CN109848410B - 一种高自由度复杂结构零件的增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造领域，提供了一种高自由度复杂结构零件的增材制造辅助方法及装置，方法包括：设计并优化零件结构，生成对应的三维实体模型；针对零件的结构和形状，建立适合的三维空间定位支撑结构；将零件、三维空间定位支撑结构共同作为待加工对象，以设定的加工参数对原料粉末逐层加工成为致密实体，得到三维空间定位支撑结构和零件组成的共同体；去除共同体上的三维空间定位支撑结构，获得零件。本发明还提供了具有广泛适用性的三维空间定位支撑结构。本发明提供的一种低成本、高效率、高质量制造高自由度、结构复杂零件的新方法及装置，其突破了传统的材料和工艺限制，克服了现有的技术难题。

Description

一种高自由度复杂结构零件的增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及高自由度复杂结构零件的增材制造装置和方法，其构思核心在于，结合三维空间定位辅助工艺，利用增材技术制造出高自由度复杂结构的零件，具有广泛的应用范围，尤其适用于SMA(全英文名称是Shape Memory Alloy，简称SMA)。

背景技术

零件制造的本质实际为将设计好的几何尺寸通过成形装备准确地传递到实物工件上。而随着科学技术的发展，航空航天、汽车等精密制造领域对零件的结构形状、尺寸精度、成形质量和效率提出了更高的要求。

简单结构形状的零件易于成形，性能稳定，制造工艺已经日趋成熟，但由于其结构简单、自由度低，极大限制了零件在实际中的应用。而对于复杂结构、高自由度的零件，通常需要通过铸造法、粉末冶金法或机械加工法进行成形。铸造法和粉末冶金法在成形零件的过程中，组织均匀性难以保证，且容易引入杂质，影响零件的性能，同时，复杂形状的模具制备难度较大，不同形状和性能要求的零件也需要设计和制造不同模具，成本过高。而机械加工法虽然无需模具，但由于合金零件通常具有加工硬化特性，会导致零件的机械加工比较困难，同时，机械加工成形的零件受材料自身属性以及残余应力的影响会产生回弹变形，因此，难以精确控制成形后零件的尺寸精度，对高自由度的复杂零件更难以实现。

形状记忆合金(Shape Memory Alloy，简称SMA)由于其超弹性及形状记忆效应等特性，常用于可变形零件的制造，如弹簧、驱动器等。在保证合金零件组织均匀性的同时，还需要精确调控成形后零件的形状尺寸精度。因此，SMA零件的成形尤为困难。

基于粉床的增材制造技术可以直接根据三维模型逐层制造出零件，具有无需模具、材料利用率高、对结构复杂程度不敏感、设计自由度高等优点，可以用于制造高自由度复杂结构的金属零件。

目前，采用该技术加工高自由度复杂结构零件仍存在部分问题，扭曲变形、开裂或成形失败时有发生，因此需要同时添加一些辅助支撑结构以确保零件的顺利成形。

目前常用的支撑形式，如公开号为CN107685148A专利申请中所述的下部树形支撑、下部网格支撑与下部实体支撑，多数是从基板开始沿竖直方向或斜向生长的；当待加工零件的悬空部分离基板较高时，下部树形支撑及下部网格支撑结构会形成细而高的结构，在热应力的影响以及铺粉装置的摩擦下，此类强度和刚度都不足的细而高的支撑结构很容易断裂而难以成形；而实体支撑虽然能达到较好的支撑效果，但其只能通过机加工去除，同时也增加了耗粉量，降低了成形效率。

因此，需要探索一种高质量的能制备高自由度复杂结构零件的增材制造新方法以及装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种高质量制备高自由度复杂结构零件的增材制造辅助装置和方法，该方法和装置以金属粉末为原料进行增材制造，结合高自由度零件的结构特点，在设定的方向和位置上添加可以限制零件自由度的三维空间定位支撑结构，对零件进行三维空间定位，从而高质量、高效率地完成高自由度复杂结构零件的增材制造。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高自由度复杂结构零件的增材制造装置，其用于在增材制造零件过程中对高自由度复杂结构的待成形零件进行三维空间上的定位支撑，其包括随形树形结构、随形网格结构以及随形桁架结构，

所述随形树形结构整体设置在待成形零件内部空间处，其包括中心主杆和设置在中心主杆周壁上的周边支杆，所述周边支杆用于固定和支撑待成形的高自由度复杂结构零件，中心主杆与待成形的高自由度复杂结构零件的轴心平行，同时与加工面垂直，周边支杆与增材制造零件过程中加工面大于45°，

所述随形网格结构整体固定和包套在待成形零件外壁处，其包括经线和纬线，经线和纬线交叉形成随形网格，

所述随形桁架结构设置在待成形零件内部空间处和外壁处，其为多个支撑杆按照正八面体结构以角部相连而形成的桁架结构。随形桁架结构固定和支撑在待成形零件内外。

进一步的，所述随形树形结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行且垂直于加工台面，用于支撑在待加工的高自由度复杂结构零件的最底部，以能弥补与加工平面大于45°的周边支杆的支撑不足。

进一步的，所述随形网格结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行，用于支撑在零件的最底部，以能弥补随形网格结构底部处的支撑不足。

进一步的，所述随形树形结构中心主杆横截面积大小随周边支杆数量增多而增大，且小于相同加工层上待加工零件的最小内径。

进一步的，随形网格结构的内径大于相同加工层上待加工零件的外径。

进一步的，随形桁架结构中正八面体单元结构的边长a随待加工的高自由度复杂结构零件变化，边长a与待加工高自由度复杂结构零件在生长方向任意分离但最相邻两点间距离之比≤1，组成桁架结构的支撑杆的横截面积大于等于其支撑部位的待加工高自由度复杂结构零件的横截面积；

随形桁架结构的正八面体单元结构分布、正八面体单元结构边长a随待加工高自由度复杂结构零件的形状而变化。

按照本发明的另一方面，提供了一种高自由度复杂结构零件的增材制造方法，其包括下述步骤：

步骤1：根据待加工高自由度复杂结构零件的结构生成对应的三维实体模型；

步骤2：确定零件三维实体模型的摆放形式与位置；

步骤3：针对待加工高自由度复杂结构零件的结构和形状，选取三维空间定位支撑结构的类型，包括随形树形结构、随形网格结构和随形桁架结构，对零件进行三维空间定位，并生成对应的包括三维空间定位支撑结构和零件三维实体模型的组合体模型；

其中，随形树形结构适用于下宽上窄形状的零件，随形网格结构适用于下窄上宽形状的零件，随形桁架结构适用任意形状的零件；

步骤4：将组合体模型作为待加工对象，以设定的工艺参数对金属原料粉末逐层加工，最终成形为致密的组合体模型实体；

步骤5：去除组合体模型实体上的三维空间定位支撑结构，获得高自由度复杂形状的金属零件。

进一步的，步骤3中，在支撑过程中，

所述随形树形结构整体设置在待成形的高自由度复杂结构零件内部空间处，其包括中心主杆和设置在中心主杆周壁上的周边支杆，所述周边支杆用于固定和支撑待成形的高自由度复杂结构零件，

所述随形网格结构整体固定和包套在高自由度复杂结构零件的外壁处，其包括经线和纬线，经线和纬线交叉形成随形网格，

所述随形桁架结构设置在待成形零件内部空间处和外壁处，其为多个支撑杆按照正八面体结构以角部相连而形成的桁架结构。随形桁架结构固定和支撑在待成形高自由度复杂结构零件内外。

进一步的，所述随形树形结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行且垂直于成形台面，用于支撑在零件的最底部，以能弥补与待加工平面大于45°的周边支杆的支撑不足，

所述随形网格结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行，用于支撑在零件的最底部。

进一步的，所述随形树形结构中中心主杆横截面积大小随周边支杆数量增多而增大，且小于待加工零件的最小内径；

随形网格结构的内径大于相同加工层上待加工零件的外径；

随形桁架结构中正八面体单元结构的边长a随待加工零件变化，边长a与待加工零件任意最相邻两点间距离之比≤1，组成桁架结构的支撑杆的横截面积大于等于其支撑部位的待加工零件横截面积。

