CN108907190B - 一种碗形薄壁零件的3d打印增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碗形薄壁零件的3D打印增材制造方法，包括以下步骤：将碗形薄壁零件开口朝下建立实体三维模型；建立工艺支撑结构的三维模型；利用切片软件设置零件三维模型的各层切片厚度，沿Z轴方向对零件三维模型进行平面分层切片，获得一层层的截面轮廓数据；对截面轮廓数据进行分块处理，并在各分块区域填充扫描路径，得到扫描路径数据，生成相应的加工程序；采用预先设置的增材制造成形工艺参数和扫描路径加工程序，对各分块区域进行扫描，每层扫描结束后成形一定厚度沉积层，层层堆积，最终获得碗形薄壁零件实体。本发明可以有效控制零件变形，零件成形完成后基本与数模一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种碗形薄壁零件的3D打印增材制造方法，特别涉及一种使用3D打印技术制造碗形薄壁零件的制造方法。
背景技术
现有技术中使用碗形零件较多，主要涉及发动机进气外罩，发动机机匣，发动机壳体，飞行器舱体，汽车发动机罩等，而用于上述部件的碗形零件多为薄壁结构。这是因为，碗形零件用于上述部件时，主要是为了起隔凉隔热、挡雨遮阳，以及为了防止水，油等液体污染的作用，例如为了防止火花塞，电磁阀等精密原件被水或油污染，常常需要在火花塞或电磁阀等精密原件外部设置碗形零件的外罩，以起到保护作用。
现有技术中，碗形零件常常采用冲压或者钣金折弯后焊接的方式进行制备。而金属冲压完成此类零件后，零件会有少许回弹，这样会影响零件尺寸精度等问题。而钣金折弯焊接等在焊接过程中会造成很大的变形，焊接区域性能与钣金基体焊接性能存在差异，零件在使用过程中常常会在焊接部分损坏，严重影响零件的使用寿命。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种碗形薄壁零件的3D打印增材制造方法，包括以下步骤：
S1，通过现有的三维建模软件，将碗形薄壁零件开口朝下建立实体三维模型；
S2，采用商用三维设计软件对碗形薄壁件的中空内腔进行工艺支撑结构设计，建立工艺支撑结构的三维模型；
S3，利用切片软件设置零件三维模型的各层切片厚度，沿Z轴方向对零件三维模型进行平面分层切片，获得一层层的截面轮廓数据；
S4，对截面轮廓数据进行分块处理，并在各分块区域填充扫描路径，得到扫描路径数据，生成相应的加工程序；
S5，采用预先设置的增材制造成形工艺参数，按照步骤S4确定的扫描路径加工程序，对各分块区域进行扫描，每层扫描结束后成形一定厚度沉积层，层层堆积，最终获得碗形薄壁零件实体。
进一步地，所述步骤S1具体包括：
S1-1利用三维建模软件建立开口朝下的碗形薄壁零件净尺寸的三维模型，所述三维建模软件为UG、CATIA或Solidworks中的任意一种；
S1-2在三维建模软件中将三维模型进行格式转换，输出*.stl格式文件。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
S2-1，运用三维商用设计软件创建机器平台模型，所述三维商用设计软件为Magic软件；
S2-2，将*.stl格式壳体模型导入Magic软件；
S2-3，在Magic软件中修复碗形薄壁零件模型；
S2-4，在Magic软件中将碗形薄壁零件模型定向并摆放于基板模型中合适的位置；
S2-5，在Magic软件中对模型搭建工艺支撑结构。
进一步地，所述工艺支撑结构为网状支撑结构。
进一步地，步骤S3具体包括：对所述碗形薄壁零件三维模型及工艺支撑结构进行切片分层操作，并输出*.cli切片文件。
进一步地，步骤S4具体包括：
S4-1，将*.cli 切片文件导入TSC Building填充软件；
S4-2，在TSC Building填充软件中规划激光扫描路径填充每层切片层，并输出*.cli填充文件；
S4-3，将*.cli填充文件导入3D打印设备。
进一步地，所述步骤S5的具体步骤为：
S5-1，清理3D打印机器成形室，保证不含杂质及其他金属粉末；
S5-2，安装基板并向送粉缸中装入成型材料粉末；
S5-3，校正刮刀水平度；
S5-4，关闭成形室门冲入氩气保护；
S5-5，铺粉刮刀先把成型材料粉末平推到成形缸的基板上形成一个层厚的粉末；
S5-6，激光束按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的成型材料粉末，加工出当前层；
S5-7，成形缸下降一个层厚的距离，刮刀退回原位，送粉缸上升一定层厚的距离，铺粉刮刀再在已加工好的当前层上铺送一个层厚的成型材料粉末；
