CN109290571A - 一种3d 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3D打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，包括：（1）对零件进行数据采集，对采集后数据进行处理及模型特征拟合；（2）在三维设计软件中采用B‑Rep法对实体模型进行逆向重构得到零件的三维数字模型；（3）对SLM成型零件进行结构性能分析验证其相关性能指标；（4）基于等强度原则，采用“蒙皮‑骨架”结构对重构模型进行零件内部结构再设计；（5）利用最终轻量化模型生成STL模型，将所述STL模型进行零件数据分层后生成SLI模型，将所述SLI模型导入SLM设备并设定相应的工艺参数进行远择性激光熔化成形技术加工后得到最终轻量化实体零件。本发明可以降低SLM成型件的重量与制造时间，获得轻量化、高性能的航空零件，同时减少加工时间。

Description

一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法
技术领域
本发明涉及高端装备制造领域，具体为一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法。
背景技术
巡飞弹是一种利用现有武器投放，能在目标区进行巡逻飞行，可承担监视、侦察、战斗毁伤评估、空中无线中继及攻击目标等单一或多项任务的弹药，也是未来弹药领域发展的一个重要趋势。但受到传统制造手段的影响，该型巡飞弹弹体轻量化很难实现。必须采用新的制造手段并基于制造手段对弹体进行重构设计，才能实现弹体的轻量化。
近年来出现的 3D 打印技术（也称增材制造技术 AM，AdditiveManufacturing），尤其是金属 3D 打印技术，则有可能较好的解决上述问题。相对于传统去料加工方式，3D打印技术通过材料的逐渐累积来实现零、部件的加工，尤其适合于制造传统工艺难以或无法加工的复杂结构件，并且可以有效简化生产工序、缩短制造周期。正是因为 3D 打印技术有着传统制造手段无法比拟的优点，美国下一代制造技术计划、德国工业 4.0 和中国制造2025 等国家战略都把 3D 打印技术作为制造业发展的重要方向。而对于 AM 中最为前沿和最具潜力的技术——金属 3D 打印技术（如 SLM、EBM、EBFF、LMD 等技术），美国波音、通用、雷神等公司积极推动金属零件的 3D 打印技术的应用研究，欧盟也将金属 3D 打印技术纳入研究日程。金属 3D 打印能够制造出形状结构复杂、具有异形内结构、具有一定功能指标的复杂结构件，并有效补充和完善传统加工方法带来的限制。同时，由于金属 3D 打印是一次性成型，不需要更换加工位置及重新装夹，有效提高了金属零件的加工流程效率，减少零件加工时间周期。在金属 3D 打印技术中，SLM（激光选区融化）是精度和商业化最高的一类成熟技术（精度达到 50μm），利用其来 3D 打印制造某型巡飞弹弹体结构较为合适。但若采用 SLM 技术直接进行传统零件制造，其制造成本、制造时间都会显著提高，并造成很大浪费。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，基于 SLM 的零件结构重构技术，以实现面向 3D打印零件的巡飞弹轻量化快速制造。
本发明采用的技术方案如下：一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，包括如下步骤：
（1）对零件进行数据采集，完成数据采集后对数据进行处理及模型特征拟合；
（2）在三维设计软件中采用B-Rep法对实体模型进行逆向重构得到零件的三维数字模型；
（3）对SLM成型零件进行结构性能分析验证其相关性能指标；
（4）基于等强度原则，采用“蒙皮-骨架”结构对重构模型进行零件内部结构再设计；
（5）利用最终轻量化模型生成STL模型，将所述STL模型进行零件数据分层后生成SLI模型，将所述SLI模型导入SLM设备并设定相应的工艺参数进行远择性激光熔化成形技术加工后得到最终轻量化实体零件。
进一步地，步骤（1）中对零件进行数据采集时，将零件结构划分为不同的元特征，针对不同的元特征采用模糊性的数据采集方法选择方法，利用模糊匹配优度来评价零件特征反求数据采集方法。
进一步地，步骤（2）中，对采集的数据进行多边形曲面网格构建，具体采用最小内角法构建三角形网格，在CAD软件中采用B-Rep法构建零件的三维数字模型。
进一步地，步骤（3）中对SLM成型零件进行结构性能分析验证包括对试件结构进行拉伸破坏试验、对试件结构进行压载试验。
进一步地，步骤（4）基于等强度原则对重构模型进行零件内部结构再设计的基本流程为：
a. 零件蒙皮设计：选择对受力影响不敏感的薄壁厚度作为零件的蒙皮最佳厚度对零件实体进行抽壳处理；
b. 零件结构拆分与典型骨架设计：通过对零件功能意图、受力状况进行分析，对零件进行模块化分割，建立典型结构的等强度骨架，根据不同的受力结构选择合适的填充骨架对零件各个拆分结构进行填充，同时调整填充单元参数，得到零件辅助骨架；
c. 零件有限元分析及细节补充：根据零件的拓扑结构将零件进行连接，对重构零件进行有限元分析评估其安全系数，对零件拆分单元填充参数进行调整，提高结构利用率，根据零件的工艺要求对零件其他细微设计进行完善。
本发明的有益效果是：本发明采用基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法, 提出了基于等强度重构思想的巡飞弹内部结构优化设计方法，在保持零件外形不变的前提下，根据零件不同结构的特征与受力特点选用不同的可制造单元对零件内部结构进行骨架化重构，并建立不同的内部填充骨架结构，使其在满足特定载荷的情况下，通过对拆分单元的结构参数设计来实现与零件相匹配的力学性能要求，降低SLM成型件的重量与制造时间，获得轻量化、高性能的航空零件，同时减少加工时间。
附图说明
图1是本发明的一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法的流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进一步详细描述。提供这些实施方案以使本公开彻底和完整，并向本领域技术人员全面传达本发明的范围。实际上，本发明可以体现为许多不同的形式，不应被解释为限于本文中所述的实施方案；相反，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
本实施例的一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，包括以下步骤：
（1）对零件进行数据采集，完成数据采集后对数据进行处理及模型特征拟合；
零件结构可以划分为不同的元特征。其中相对典型的元特征包括平面、(非)规则孔、(非)规则凸缘、(非)规则曲面等。零件的特征分类包括：该零件根据其特征特点分为不规则曲面、平面、规则凸缘、规则孔等。而不同的元特征所对应的采集方式受到多种因素的影响，包括测量效率、测量精度等。本发明采用模糊性的数据采集方法选择方法，利用模糊匹配优度来评价零件特征的反求数据采集方法。测量得到数据由于测量过程中的野点和噪声点等，其将会影响曲面重构的精度。因此，需要对点云数据进行处理的过程包括点云的拼接、数据精简和噪声点的去除等。根据所建立出的基于零件机械特征的零件逆向数据采集方法，需要采用多个不同采集方法对数据进行采集。因此为了获得不同测量基准下得到的多视图的零件表面信息，所采用的多视图拼接的方法为点位法。测量产生的高密度点云会极大地增加运算量，因此需要在保持基本测量特征不变的前提下，对测量数据进行精简，由于测量过程中的遮挡等问题，导致部分测量数据丢失，因此需要对测量丢失数据进行补缺。补缺主要遵循下述方法：利用破损区域周边的坐标数据点建立数据间的拓扑关系，所采用的方法为曲面插值补充法。
（2）在三维设计软件中采用B-Rep法对实体模型进行逆向重构得到零件的三维数字模型，在本实施例中，对采集的数据进行多边形曲面网格构建，具体采用最小内角法构建三角形网格，在CAD软件中采用B-Rep法构建零件的三维数字模型。
（3）对SLM成型零件进行结构性能分析验证其相关性能指标；本实施例中，对SLM成型零件进行结构性能分析验证包括对试件结构进行拉伸破坏试验、对试件结构进行压载试验，得到结构试件的抗拉强度和屈服强度。
（4）基于等强度原则，采用“蒙皮-骨架”结构对重构模型进行零件内部结构再设计，其基本流程为：
a. 零件蒙皮设计：选择对受力影响不敏感的薄壁厚度作为零件的蒙皮最佳厚度对零件实体进行抽壳处理；
b. 零件结构拆分与典型骨架设计：通过对零件功能意图、受力状况进行分析，对零件进行模块化分割，建立典型结构的等强度骨架，根据不同的受力结构选择合适的填充骨架对零件各个拆分结构进行填充，同时调整填充单元参数，得到零件辅助骨架；
c. 零件有限元分析及细节补充：根据零件的拓扑结构将零件进行连接，对重构零件进行有限元分析评估其安全系数，对零件拆分单元填充参数进行调整，提高结构利用率，根据零件的工艺要求对零件其他细微设计进行完善。
（5）利用最终轻量化模型生成STL模型，将所述STL模型进行零件数据分层后生成SLI模型，将所述SLI模型导入SLM设备并设定相应的工艺参数进行远择性激光熔化成形技术加工后得到最终轻量化实体零件。