三维空间定位支撑结构强度较小，以便于在步骤5中，不费力(比如人工即可去除)地去除组合体模型实体上三维空间定位支撑结构。

随形桁架结构的正八面体单元结构分布、正八面体单元结构边长a随待加工零件的形状而变化。

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，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过添加可以限制零件自由度的三维空间定位支撑结构使零件在三维空间定位，可以克服传统下部树形支撑结构与下部网格支撑结构中易断裂、难成形部分，以及实体支撑难去除、耗粉多、效率低的难题，可以大大减少成形支撑结构所用的粉末，提高原料利用率，且能够有效提高成形效率；同时还可以保证零件在空间各个方向不发生应力变形，利于高自由度复杂结构零件的成形及尺寸精度控制，尤其适合制造SMA零件。

2、本发明装置用于增材制造方法加工零件，无需模具和夹具，大幅降低了加工成本，简化了工艺流程，能低成本、高效率地制造高自由度复杂结构的零件。

3、本发明使用三维空间定位支撑结结合增材制造方法，可以避开金属的难加工性，也成功地避免了零件由机械加工成型所引起的回弹变形，从而更加精确地控制零件的形状尺寸精度。

附图说明

图1为三维空间定位随形树形结构示意图的一种，其为外形呈锥形状的随形树形结构示意图，结构101为待加工的60Mn钢零件，结构102为少量从基板或者成形台面生长的底部支杆，结构103为三维空间定位随形的随形树形结构；

图2为三维空间定位随形树形结构示意图的第二种，其为外形呈沙漏状的随形树形结构示意图，结构101为待加工的60Mn钢零件，结构102为少量从基板或者成形台面生长的底部支杆，结构103为三维空间定位随形的随形树形结构；

图3为三维空间定位随形网格结构示意图，结构201为待加工的304不锈钢零件，结构202为少量从基板或者成形台面生长的常规竖直的底部支杆，结构203为随形网格结构，其包括经线和纬线，经线和纬线交叉形成网格，还包括常规竖直的底部支杆，以及母线处支撑杆，母线处支撑杆位于经线和纬线交叉形成的网格外壁上，沿着随形网格结构整体的母线处设置，起到进一步支撑和加固的作用；

图4为三维空间定位随形桁架结构示意图，结构301为待加工的NiTi零件，结构302为三维空间定位随形桁架结构；图4(a)为竖式随性桁架结构示意图，图4(b)为卧式桁架结构示意图。

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为三维空间定位随形树形结构示意图的一种，其为外形呈锥形状的随形树形结构示意图，结构101为待加工的60Mn钢零件，结构102为少量从基板或者成形台面生长的底部支杆，结构103为三维空间定位随形的随形树形结构。图2为外形呈沙漏状的随形树形结构示意图。由以上两图可知，该实施例采用随形树形三维支撑结构，中心主杆与待加工件轴心方向平行(即与加工平面垂直)，添加少量常规竖直的底部支杆以弥补与待加工平面小于45°的树形状的周边支杆难以成形的不足，并从适当高度开始沿中心主杆添加三维空间定位的周边支杆，周边支杆与待加工平面的夹角均大于45°，且周边支杆支撑点的水平截面积大于等于其支撑部位处的待加工零件截面积。周边支杆沿中心主杆向最近的待加工零件部分的底面生长，其数量及分布随待加工零件的形状变化而变化。中心主杆的横截面积可随周边支杆的数量增多而增大，但需小于相同加工层上待加工零件的最小内径。

图3为三维空间定位随形网格结构示意图，结构201为待加工的304不锈钢零件，结构202为少量从基板或者成形台面生长的常规竖直的底部支杆，结构203为随形网格结构，其包括经线和纬线，经线和纬线交叉形成网格，还包括常规竖直的底部支杆，以及母线处支撑杆，母线处支撑杆位于经线和纬线交叉形成的网格外壁上，沿着随形网格结构整体的母线处设置，起到进一步支撑和加固的作用。

