CN108971699B - 一种舰船艉轴架电弧熔丝3d打印制造方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于舰船艉轴架制备工艺相关技术领域，并公开了一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法，包括：(i)对艉轴架建立对应的三维模型，并将其划分为对应为艉轴毂、横臂和支撑臂的3个分区；(ii)针对不同分区，基于不同的原理来规划设计打印路径，并获得每一层均为圆环形状的艉轴毂打印路径以及每一层均为矩形形状的横臂打印路径和支撑臂打印路径；(iii)依照所获得的不同制造路径，采用电弧熔丝3D打印制造工艺进行相应的成型加工。本发明还公开了相应的舰船艉轴架产品。通过本发明，解决了传统艉轴架制造过程模具造型困难、成形件性能差的问题，为艉轴架的制造提供了新的方法和思路。

Description

一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法及其产品

技术领域

本发明属于舰船艉轴架制备工艺相关技术领域，更具体地，涉及一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法及其产品。

背景技术

艉轴架是大型舰船的重要结构件，主要用来支撑高速旋转的螺旋推进器，保证舰船能正常稳定地工作。艉轴架在舰船行进过程中受到螺旋桨重力、螺旋桨旋转力等多种不平衡力的相互作用，因此要求艉轴架必须具有足够的强度和刚度。

然而，艉轴架具备形状复杂，尺寸较大，整体浇注困难等特点。在传统制造时，通常采取先将艉轴架的三个部分分别铸造出来，再进行拼焊的方式。研究表明，这类现有技术往往具备以下的缺陷或问题：首先，由于艉轴架壁厚较大，铸造时容易出现缩孔、缩松等缺陷；其次，在拼焊时，焊接热影响区粗晶区的晶粒容易长大，并直接影响构件的整体性能；最后，整个成型工艺还存在造型困难、成本高等问题。相应地，本领域亟需做出进一步的研究和改进，以便满足现代化舰船艉轴架的更高质量及效率要求。

发明内容

针对现有技术的以上不足之处和改进需求，本发明提供了一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法，其中通过紧密结合艉轴架自身的复杂构造特点及特定成型需求，不仅对其引入了电弧熔丝制造成形的工艺，而且还进一步针对其不同的组成部件采用重新分区及不同的切片分层路径规划设计，相应不仅可显著提高舰船艉轴架各组件的尺寸成形精度，同时有效避免了构件内部缺陷的产生，打印件成形控制良好，并且可起到防止熔池坍塌、电弧不稳等技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(i)艉轴架三维模型的建立及分区

针对作为待加工对象的舰船艉轴架，建立对应的三维模型，并对此三维模型执行针对性的分区处置，其中将整个艉轴毂部分单独划分为第一区域，将连接在该艉轴架上的横臂单独划分为第二区域，同时将连接在该艉轴架上的支撑臂单独划分为第三区域；

(ii)不同分区的特定路径规划设计

对于艉轴毂分区而言，由于其呈现竖直薄壁圆柱体结构，将其采用与该竖直薄壁圆柱体的轴线始终保持垂直且高度逐渐提升的平面切片获得对应的内外轮廓，然后将外轮廓逐渐偏置直至内轮廓，由此得到每一层均为圆环形状的打印路径；

对于横臂分区而言，由于其呈现高度方向上截面形状不断变化的特征，将其进一步分割为多个各自处于同一平面内的多个子区域，并对各个子区域进行切片获得对应的轮廓，然后从各轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此得到每一层均为矩形形状的打印路径；

对于支撑臂分区而言，由于其呈现整体不处于同一平面内的特征，将其进一步分割为多个各自处于同一平面内的多个子区域，并对各个子区域进行切片获得对应的轮廓，然后从各轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此同样得到每一层均为矩形形状的打印路径；

(iii)基于电弧熔丝3D打印的最终制造成型

依照步骤(ii)所完成的艉轴毂、横臂及支撑臂的打印路径，采用电弧熔丝增材3D打印工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的舰船艉轴架产品。

作为进一步优选地，对于所述横臂或者支撑臂而言，在其轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整的过程中，优选采用沿着所述矩形的长度方向和宽度方向交替填充的方式来执行。

作为进一步优选地，在步骤(iii)中，所述电弧熔丝3D打印工艺的关键工艺参数包括打印电流、打印电压、打印速度和所使用的保护气体等。

作为进一步优选地，上述制造过程中不需要使用任何模具。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的舰船艉轴架产品。

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，主要具备以下的技术优点：

1、通过紧密结合舰船艉轴架构件自身的产品构造特点及特定成型需求，本发明对其引入了电弧熔丝3D打印工艺进行制造，相应能够使用电弧作为热源熔化金属丝材，层层堆积得到零构件的技术，其不需要模具，而且小熔池熔炼与冶金、组织均匀致密，成本低，效率高，易于实现自动化，相应可较好地解决舰船艉轴架当前制造过程中存在的多个问题，并以低成本、高效率地打印出性能符合要求的艉轴架；

2、更重要的是，本发明还进一步结合艉轴架的结构特性，使用分块打印和针对性切片分层的路径规划，其不仅能够与艉轴架自身的复杂三维构造特征更好地相适应，并从最终产品来看能够显著提高电弧熔丝增材制造的尺寸精度，有效避免内部缺陷，同时大大缩短其制造周期；

3、本发明所重新设计的分区及切片分层规划能够更好地对电弧增材制造工艺参数进行优化处置，使得各关键工艺参数更为精准地与打印区域相适应，相应不仅解决了传统艉轴架制造过程模具造型困难、成形件性能差的问题，为艉轴架的制造提供了新的方法和思路，而且有效克服了熔池坍塌、电弧不稳等技术问题。

附图说明

图1是按照本发明所构建的舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造工艺方法的整体工艺流程图；

图2是用于示范性显示舰船艉轴架的三维模型结构示意图；

图3是按照本发明的一个优选实施例，显示对艉轴架进行分区分块打印路径规划的示意图；

图4a是用于示范性解释说明对艉轴毂分区进行打印路径规划的原理示意图；图4b是用于示范性解释说明对横臂和支撑臂分区进行打印路径规划的原理示意图。

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。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。

图1是按照本发明所构建的舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造工艺方法的整体工艺流程图。如图1所示，显示了按照本发明所构建的舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造工艺的具体工艺流程图。与现有技术相比，其关键改进之处在于，不仅引入了电弧熔丝3D打印工艺来制造成型艉轴架，而且进一步结合该复杂构件的结构特征进行研究并提出了针对性的分区设计，同时针对不同分区采用了不同的分层填充路径规划；相应地，大量的实际测试表明，能够使得电弧熔丝增材制造艉轴架的整个加工精度和外形轮廓控制得更好，在实际打印时便于操控，适应性强；此外，本发明在解决传统艉轴架制造过程模具造型困难、成形件性能差等问题的同时，还有效克服了熔池坍塌、电弧不稳等技术问题。

下面将对这些步骤逐一进行具体解释说明。

首先，是艉轴架三维模型的建立及分区步骤。

针对作为待加工对象的舰船艉轴架，建立对应的三维模型，并对此三维模型执行针对性的分区处置，其中将整个艉轴毂部分单独划分为第一区域，将连接在该艉轴架上的横臂单独划分为第二区域，同时将连接在该艉轴架上的支撑臂单独划分为第三区域。

更具体而言，如图1和图2所示，其中1为艉轴毂，2为横臂，3为支撑臂。横臂和支撑臂依附在艉轴毂上，二者譬如呈52°夹角。

其次，是不同分区的特定路径规划设计步骤。

本发明中不仅引入了电弧熔丝3D工艺来制造成型，而且进一步结合电弧熔丝3D打印的特点及根据艉轴架的结构，拟定出相应的打印成形策略。更具体地，从图2可以看出，艉轴毂1为简单的竖直薄壁圆柱，因此直接把基板固定，在基板上沿圆柱高度方向层层向上堆积达到要求的高度即可；相应地，将其采用与该竖直薄壁圆柱体的轴线始终保持垂直且高度逐渐提升的平面切片获得对应的内外轮廓，然后将外轮廓逐渐偏置直至内轮廓，由此得到每一层均为圆环形状的打印路径，具体如图4a所示。

对于横臂2来说，需要在艉轴毂1的基础上完成打印，横臂在高度方向上截面形状是不断变化的，如果直接沿高度方向进行打印，层与层之间的水平向外偏移量较大时，电弧处于堆积层边缘，会造成熔池流淌、坍塌，电弧不稳甚至熄灭。正是鉴于以上研究和认识，为了保证横臂部分的打印之类及更高精度，本发明对其继续划分为多块进行打印，如图3所示，它譬如被进一步分割为3、4、5、6多个部分。换而言之，通过将其进一步分割为多个各自处于同一平面内的多个子区域，并对各个子区域进行切片获得对应的轮廓，然后从各轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此得到每一层均为矩形形状的打印路径，具体如图4b所示。

而对于支撑臂来说，其特点是整体不在一个平面内。根据这些特点，为使熔池始终向上，同样可采取分块打印的方法，以便更好地保证打印之类及更高精度，具体如附图3所述。在附图3中，将横臂2分为3、4、5、6多个部分，将支撑臂3分为7、8两个部分，整个艉轴架共被分成多个分区。相应地，通过将其进一步分割为多个各自处于同一平面内的多个子区域，并对各个子区域进行切片获得对应的轮廓，然后从各轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此同样得到每一层均为矩形形状的打印路径，其同样具体如图4b所示。

在实际操作中，譬如可将待打印的艉轴架导出为以二进制形式存储的表征模型表面信息的STL文件，并读取该STL文件中三角形面片的坐标和矢量信息，然后对三角形面片按Z坐标由小到大进行排序。切片时可从三角面片的最小Z值Zmin到最大Z值Zmax等层厚向上进行切片。对于每一层的路径规划，在艉轴架中每一层的形状如上所述只有圆环和矩形两种。打印圆环时，优选采取先打印外轮廓，再打印内轮廓，内部使用轮廓偏置的方法填充的方式，打印矩形时，优选采取先打印外轮廓，内部沿X轴或Y轴扫描填充的方式。通过分层切片和路径规划，可以得到以有序点云表示的打印路径。

最后，是基于电弧熔丝3D打印的最终制造成型步骤。

依照以上步骤完成的三个分区的制造路径，采用电弧熔丝3D打印工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的舰船艉轴架产品。

更具体而言，可对所述的分层切片路径进行机器人语言的转化，得到机器人运动打印指令。接着，将所述的机器人运动打印指令导入机器人控制平台，采用合适的工艺参数进行各个分区部分的电弧熔丝3D打印制造。在本实施例中，所用工艺参数包括打印电流、打印电压、打印速度和所使用保护气体。按照本发明的一个优选实施例，基于以下工艺参数来进行：打印电流185A、打印电压24.4V、打印速度400mm/min。所使用的保护气体为体积分数80％Ar+20％CO2的混合气体，气流量为20L/min。打印过程所使用丝材为直径1.2mm的金属型药芯丝材。

当打印完一部分之后，通过变位机变换构件到合适的位置，重复以上步骤进行下一部分的打印，直至获得最终产品。

在打印之后，通过对打印件进行无损探伤，探伤合格，未发现缺陷，表明按照本发明可获得令人满足的产品质量。此外，通过对打印所使用的金属型药芯丝材进行熔敷金属化学成分分析和力学性能测试，其化学成分如下表1所示：

力学性能如下：

表1

综上，本发明通过使用电弧熔丝3D打印的方法进行艉轴架的制造，其解决了当前艉轴架制造过程造型困难、成本高、成形件性能低的问题。本发明为以后我国艉轴架的制造提供了新的思路和方法，对我国制造出高性能的艉轴架，进而提高舰船的整体性能有一定的借鉴意义。

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 (5)

1.一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(i)艉轴架三维模型的建立及分区

针对作为待加工对象的舰船艉轴架，建立对应的三维模型，并对此三维模型执行针对性的分区处置，其中将整个艉轴毂部分单独划分为第一区域，将连接在该艉轴架上的横臂单独划分为第二区域，同时将连接在该艉轴架上的支撑臂单独划分为第三区域；

(ii)不同分区的特定路径规划设计

对于艉轴毂分区而言，由于其呈现竖直薄壁圆柱体结构，将其采用与该竖直薄壁圆柱体的轴线始终保持垂直且高度逐渐提升的平面切片获得对应的内外轮廓，然后将外轮廓逐渐偏置直至内轮廓，由此得到每一层均为圆环形状的打印路径；

对于横臂分区而言，由于其呈现高度方向上截面形状不断变化的特征，将其进一步分割为多个各自处于同一平面内的多个子区域，并对各个子区域进行切片获得对应的轮廓，然后从各轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此得到每一层均为矩形形状的打印路径；

对于支撑臂分区而言，由于其呈现整体不处于同一平面内的特征，将其进一步分割为多个各自处于同一平面内的多个子区域，并对各个子区域进行切片获得对应的轮廓，然后从各轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整，由此同样得到每一层均为矩形形状的打印路径；

(iii)基于电弧熔丝3D打印的最终制造成型

依照步骤(ii)所完成的艉轴毂、横臂及支撑臂的打印路径，采用电弧熔丝增材3D打印工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的舰船艉轴架产品。

2.如权利要求1所述的一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法，其特征在于，对于所述横臂或者支撑臂而言，在其轮廓的边缘逐渐偏置直到轮廓内部被填充完整的过程中，采用沿着所述矩形的长度方向和宽度方向交替填充的方式来执行。

3.如权利要求1或2所述的一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法，其特征在于，在步骤(iii)中，所述电弧熔丝3D打印工艺的关键工艺参数包括打印电流、打印电压、打印速度和所使用的保护气体。

4.如权利要求3所述的一种舰船艉轴架电弧熔丝3D打印制造方法，其特征在于，上述制造过程中不需要使用任何模具。

5.一种舰船艉轴架产品，其特征在于，其采用如权利要求1-4任意一项所述的方法而制造。