CN109746444B

CN109746444B - 一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法

Info

Publication number: CN109746444B
Application number: CN201910054188.0A
Authority: CN
Inventors: 林鑫; 鹿旭飞; 马良
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2039-01-21
Also published as: CN109746444A

Abstract

本发明公开了一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法；该方法通过直接优化基板的形状，使基板只保留目标零件的接触面的形状，厚度方面，保证能够给予增材制造零件足够的支撑力即可，使得减少零件在制造过程中减少基板对成形件的机械约束，通过将基板设计为镂空结构，调控增材制造过程中的最大温度梯度，最终实现增材制造构件残余应力和成形过程中非稳态阶段的减小；该方法可用于各种高能束(激光、电子束、等离子束、电弧)作为热源的金属增材制造制造过程，包括激光立体成形、选区激光熔化及电子束熔丝沉积等。

Description

一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法

【技术领域】

本发明属于高能束增材制造领域，具体涉及一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法。

【背景技术】

高能束增材制造是一类通过离散堆积原理制造高性能复杂金属零件的先进工业制造技术，该技术采用计算机CAD软件进行三维建模、分层切片及路径规划，计算机将数据传输到增材制造设备的控制系统中，利用高能束(激光、电子束、等离子和电弧)热源将金属粉末或丝材逐层沉积到基材上，最终获得所需的目标零件。但增材制造过程是一个非均匀、快速、多尺度的热-组织-应力耦合过程，材料经受反复的快热快冷循环，急剧变化的温度场和巨大的局部热梯度导致大的热应力，使得构件发生变形甚至开裂，最终影响构件的几何精度和力学性能，严重制约了增材制造技术在工业中的广泛应用。

增材制造过程存在非稳态和准稳态两个阶段。沉积初始阶段，高能束作用在冷态基板上，使得熔池热量被冷基板迅速吸收，故熔覆层厚度和宽度受到限制，该阶段即为非稳态，具体表现为以熔池为中心的温度场剧烈的变化，同时随基板热累积，最大热梯度不断减小且沉积层尺寸逐渐增加。多层沉积后基板的热累积和热耗散达到平衡，以熔池为中心的温度场大小、分布达到稳定，即进入准稳态，此时最大热梯度和沉积层厚度保持稳定。为了使零件的几何尺寸和力学性能最佳，应尽可能减少增材制造过程中的非稳态，使成形过程在准稳态进行。

前期关于焊接及高能束增材制造过程中的研究表明，成形前将基板预热、调整加工工艺参数、施加机械约束等方法可用于减缓残余应力及变形，但预热基板将增加能量消耗，调整工艺参数将使工艺窗口变窄，施加机械约束将增加工装更为复杂。因此，急需一种简单有效的操作手段来减缓甚至消除高能束增材制造过程中构件内的应力及变形。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法；该方法通过改变现有的基板形状，减少了增材制造过程中基板对成形件的机械约束，同时调控最大温度梯度演化，最终实现增材制造构件残余应力和成形过程中非稳态阶段的减小。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，包括以下步骤：

步骤1，根据增材制造的目标零件形状，确定零件和基板连接面的几何形状，记为形状A；

步骤2，制作基板B2，基板B2分为上部分和下部分，上部分的水平形状和形状A相同；下部分包括若干个用于支撑上部分的支撑柱，每一个支撑柱的上表面和上部分的下表面一体成型；

步骤3，将下部分的下表面固定在增材制造的工作台上，在上部分的上表面通过高能束作为热源增材制造目标零件。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤2中，制作基板B2包括以下步骤：

(1)切割长方体实心基板B0，切割后获得基板B1，基板B1水平截面的形状和形状A相同；

(2)将基板B1划分为上部和下部，加工下部，使得下部形成若干个支撑柱，相邻的支撑柱之间有缝隙，形成包括上部分和下部分的基板B2。

优选的，上部分的厚度为3～5mm。

优选的，设定目标零件和上部分接触部分的外边线为A1，内边线为A2；上部分的外边界在A1的外侧，和A1之间的垂直距离为0～3mm；上部分的内边界在A2的外侧，和A2之间的垂直距离为0～3mm。

优选的，支撑柱的形状能够为圆柱体、棱柱或四方体。

优选的，相邻支撑柱之间的距离为5～10mm。

优选的，基板B0的高度≥8mm。

优选的，步骤3中，在上部分一端的上表面通过高能束作为热源进行增材制造目标零件的打印。

优选的，步骤3中，所述高能束为激光、电子束、等离子束或电弧中任一种。

优选的，步骤3中，增材制造的原材料为金属粉末或金属丝材。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法；不同于现有的预热基板，调整工艺参数等方法，该方法直接优化基板的形状，使基板只保留目标零件的接触面的形状，厚度方面，保证能够给予增材制造零件足够的支撑力即可，使得减少零件在制造过程中减少基板对成形件的机械约束(通过减少基板的多余尺寸，减少基板对成形件的机械约束)，通过将基板优化为镂空结构来调控最大温度梯度，最终实现增材制造构件残余应力和成形过程中非稳态阶段的减小；该方法可用于各种高能束(激光、电子束、等离子束、电弧)作为热源的金属增材制造过程，包括激光立体成形、选区激光熔化及电子束熔丝沉积等。该方法通过改善基板的形状可实现高能束增材制造过程中热应力的调控及减小，为制造大尺寸复杂金属结构件奠定了技术基础。该方法通过优化基板的形状，减少了增材制造初始零件给予基板的热量传递，显著改善了增材制造初始沉积过程的不稳定，有利于增材制造过程进入准稳态。

进一步的，基板的制作分为两个阶段，首先将基板的水平截面切割成目标形状，在基板的水平截面形状和目标零件的接触面形状相同后，对基板的下部分进行挖空，形成镂空的桥梁状。

进一步的，限定了上部分的厚度，保证基板能够给予增材制造零件足够的支撑力。

进一步的，对基板的上部分设置余量，该数据范围根据待打印的零件形状确定，如果目标零件的形状简单，则余量可设置为0，如果目标零件的形状复杂，余量可设置到1～3mm，保证打印出的零件形状和尺寸符合目标尺寸要求。

进一步的，限定支撑柱之间的距离，一方面给予上部分均匀的支撑力，另一方面保证给予上部分足够的支撑力。

进一步的，选用普通基板即可进行加工目标基板形状。

进一步的，在基板的一端进行增材制造，能够减少残余应力。

进一步的，该方法适用于任何高能束的增材制造，该方法适用范围广，无论是简单的零件还是结构复杂的零件，在设计好基板的前提下，均能够通过该方法制造。

【附图说明】

图1为本发明的增材制造装置结构示意图；

图2为本发明的实施例1的增材制造结构示意图；

图3为本发明的实施例1的温度传感器和位移传感器的安装位置图；

图4为本发明的实施例1的增材制造数值模拟的有限元网格模型；

图5为本发明的实施例1的对比增材制造数值计算结果与实验测量，

其中，(a)图为温度对比图；(b)图为变形对比图；

图6为本发明的实施例1的不同沉积位置下的纵向残余应力场；

其中，(a)图为d＝15mm，(b)图为d＝10mm，(c)图为d＝5mm，(d)图为d＝mm，d为靠近自由端的成形件(沉积层)端部和基板端部之间的距离；

图7为本发明的实施例1的更改基板尺寸的基板结构对比示意图；

图8为本发明的实施例1的不同基板几何下的最大温度梯度演化；

图9为本发明的实施例1的不同增材制造基板下的构件残余应力；

其中，(a)图为基板是实心基板时的残余应力图；(b)图为基板是镂空基板时的残余应力图；

其中：1-熔覆头；2-沉积层；3-夹具；4-热电偶；5-位移传感器；6-基板；7-高能束；8-上部分；9-下部分；10-支撑柱。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体方案对本发明做进一步详细描述；本发明提供了一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法；该方法基于增材制造过程中高温度梯度和材料内部的机械约束是导致热应力形成的根本原因，提出通过优化基板减小增材制造过程中基板对成形件的机械约束，同时调控最大温度梯度演化，最终实现增材制造构件残余应力和成形过程中非稳态阶段的减小。针对任何一种待增材制造的零件，其制造过程包括以下步骤：

步骤1，根据拟打印的增材制造零件的几何结构，确定成形件与基板6连接面的几何形状，记为形状A。

步骤2，将高能束7增材制造过程中通常使用的长方体实心基板(成形件能够完全投影在基板上表面内，基板厚度一般大于8mm)记为基板B0。参照“形状A”的形状，将基板B0的水平结构切制成和“形状A”相同的基板，获得新的基板，记为基板B1，基板B1的水平截面形状和形状A相同，但是边界留有余量，具体为目标零件在上部分8垂直投影的外边线为A1，内边线为A2；基板B1的上部的外边界在A1的外侧，和A1之间的垂直距离为0～3mm；基板B1的上部的内边界在A2的外侧，和A2之间的垂直距离为0～3mm；即边界余量设定在0～3mm；该数据范围根据待打印的零件形状确定，如果目标零件的形状简单，则余量可设置为0，如果目标零件的形状复杂，余量可设置到1～3mm，保证打印出的零件形状和尺寸符合目标尺寸要求。

步骤3，将基板B1切制成镂空基板。保留基板B1的上部(距上表面3～5mm)的材料作为基板B2的上部分8，在基板B1下部的挖出一系列孔洞并形成一系列支撑柱10，使其形状类似桥梁结构，且支撑柱10与柱间隙的尺寸在5～10mm之间，使得能够给基板B1的上部一个均匀的支撑力，支撑柱10的形状能够为圆柱体、四方体、棱柱或蜂窝状等，具体形状根据增材制造零件的目标形状确定调整；此时制造的基板即为镂空结构的基板，记为基板B2；此时的基板B2分为上部分8和下部分9，上部分8的水平形状和形状A相同；下部分9包括若干个用于支撑上部分8的支撑柱10，每一个支撑柱10的上表面和上部分8的下表面一体成型；

步骤4，将支撑柱10的底表面固定在工作台上，设置好增材制造各项成形工艺参数，利用数控系统，通过高能束7作为热源，将金属粉末或金属丝材制造成所需的增材制造零件，即可获得成形过程稳定、残余应力水平较低的增材制造构件。

上述的基板B0、基板B1、基板B2均为基板6，代表金属增材制造(3D打印)的基板。

下面通过具体实施例1详细描述本发明的方法及应用效果，需要说明的是，该实施例中的形状、温度场的模拟和应力场的模拟均是针对本实施例的，该方法适用于任何通过高能束增材制造的零件形状。

实施例1

以单壁墙构件为例，阐述在高能束增材制造过程中，本发明是如何做到通过设计基板来减小高能束增材制造的非稳态阶段及构件残余应力，本发明技术示意图如图2所示，根据零件的几何结构，不是采用传统的长方体实心基板，而是采用结构优化后的镂空基板。

首先，进行一个激光立体成形单道40层单壁墙原位测量实验，测量装置和增材制造装置如图1所示，目标打印的单壁墙长为80mm，宽度为6mm；基板6(基板B2)为单边夹持状态，一端被夹具3夹持固定，另一端自由变形，底部被支撑。基板6(基板B2)尺寸为140(长)×6(宽)×25(高)mm³；成形过程中利用热电偶4和位移传感器5分别对基板6(基板B2)的温度和变形量进行实时测量，为保证能够精确测量增材制造过程中基板6(基板B2)的温度变化情况，本实施例中的热电偶4设置有三个，在基板6(基板B2)自由端的下部设置一个位移传感器5，图3给出了热电偶4和位移传感器5的测量位置。该实施例中的基板6(基板B2)和粉末材料均为Ti-6Al-4V钛合金(采用送粉方式)，熔覆头1采用波长为960-1200nm，激光功率为1500W，光斑直径为3mm的光纤激光器进行沉积层2的制造。图4为用于增材制造数值模拟的单壁墙有限元网格模型，图5对比了计算与实验的温度及变形结果测量，可以看得模拟结果与实验匹配良好，因此该增材制造数值模型可以用来预测增材制造过程中构件的热力场演化。同时获得模型各项参数，其中Ti-6Al-4V合金的辐射率为0.7，而对流换热系数设为7W/(m²·℃)，基板6(基板B2)夹持端的对流换热系数为50W/(m²·℃)，激光吸收效率为0.3，环境温度始终保持为25℃。

参见图6，基于验证的增材制造模型，不改变模型参数和构件几何尺寸，而将单壁墙端部与基板6(基板B2)端部距离分别调整为15mm，10mm，5mm和0mm，分别对应图6中的(a)图、(b)图、(c)图和(d)图。图6对比了不同沉积位置下构件的残余应力，可以看到随着沉积位置远离夹持端，靠近夹具3一侧的最大残余拉应力不变，但靠近自由端的最大残余拉应力逐渐减小。当d＝0mm时，自由端的残余应力几乎为零。显然，单壁墙沉积位置以外的基板6(基板B2)对单壁墙膨胀收缩具有强约束作用，导致大的残余应力。

利用验证的增材制造模型继续设计实验，保持成形单壁墙尺寸不变，但将基板6长度和高度分别减小到80mm和15mm。另外，模型热力边界条件也有所不同，基板6底表面被完全约束，将基板6(基板B2)底表面的对流换热系数设为500W/(m²·℃)以等效实际热传导过程，其余模型参数不变。因此，“形状A”为长为80mm的长方形，基板B1)为长80mm，宽6mm，高15mm的长方体，同时基板B2被设计为镂空结构，如图7所示。

图8给出了当熔池移动到单壁墙中间位置时，采用实心基板(基板B1)和镂空基板(基板B2)在增材制造过程中沿扫描方向的最大温度梯度演化。可以看到，最大温度梯度均出现在第一层沉积过程，约为525000℃/m，随沉积层2的层数增加逐渐减小，最终趋于稳定。其中采用实心基板的最大温度梯度在前10层沉积过程迅速减小，随后保持稳定；而采用镂空基板的最大温度梯度在前5层沉积过程迅速减小，随后保持不变。这是由于镂空基板减小了基板与工作台之间接触的热传导面积，从而有效减少了热损失，使得热量在基板上部累积，有助于温度梯度减小。因此，采用镂空基板能显著减少增材制造过程中的非稳态阶段。

图9给出采用实心基板和镂空基板的构件残余应力场分布，相比实心块体基板可以看到，镂空基板的残余应力明显较小，单壁墙内的最大残余应力不超过200MPa。因此，将基板设计为镂空结构能有效控制增材制造构件的残余应力。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2，制作基板B2，基板B2分为上部分(8)和下部分(9)，上部分(8)的水平截面的形状和形状A相同；下部分(9)包括若干个用于支撑上部分(8)的支撑柱(10)，每一个支撑柱(10)的上表面和上部分(8)的下表面一体成型；

步骤3，将下部分(9)的下表面固定在增材制造的工作台上，在上部分(8)的上表面通过高能束(7)作为热源增材制造目标零件。

2.根据权利要求1所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，步骤2中，制作基板B2包括以下步骤：

(2)将基板B1划分为上部和下部，加工下部，使得下部形成若干个支撑柱(10)，相邻的支撑柱(10)之间有缝隙，形成包括上部分(8)和下部分(9)的基板B2。

3.根据权利要求2所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，上部分(8)的厚度为3～5mm。

4.根据权利要求2所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，设定目标零件和上部分(8)接触部分的外边线为A1，内边线为A2；上部分(8)的外边界在A1的外侧，上部分(8)的外边界和A1之间的垂直距离为0～3mm；上部分(8)的内边界在A2的外侧，上部分(8)的内边界和A2之间的垂直距离为0～3mm。

5.根据权利要求2所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，支撑柱(10)的形状能够为圆柱体、棱柱或四方体。

6.根据权利要求5所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，相邻支撑柱(10)之间的距离为5～10mm。

7.根据权利要求2所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，基板B0的高度≥8mm。

8.根据权利要求2所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，步骤3中，在上部分(8)一端的上表面通过高能束(7)作为热源进行增材制造目标零件的打印。

9.根据权利要求1所述一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，步骤3中，所述高能束(7)为激光、电子束、等离子束或电弧中任一种。

10.根据权利要求1所述的一种通过优化基板减小增材制造残余应力和非稳态的方法，其特征在于，步骤3中，增材制造的原材料为金属粉末或金属丝材。