S5-8，设备调入下一层轮廓的数据进行激光选区熔化成形，如此层层成形，直到整个壳体成形完毕。
进一步地，所述成型材料粉末为AlSi10Mg等多种金属材料粉末。
进一步地，S5中所述增材制造成形工艺参数如下：激光光斑直径为0.05mm-0.2mm，激光功率为0.05kw-0.4kw，激光扫描速度500m/s-2000m/s，激光搭接率为0.1%-0.2%，切片层厚为0.02mm-0.06mm。
进一步地，所述碗形薄壁零件的所述碗形薄壁零件的壁厚为0.5~5.0mm，碗形结构的最大处直径d1为10~240mm，最小处直径d2为9~239mm。
采用上述技术方案，本发明所产生的有益效果在于：
采用本发明所述圆形薄壁件的3D打印增材制造方法，通过将碗形薄壁零件开口朝下放置，建立该特定结构的三维模型，同时设置特定结构的三维工艺支撑结构，配合本发明所述特定的制造工艺条件，可以有效控制零件变形，零件成形完成后基本与数模一致，此外，零件内的支撑结构也极易去除，去除过程中不会对零件结构产生影响。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明中碗形薄壁零件的结构图一；
图2是图1所示碗形薄壁零件的仰视图；
图3是图1所示碗形薄壁零件的立体图；
图4是图1所示碗形薄壁零件的的剖示图；
图5是本发明中碗形薄壁零件的结构图二；
图6是图5所示碗形薄壁零件的仰视图；
图7是图5所示碗形薄壁零件的左视图；
图8是本发明中碗形薄壁零件的结构图三；
图9是图8所示碗形薄壁零件的仰视图；
图10是图8所示碗形薄壁零件的左视图。
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：
本发明所述的一种碗形薄壁零件的3D打印增材制造方法，包括以下步骤：
S1，通过现有的三维建模软件，将碗形薄壁零件开口朝下建立实体三维模型；
S2，采用商用三维设计软件对碗形薄壁件的中空内腔进行工艺支撑结构设计，建立工艺支撑结构的三维模型；
S3，利用切片软件设置零件三维模型的各层切片厚度，沿Z轴方向对零件三维模型进行平面分层切片，获得一层层的截面轮廓数据；
S4，对截面轮廓数据进行分块处理，并在各分块区域填充扫描路径，得到扫描路径数据，生成相应的加工程序；
S5，采用预先设置的增材制造成形工艺参数，按照步骤S4确定的扫描路径加工程序，对各分块区域进行扫描，每层扫描结束后成形一定厚度沉积层，层层堆积，最终获得碗形薄壁零件实体。
具体地，本发明详细提供了如下实施例对本发明所述方法进行详细描述。
实施例1
采用本实施例所述制备方法制备如图1~图4所示的碗形薄壁零件1，该实施例中所示零件的壁厚为0.5mm，碗形结构的最大处直径d1为240mm，最小处直径d2为150mm，具体包括如下步骤：
S1，通过现有的三维建模软件UG，建立开口朝下的碗形薄壁零件1净尺寸的三维模型，并进行格式转换，输出*.stl格式文件；
S2，采用商用三维设计软件对碗形薄壁件1的中空内腔进行工艺支撑结构设计，建立工艺支撑结构的三维模型，具体包括如下步骤；
S2-1，将*.stl格式文件的模型导入Magic软件；
S2-3，在Magic软件中修复碗形薄壁零件模型；
S2-4，在Magic软件中将碗形薄壁零件1的模型定向并摆放于基板模型中合适的位置；
S2-5，在Magic软件中对模型搭建柱状支撑结构11，本实施方式中柱状支撑结构的尺寸为0.8~1.5mm，间隔为圆心距离2mm~3.5mm；
S3，利用切片软件设置零件三维模型的各层切片厚度，沿Z轴方向对零件三维模型进行平面分层切片，获得一层层的截面轮廓数据，并输出*.cli切片文件；
S4，对截面轮廓数据进行分块处理，并在各分块区域填充扫描路径，得到扫描路径数据，生成相应的加工程序，具体包括如下步骤：
S4-1，将*.cli 切片文件导入TSC Building填充软件；
S4-2，在TSC Building填充软件中规划激光扫描路径填充每层切片层，并输出*.cli填充文件；
S4-3，将*.cli填充文件导入3D打印设备；
S5，采用预先设置的增材制造成形工艺参数和扫描路径加工程序，制备碗形薄壁零件实体，具体工艺参数如下：激光光斑直径为0.1mm，激光功率为0.325kw，激光扫描速度1100m/s，激光搭接率为0.1%，切片层厚为0.06mm；具体扫描路径加工程序如下：
S5-1，清理3D打印机器成形室，保证不含杂质及其他金属粉末；
S5-2，安装基板并向送粉缸中装入成型材料粉末；
S5-3，校正刮刀水平度；
S5-4，关闭成形室门冲入氩气保护；
S5-5，铺粉刮刀先把成型材料粉末平推到成形缸的基板上形成一个层厚的粉末；
