的开裂问题，有效提高了质量，灵活性较高；
2.所述应力调整方法不需要对现有设备进行改动，有效的降低了成本和工作量，易于实施，实用性较强；
3.本发明通过合适支撑密度的支撑结构来减小应力，在减小应力和保证尺寸的同时，有效地减小了后续处理的工作量；
4.本发明通过对待加工零件进行数值模拟，然后根据模拟结果来选择支撑类型和设置支撑密度以实现对零件合适的约束，有效地减小了残余应力的大小。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的适用于增材制造零件的应力调整方法的流程示意图。
图2是采用图1中的适用于增材制造零件的应力调整方法生成的支撑及零件的示意图。
图3是采用图1中的适用于增材制造零件的应力调整方法生成的另一个支撑及零件的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一区域，2-第二区域，3-轮廓支撑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明较佳实施方式提供的适用于增材制造零件的应力调整方法，所述应力调整方法主要包括以下步骤：
步骤一，对待加工零件进行数值模拟，以得到所述零件的应力分布云图及变形量分布云图。
步骤二，根据步骤一得到的应力场模拟结果，将所述零件划分为易变形区和易开裂区，并根据得到的所述易变形区及所述易开裂区生成相应的支撑。本实施方式中，所述支撑包括有条纹支撑、轮廓支撑及网格支撑；支撑的密度是指支撑之间的间隙和支撑的厚度，范围为0.1mm～20mm；生成所述支撑时，根据零件的形状特征，在应力集中和易开裂处，采用了刚度较小的支撑来降低应力水平，在易变形的薄壁等结构处，采用了刚度较大的支撑来约束变形。
步骤三，调整所述支撑的密度后，对形成有所述支撑后的零件重新进行数值模拟，以得到应力分布云图及变形量分布云图，并根据数值模拟结果分析所述零件此时的应力分布及变形量大小是否达到加工要求，若是，则转至步骤四，且此时的支撑为目标支撑；否则转至步骤一。
步骤四，将所述目标支撑及所述零件作为一个整体进行增材制造，制造完成后去除增材制造得到的所述目标支撑以得到所述零件，同时实现了所述零件的应力调整。具体地，根据所述目标支撑的三维模型及所述零件的三维模型，将所述目标支撑及所述零件作为一个整体一起进行增材制造，增材制造完成后，去除增材制造得到的所述目标支撑以得到所述零件，这个过程中也实现了所述零件的应力调整。
以下以两个实施例来对本发明提供的适用于增材制造零件的应力调整方法进行进一步的详细说明。
请参阅图2，采用所述的适用于增材制造零件的应力调整方法涉及的零件被分为第一区域1及第二区域2，所述第一区域1为易变形的薄壁，添加支撑时采用刚度较大的网格支撑，且支撑的密度为0.5毫米。采用较大约束可以保证薄壁不产生变形。与此对照地，所述第二区域2为实体部分，其与基板结合处由于应力集中而易开裂，因此可采用刚度较小的条纹支撑和轮廓支撑。同时，所述第二区域2对圆度和尺寸的要求，采用刚度较大的网格支撑，且支撑密度选为1毫米，如此在保证减小应力的同时，保证了所述第二区域2的形状和尺寸要求。请参阅图3，图3所示为轮廓支撑3的实例，为了控制变形，采用轮廓支撑来保证减小应力的同时，使得零件的圆度达到设计要求。
本发明提供的适用于增材制造零件的应力调整方法，所述应力调整方法根据对待加工零件的数值模拟结果来选择支撑类型和支撑密度以改变支撑刚度，从而改变支撑对零件的约束作用，减小了零件在增材制造过程中的应力集中问题，有效减小了加工过程中的开裂问题和翘曲变形问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于增材制造零件的应力调整方法，其特征在于，该应力调整方法包括以下步骤：
(1)对待加工零件进行数值模拟，以得到所述零件的应力分布云图及变形量分布云图；
(2)根据步骤(1)得到的模拟结果，将所述零件划分为易变形区及易开裂区，并根据得到的所述易变形区及所述易开裂区生成相应的支撑；
(3)调整所述支撑的密度后，对形成有所述支撑后的零件重新进行数值模拟，以得到应力分布云图及变形量分布云图，并根据新的数值模拟结果分析所述零件此时的应力分布及变形量大小是否达到加工要求，若是，则转至步骤(4)，且此时的支撑为目标支撑；否则转至步骤(1)；
(4)将所述目标支撑及所述零件作为一个整体一起进行增材制造，制造完成后去除增材制造得到的所述目标支撑以得到所述零件，同时实现了所述零件的应力调整。
2.如权利要求1所述的适用于增材制造零件的应力调整方法，其特征在于：所述支撑包括条纹支撑、轮廓支撑及网格支撑。
3.如权利要求1-2任一项所述的适用于增材制造零件的应力调整方法，其特征在于：支撑的密度是指支撑之间的间隙和支撑的厚度。
4.如权利要求3所述的适用于增材制造零件的应力调整方法，其特征在于：支撑的密度为0.1mm～20mm。
5.如权利要求1-2任一项所述的适用于增材制造零件的应力调整方法，其特征在于：所述支撑的选用与所述待加工零件的形状特征有关。
6.如权利要求5所述的适用于增材制造零件的应力调整方法，其特征在于：应力集中处及易开裂处所选用支撑的刚度小于易变形处所选用支撑的刚度。
CN201810325510.4A 2018-04-12 2018-04-12 一种适用于增材制造零件的应力调整方法 Active CN108629086B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810325510.4A CN108629086B (zh) 2018-04-12 2018-04-12 一种适用于增材制造零件的应力调整方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810325510.4A CN108629086B (zh) 2018-04-12 2018-04-12 一种适用于增材制造零件的应力调整方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108629086A CN108629086A (zh) 2018-10-09
CN108629086B true CN108629086B (zh) 2020-06-02