Claims (5)

1.一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对零件进行数据采集，完成数据采集后对数据进行处理及模型特征拟合；
（2）在三维设计软件中采用B-Rep法对实体模型进行逆向重构得到零件的三维数字模型；
（3）对SLM成型零件进行结构性能分析验证其相关性能指标；
（4）基于等强度原则，采用“蒙皮-骨架”结构对重构模型进行零件内部结构再设计；
（5）利用最终轻量化模型生成STL模型，将所述STL模型进行零件数据分层后生成SLI模型，将所述SLI模型导入SLM设备并设定相应的工艺参数进行远择性激光熔化成形技术加工后得到最终轻量化实体零件。
2. 如权利要求1所述的一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，其特征在于，步骤（1）中对零件进行数据采集时，将零件结构划分为不同的元特征，针对不同的元特征采用模糊性的数据采集方法选择方法，利用模糊匹配优度来评价零件特征反求数据采集方法。
3. 如权利要求1所述的一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，其特征在于，步骤（2）中，对采集的数据进行多边形曲面网格构建，具体采用最小内角法构建三角形网格，在CAD软件中采用B-Rep法构建零件的三维数字模型。
4. 如权利要求1所述的一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，其特征在于，步骤（3）中对SLM成型零件进行结构性能分析验证包括对试件结构进行拉伸破坏试验、对试件结构进行压载试验。
5. 如权利要求1所述的一种3D 打印巡飞弹的轻量化设计与制造方法，其特征在于，步骤（4）基于等强度原则对重构模型进行零件内部结构再设计的基本流程为：
a. 零件蒙皮设计：选择对受力影响不敏感的薄壁厚度作为零件的蒙皮最佳厚度对零件实体进行抽壳处理；
b. 零件结构拆分与典型骨架设计：通过对零件功能意图、受力状况进行分析，对零件进行模块化分割，建立典型结构的等强度骨架，根据不同的受力结构选择合适的填充骨架对零件各个拆分结构进行填充，同时调整填充单元参数，得到零件辅助骨架；
c. 零件有限元分析及细节补充：根据零件的拓扑结构将零件进行连接，对重构零件进行有限元分析评估其安全系数，对零件拆分单元填充参数进行调整，提高结构利用率，根据零件的工艺要求对零件其他细微设计进行完善。
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