S5-6，激光束按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的成型材料粉末，加工出当前层；
S5-7，成形缸下降一个层厚的距离，刮刀退回原位，送粉缸上升一定层厚的距离，铺粉刮刀再在已加工好的当前层上铺送一个层厚的成型材料粉末；
S5-8，设备调入下一层轮廓的数据进行激光选区熔化成形，如此层层成形，直到整个壳体成形完毕。
实施例2
采用本实施例所述制备方法制备图5~图7所示的碗形薄壁零件2，零件的壁厚为2.5mm，碗形结构的最大处直径d1为150mm，最小处直径d2为90mm，具体结构如图3所示零件，具体包括如下步骤：
S1，通过现有的三维建模软件UG，建立开口朝下的碗形薄壁零件2净尺寸的三维模型，并进行格式转换，输出*.stl格式文件；
S2，采用商用三维设计软件对碗形薄壁件2的中空内腔进行工艺支撑结构设计，建立工艺支撑结构的三维模型，具体包括如下步骤；
S2-1，将*.stl格式文件的模型导入Magic软件；
S2-3，在Magic软件中修复碗形薄壁零件模型；
S2-4，在Magic软件中将碗形薄壁零件2的模型定向并摆放于基板模型中合适的位置；
S2-5，在Magic软件中对模型搭建“十”字形式的网状支撑结构；
S3，利用切片软件设置零件三维模型的各层切片厚度，沿Z轴方向对零件三维模型进行平面分层切片，获得一层层的截面轮廓数据，并输出*.cli切片文件；
S4，对截面轮廓数据进行分块处理，并在各分块区域填充扫描路径，得到扫描路径数据，生成相应的加工程序，具体包括如下步骤：
S4-1，将*.cli 切片文件导入TSC Building填充软件；
S4-2，在TSC Building填充软件中规划激光扫描路径填充每层切片层，并输出*.cli填充文件；
S4-3，将*.cli填充文件导入3D打印设备；
S5，采用预先设置的增材制造成形工艺参数和扫描路径加工程序，制备碗形薄壁零件实体，具体工艺参数如下：激光光斑直径为0.1mm，激光功率为0.2kw，激光扫描速度1500m/s，激光搭接率为0.15%，切片层厚为0.04mm；具体扫描路径加工程序如下：
S5-1，清理3D打印机器成形室，保证不含杂质及其他金属粉末；
S5-2，安装基板并向送粉缸中装入成型材料粉末；
S5-3，校正刮刀水平度；
S5-4，关闭成形室门冲入氩气保护；
S5-5，铺粉刮刀先把成型材料粉末平推到成形缸的基板上形成一个层厚的粉末；
S5-6，激光束按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的成型材料粉末，加工出当前层；
S5-7，成形缸下降一个层厚的距离，刮刀退回原位，送粉缸上升一定层厚的距离，铺粉刮刀再在已加工好的当前层上铺送一个层厚的成型材料粉末；
S5-8，设备调入下一层轮廓的数据进行激光选区熔化成形，如此层层成形，直到整个壳体成形完毕。
实施例3
采用本实施例所述制备方法制备图8~图10所示碗形薄壁零件3，所示零件3的壁厚为5.0mm，碗形结构的最大处直径d1为12mm，最小处直径d2为9mm，具体包括如下步骤：
S1，通过现有的三维建模软件UG，建立开口朝下的碗形薄壁零件3净尺寸的三维模型，并进行格式转换，输出*.stl格式文件；
S2，采用商用三维设计软件对碗形薄壁件3的中空内腔进行工艺支撑结构设计，建立工艺支撑结构的三维模型，具体包括如下步骤；
S2-1，将*.stl格式文件的模型导入Magic软件；
S2-3，在Magic软件中修复碗形薄壁零件模型；
S2-4，在Magic软件中将碗形薄壁零件模型定向并摆放于基板模型中合适的位置；
S2-5，在Magic软件中对模型搭建“十”字形式的网状支撑结构；
S3，利用切片软件设置零件三维模型的各层切片厚度，沿Z轴方向对零件三维模型进行平面分层切片，获得一层层的截面轮廓数据，并输出*.cli切片文件；
S4，对截面轮廓数据进行分块处理，并在各分块区域填充扫描路径，得到扫描路径数据，生成相应的加工程序，具体包括如下步骤：
S4-1，将*.cli 切片文件导入TSC Building填充软件；
S4-2，在TSC Building填充软件中规划激光扫描路径填充每层切片层，并输出*.cli填充文件；
S4-3，将*.cli填充文件导入3D打印设备；
S5，采用预先设置的增材制造成形工艺参数和扫描路径加工程序，制备碗形薄壁零件实体，具体工艺参数如下：激光光斑直径为0.05mm，激光功率为0.05kw，激光扫描速度2000m/s，激光搭接率为0.2%，切片层厚为0.06mm；具体扫描路径加工程序如下：
S5-1，清理3D打印机器成形室，保证不含杂质及其他金属粉末；
S5-2，安装基板并向送粉缸中装入成型材料粉末；
S5-3，校正刮刀水平度；
S5-4，关闭成形室门冲入氩气保护；
S5-5，铺粉刮刀先把成型材料粉末平推到成形缸的基板上形成一个层厚的粉末；
S5-6，激光束按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的成型材料粉末，加工出当前层；
S5-7，成形缸下降一个层厚的距离，刮刀退回原位，送粉缸上升一定层厚的距离，铺粉刮刀再在已加工好的当前层上铺送一个层厚的成型材料粉末；
S5-8，设备调入下一层轮廓的数据进行激光选区熔化成形，如此层层成形，直到整个壳体成形完毕。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (7)
1.一种碗形薄壁零件的3D打印增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过现有的三维建模软件，将碗形薄壁零件开口朝下建立实体三维模型，其中所述碗形薄壁零件的壁厚为0.5~5.0mm，碗形结构的最大处直径d1为10~240mm，最小处直径d2为9~239mm；
S2，采用商用三维设计软件对碗形薄壁件的中空内腔进行工艺支撑结构设计，具体为在所述碗形薄壁零件的模型中空内腔，建立“十”字形式的网状支撑结构的三维模型；
S3，利用切片软件设置零件三维模型的各层切片厚度，沿Z轴方向对零件三维模型进行平面分层切片，获得一层层的截面轮廓数据；
S4，对截面轮廓数据进行分块处理，并在各分块区域填充扫描路径，得到扫描路径数据，生成相应的加工程序；
S5，采用预先设置的增材制造成形工艺参数，按照步骤S4确定的扫描路径加工程序，对各分块区域进行扫描，每层扫描结束后成形一定厚度沉积层，层层堆积，最终获得碗形薄壁零件实体，其中成形工艺参数如下：激光光斑直径为0.05mm-0.2mm，激光功率为0.05kW-0.4kW，激光扫描速度500m/s-2000m/s，激光搭接率为0.1%-0.2%，切片层厚为0.02mm-0.06mm。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S1-1利用三维建模软件建立开口朝下的碗形薄壁零件净尺寸的三维模型，所述三维建模软件为UG、CATIA或Solidworks中的任意一种；
S1-2在三维建模软件中将三维模型进行格式转换，输出*.stl格式文件。
3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S2-1，将*.stl格式文件的模型导入Magic软件；
S2-3，在Magic软件中修复碗形薄壁零件模型；
S2-4，在Magic软件中将碗形薄壁零件模型定向并摆放于基板模型中合适的位置；
S2-5，在Magic软件中对模型搭建工艺支撑结构。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S3具体包括：对所述碗形薄壁零件三维模型及工艺支撑结构进行切片分层操作，并输出*.cli切片文件。
5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S4-1，将*.cli 切片文件导入TSC Building填充软件；
S4-2，在TSC Building填充软件中规划激光扫描路径填充每层切片层，并输出*.cli填充文件；
S4-3，将*.cli填充文件导入3D打印设备。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S5的具体步骤为：
S5-1，清理3D打印机器成形室，保证不含杂质及其他金属粉末；
S5-2，安装基板并向送粉缸中装入成型材料粉末；
S5-3，校正刮刀水平度；
S5-4，关闭成形室门冲入氩气保护；
S5-5，铺粉刮刀先把成型材料粉末平推到成形缸的基板上形成一个层厚的粉末；
S5-6，激光束按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的成型材料粉末，加工出当前层；
S5-7，成形缸下降一个层厚的距离，刮刀退回原位，送粉缸上升一定层厚的距离，铺粉刮刀再在已加工好的当前层上铺送一个层厚的成型材料粉末；
S5-8，设备调入下一层轮廓的数据进行激光选区熔化成形，如此层层成形，直到整个壳体成形完毕。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述成型材料粉末为AlSi10Mg金属材料粉末。
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