Family

ID=63705144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810325510.4A Active CN108629086B (zh) 2018-04-12 2018-04-12 一种适用于增材制造零件的应力调整方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108629086B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109513931B (zh) * 2018-11-21 2021-04-27 福州大学 一种增材制造残余热应力及其诱导变形的控制方法
CN109550952B (zh) * 2018-11-30 2021-04-30 武汉大学深圳研究院 一种基于定制支撑结构的金属3d打印零部件的方法
CN110103474B (zh) * 2019-04-04 2021-03-26 同济大学 一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法
CN111444640B (zh) * 2019-11-15 2023-05-02 三峡大学 一种考虑增材制造倾角约束的结构拓扑优化方法
CN111318703B (zh) * 2020-04-10 2022-04-15 哈尔滨福沃德多维智能装备有限公司 Slm制造金属零件减轻应力形变的支撑结构
CN111974999B (zh) * 2020-08-13 2021-10-15 飞而康快速制造科技有限责任公司 一种3d打印薄壁管道零件的控形方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105081324A (zh) * 2014-05-24 2015-11-25 张亮 一种全面积三维成形系统
CN105499569A (zh) * 2015-12-24 2016-04-20 华中科技大学 一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及其控制方法
CN105893661A (zh) * 2016-03-30 2016-08-24 华南理工大学 一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法
CN107729702A (zh) * 2017-11-24 2018-02-23 江苏科技大学 一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL241219A (en) * 2015-09-06 2016-07-31 Shmuel Ur Innovation Ltd 3D print head

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105081324A (zh) * 2014-05-24 2015-11-25 张亮 一种全面积三维成形系统
CN105499569A (zh) * 2015-12-24 2016-04-20 华中科技大学 一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及其控制方法
CN105893661A (zh) * 2016-03-30 2016-08-24 华南理工大学 一种多工位级进模模具母体结构拓扑优化方法
CN107729702A (zh) * 2017-11-24 2018-02-23 江苏科技大学 一种新型轻质螺旋桨的设计与制造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
激光增材制造镍基高温合金数值模拟与试验研究;王心欣;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20170215(第02期);B022-61 *
激光沉积制造应力演化及其控制;周佳平;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20170315(第03期);B022-1513 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108629086A (zh) 2018-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108629086B (zh) 一种适用于增材制造零件的应力调整方法
EP3335819B1 (en) Additive manufacturing apparatus and method of producing three-dimensionally shaped object
US11020955B2 (en) Control of solidification in laser powder bed fusion additive manufacturing using a diode laser fiber array
CN108372298B (zh) 一种带有随形支撑的激光选区熔化成形薄壁零件的变形控制方法
CN108889948B (zh) 一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法
CA2932620C (en) Diode laser fiber array for powder bed fabrication or repair
CN104923784B (zh) 一种提高激光变斑直接成形不等宽构件精度的方法
CN102328081B (zh) 一种高功率激光快速成形三维金属零件的方法
CN108161007A (zh) 一种slm成型悬垂结构的金属零件优化方法
CN104525944A (zh) 一种金属材料高能束-超声复合增材制造方法
CN103962556A (zh) 一种基于选区激光熔化技术的纯钛粉末成型方法
CN107030283B (zh) 使用二极管激光器光纤阵列在激光粉末床熔合加性制造中的凝固控制
JP2019502056A (ja) パウダーベッド上での選択的溶融による、エアフォイルプリフォーム、エアフォイル、およびノズルセクタの製造方法
CN111318701A (zh) 薄壁异形金属构件增材制造过程残余应力控制方法
CN110695355B (zh) 控制铝合金薄壁件在3d打印过程中发生翘曲变形的工艺方法
EP3700699B1 (en) Diode laser fiber array for contour of powder bed fabrication or repair
EP4299211A1 (en) Method for repairing ultra-thin structure by means of additive manufacturing
CN107914014B (zh) 一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法
CN112475319B (zh) 变形回复快速响应的镍钛合金构件的4d成形方法及产品
CN109807329B (zh) 一种大功率激光选区熔化3d打印高铁制动盘的方法
CN108620588B (zh) 一种无周期性层带效应的激光金属3d打印方法
CN113977087A (zh) 一种同幅面多类型激光增减材复合成形装置与方法
CN111069602A (zh) 一种选区激光熔化的梯度成形设计方法
US20220009033A1 (en) Composite device for high-precision laser additive/subtractive manufacturing
CN116079070A (zh) 一种优化原位重熔扫描策略slm成形高致密度合金的技术方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant