CN108889948A - 一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，针对待加工薄壁件分层切片的所有实体区域，根据每个实体区域边界的中轴变换，确定是否将区域分割成多个主区域和连接区域，对主区域和连接区域分别计算出扫描路径，其中在主区域采用锯齿形扫描路径，使得最终通过高能束沿扫描线及切片分层轮廓线扫描熔融粉末材料，成型薄壁件切片层实体，进而成型整个薄壁件。本发明在加工工艺上控制简单，能够控制残余应力及其分布，减小成型薄壁件的成型误差及翘曲变形，提高薄壁件致密度及其强度。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体为一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法。
背景技术
薄壁零件是指由各种薄型板(壳)和加强筋条构成的轻量化结构零件，一般采用铝合金、钛合金等材料，具有重量轻、强度高等突出优点，工程应用日益广泛，特别是在航空航天产品中普遍采用薄壁结构。薄壁件通常通过车削、铣削、磨削、飞切等方式加工成型，材料利用率很低，并且由于薄壁件刚性差、加工余量大等特点，加工工艺性差，在加工过程中，在切削力、装夹力、切削振颤等因素作用下极易发生变形、失稳和振动等问题，制造难度极大。
增材制造(Additive Manufacturing)是一种新兴的制造技术，具有节省原材料、生产效率高、能够成型复杂形状零件等优点，在航空、航天、医疗等领域具有广阔的应用前景。粉末床增材制造技术是增材制造技术研究与开发的一个重点方向，包括选择性激光烧结技术、选择性激光熔化技术、电子束熔化技术等。
粉末床类型增材制造技术工艺过程包括：（1）对零件模型进行切片，获取分层数据，从最底一层开始，逐层在成型面内均匀地铺粉；（2）在每层铺粉完成后，用高能束，如高能激光、电子束等，沿给定扫描线以及该层分层轮廓线，扫描熔融粉末；（3）材料粉末在高能束作用下部分或全部融化，并与前一成型层（第一层时，与基板）融合凝固成型；（4）直至最后一层，最终成型整个零件。
采用增材制造技术加工成型薄壁件，是薄壁件的一种新型成型方式。能够消除切削加工薄壁件时，刀具、夹具、机床等对其造成的不利影响，还能加工成型结构形状复杂的薄壁件，同时材料利用率很高。现有技术存在的不足之处在于：
在使用粉末床增材制造技术成型薄壁件时，薄壁件的成型质量通常受高能束实际作用区域大小、扫描速度、扫描间距、扫描方式、高能束能量等因素影响。采用粉末床增材制造技术成型零件，常规的扫描方式主要有平行线扫描、棋盘格扫描、等距线扫描等扫描方式，采用这些扫描加工方式加工时，由于在一个成型分层内，高能束熔化粉末及粉末冷却凝固的先后顺序的不同，引起巨大的温度梯度，从而导致成型薄壁件中存在较大应力，容易导致翘曲变形等现象，无法很好满足地高精度、高性能薄壁件增材制造的应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，控制残余应力分布，以实现减小薄壁件的成型误差、翘曲变形及提高零件性能的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）针对待加工薄壁件进行分层切片得到的每层切片的分层轮廓数据，计算每个实体区域边界的中轴变换；
（2）对每个实体区域边界的中轴变换，根据中轴边影响区域的大小，裁剪影响较小的中轴边；
（3）确定是否将实体区域分割成多个主区域和连接区域：
a）实体区域边界裁剪后的中轴，如果没有分叉点，则该实体区域为一个完整的主区域；
b）实体区域边界裁剪后的中轴，如果有分叉点，需要对实体区域进行分区处理：在每个分叉点处根据对应的圆半径确定与中轴变换圆与边界的切点，将每个实体区域分割成主区域和连接区域；
（4）对主区域和连接区域分别计算出扫描线；
（5）最终通过高能束沿扫描线及切片分层轮廓线扫描熔融粉末材料，成型薄壁件切片层实体，进而成型整个薄壁件。
所述的一种用于增材制造薄壁件的扫描方法，其特征在于：所述主区域内生成锯齿形扫描线，连接区域内生成平行扫描线，并将连接区域完全在实体区域内的边界作为单独扫描线。
所述的一种用于增材制造薄壁件的扫描方法，其特征在于：所述锯齿形扫描线由两条或以上锯齿形扫描线组成，保证每条锯齿形扫描线的相邻锯齿的有效作用范围之间有一定空隙，且所有锯齿形扫描线的有效作用范围覆盖整个主区域。
所述的一种用于增材制造薄壁件的扫描方法，其特征在于：对于分层切片内的每一个实体区域，扫描线的有效作用范围存在一定的重叠，实现不同程度的重熔融。
所述的一种用于增材制造薄壁件的扫描方法，其特征在于：所述主区域、连接区域和切片分层轮廓线的扫描过程顺序不分先后。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用中轴变换实现对复杂薄壁件的分区增材制造，对薄壁件的主体部分采用锯齿形扫描路径进行成型；本发明在加工工艺上控制简单，可以控制成型薄壁件内残余应力及其分布，减小零件形状误差，提高零件强度。
附图说明
图1是一具有内外两条轮廓线的简单薄壁件切片及其中轴。
图中细线为切片轮廓线，粗线为中轴。
图2是图1所示轮廓线及裁剪后中轴。
图中细线为切片轮廓线，粗线为裁剪后中轴。
图3是图1所示轮廓线及两条锯齿形扫描路径。
图中细线为切片轮廓线，粗实线为第一条锯齿形扫描路径，粗虚线为第二条锯齿形扫描路径。
图4是一具有内外两条轮廓线的薄壁件切片及其中轴。
图中细线为切片轮廓线，粗线为中轴。
图5是图4所示轮廓线及裁剪后中轴。
图中细线为切片轮廓线，粗线为裁剪后中轴。
图6是图4所示切片实体区域的分区结果。
图中1、2两个区域为主区域、 3区域为连接区域，分别用不同图案填充。
图7是图6所示分区的扫描路径。
图中细线为切片轮廓线，粗实线为主区域1的第一条锯齿形扫描路径，粗长虚线为主区域1的第二条锯齿形扫描路径，粗单点划线为主区域2的第一条锯齿形扫描路径，粗双点划线为主区域2的第二条锯齿形扫描路径，粗短虚线为连接区域3的扫描路径。
图8是一具有一条轮廓线的简单薄壁件切片及其中轴。
图中细线为切片轮廓线，粗线为中轴。
图9是图8所示轮廓线及裁剪后中轴。
图中细线为切片轮廓线，粗线为裁剪后中轴。
图10是图8所示切片实体区域的分区结果。
图中1、2、3三个区域为主区域、 区域4为连接区域，分别用不同图案填充。
图11是图10所示分区的扫描路径。
图中细线为切片轮廓线；主区域1、2、3内分别有三条锯齿形扫描路径，分别用不同线条表示；粗短虚线为连接区域4的扫描路径。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，主要包括以下步骤：
（1）针对待加工薄壁件进行分层切片得到的每层切片的分层轮廓数据，计算每个实体区域边界的中轴变换；如图1、4、8所示细实线为切片轮廓线，粗实线为实体区域边界的中轴；
（2）对每个实体区域边界的中轴变换，根据中轴边影响区域的大小，裁剪影响较小的中轴边；如图2、5、9所示裁剪后的中轴；
（3）确定是否将实体区域分割成多个主区域和连接区域：
a）实体区域边界裁剪后的中轴，如果没有分叉点，则该实体区域为一个完整的主区域；图2所示裁剪后的中轴没有分叉点，不做分区；
b）实体区域边界裁剪后的中轴，如果有分叉点，需要对实体区域进行分区处理：在每个分叉点处根据对应的圆半径确定与中轴变换圆与边界的切点，将每个实体区域分割成主区域和连接区域；图5、9所示裁剪后的中轴有分叉点，需要对实体区域进行分区处理；图6是图4所示切片实体区域的分区结果，其中连接分区3为以分叉点为圆心、以中轴变换对应的半径为半径所做的圆与轮廓线的三个切点依次连接而成；图10是图8所示切片实体区域的分区结果，其中连接分区3为以分叉点为圆心、以中轴变换对应的半径为半径所做的圆与轮廓线的三个切点依次连接而成；
（4）对主区域和连接区域分别计算出扫描线，主区域内生成锯齿形扫描线，连接区域内生成平行扫描线，并将连接区域完全在实体区域内的边界作为单独扫描线；图3所示为图1中轮廓线及两条锯齿形扫描路径；图7所示为图4中轮廓线及扫描路径生成结果，两个主分区内均有两条锯齿形扫描路径，连接分区内采用平行线扫描路径并对分区边界进行扫描；图11所示为图8中轮廓线的扫描路径生成结果，三个主分区内均有三条锯齿形扫描路径，连接分区内采用平行线扫描路径并对分区边界进行扫描；
（5）最终通过高能束沿扫描线及切片分层轮廓线扫描熔融粉末材料，成型薄壁件切片层实体，进而成型整个薄壁件。
锯齿形扫描线由两条或以上锯齿形扫描线组成，保证每条锯齿形扫描线的相邻锯齿的有效作用范围之间有一定空隙，且所有锯齿形扫描线的有效作用范围覆盖整个主区域。
对于分层切片内的每一个实体区域，扫描线的有效作用范围存在一定的重叠，实现不同程度的重熔融。
主区域、连接区域和切片分层轮廓线的扫描过程顺序不分先后。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。
Claims (5)
1.一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）针对待加工薄壁件进行分层切片得到的每层切片的分层轮廓数据，计算每个实体区域边界的中轴变换；
（2）对每个实体区域边界的中轴变换，根据中轴边影响区域的大小，裁剪影响较小的中轴边；
（3）确定是否将实体区域分割成多个主区域和连接区域：
a）实体区域边界裁剪后的中轴，如果没有分叉点，则该实体区域为一个完整的主区域；
b）实体区域边界裁剪后的中轴，如果有分叉点，需要对实体区域进行分区处理：在每个分叉点处根据对应的圆半径确定与中轴变换圆与边界的切点，将每个实体区域分割成主区域和连接区域；
（4）对主区域和连接区域分别计算出扫描线；
（5）最终通过高能束沿扫描线及切片分层轮廓线扫描熔融粉末材料，成型薄壁件切片层实体，进而成型整个薄壁件。
2.根据权利要求1所述的一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，其特征在于：所述主区域内生成锯齿形扫描线，连接区域内生成平行扫描线，并将连接区域完全在实体区域内的边界作为单独扫描线。
3.根据权利要求2所述的一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，其特征在于：所述锯齿形扫描线由两条或以上锯齿形扫描线组成，保证每条锯齿形扫描线的相邻锯齿的有效作用范围之间有一定空隙，且所有锯齿形扫描线的有效作用范围覆盖整个主区域。
4.根据权利要求3所述的一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，其特征在于：对于分层切片内的每一个实体区域，扫描线的有效作用范围存在一定的重叠，实现不同程度的重熔融。
5.根据权利要求1所述的一种用于薄壁件增材制造的分区扫描方法，其特征在于：所述主区域、连接区域和切片分层轮廓线的扫描过程顺序不分先后。
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