具体的，该实施例采用随形网格结构的三维支撑结构，实际工程实践中，可以根据待加工零件的形状及摆放方式建立随形网格结构(但需要保证随形网格结构外表面的切线与待加工平面的夹角大于45°)，网格的形状及数量随待加工零件的形状而变化，对较低加工高度的部分零件添加少量常规竖直的底部支杆以弥补与待加工平面小于45°的底部处随形网格结构难以支撑的不足，并从设定高度开始沿网格内壁添加母线处支撑杆(也可以称为次级支撑杆)，且母线处支撑杆支撑点的横截面积≥其支撑部位的待加工零件截面积。母线处支撑杆沿随形网格向最近的待加工零件部分的底面生长，其与待加工平面大于45°，其数量及分布随待加工零件的形状变化而变化。经线和纬线形成的网格整体的内径大于相同加工层上待加工零件的外径。

图4为三维空间定位随形桁架结构示意图，图4(a)为竖式随形桁架结构示意图，图4(b)为卧式桁架结构示意图，结构301为待加工的NiTi零件，结构302为三维空间定位随形桁架结构，该实施例采用随形桁架结构，随形桁架结构以正八面体框架为单元结构进行阵列组合而成，正八面体单元结构的边长a可随待加工零件变化，组成桁架结构的支撑杆的截面积≥其支撑部位的待加工零件截面积。随形桁架结构的单元分布、单元边长a随待加工零件的形状而变化。

实施例1：

该实施例1为解释用于增材制造高自由度、复杂结构60Mn钢零件的三维空间定位随形树形支撑结构，60Mn钢零件结构外形类似锥形状的弹簧。

包括以下步骤：

步骤1：设计并优化60Mn钢零件结构101，并生成对应的三维实体模型；

步骤2：确定60Mn钢零件结构101的三维实体模型的摆放形式与位置，60Mn钢零件结构101的轴心与生长方向平行；

步骤3：针对60Mn钢零件结构101的结构和形状，选取三维空间定位随形树形支撑结构，添加少量的常规支撑结构102与三维空间定位随形树形支撑结构103(常规支撑结构可以弥补与待加工平面夹角小于45°的树形支撑结构难以成形的不足)，对60Mn钢零件结构进行三维空间定位，并生成对应的三维实体模型；

步骤4：将60Mn钢零件结构101、常规支撑结构102与三维空间定位随形树形支撑结构103共同作为增材制造的待加工对象，以适合的加工参数对60Mn钢原料粉末逐层加工，最终成形为致密实体，该致密实体即为60Mn钢零件结构101、常规支撑结构102与三维空间定位随形树形支撑结构103三者组成的共同体；

步骤5：去除共同体上常规支撑结构102与三维空间定位随形树形支撑结构103，获得高自由度复杂形状的60Mn钢零件101。

实施例2：

该实施例2为解释用于增材制造高自由度、复杂结构304不锈钢零件的三维空间定位随形网格支撑结构，304不锈钢零件结构外形类似倒锥形弹簧。

包括以下步骤：

步骤1：设计并优化304不锈钢零件结构201，并生成对应的三维实体模型；

步骤2：确定304不锈钢零件结构201的三维实体模型的摆放形式与位置，304不锈钢零件结构201的轴心与生长方向平行；

步骤3：针对304不锈钢零件结构201的结构和形状，选取三维空间定位随形网格支撑结构，添加少量的常规支撑结构202与三维空间定位网格支撑结构203(常规支撑结构可以弥补与待加工平面小于45°的网格支撑结构无法成形的不足)，对零件进行三维空间定位，并生成对应的三维实体模型；

步骤4：将304不锈钢零件结构201、常规支撑结构202与三维空间定位随形网格支撑结构203共同作为待加工对象，以适宜的加工参数对304不锈钢原料粉末逐层加工，最终成形为致密实体；

步骤5：去除常规支撑结构202与三维空间定位随形网格支撑结构203，获得高自由度复杂形状的304不锈钢零件结构201。

实施例3：

该实施例3为解释用于增材制造高自由度、复杂结构NiTi合金零件的三维空间定位随形桁架支撑结构，NiTi合金零件结构外形也类似倒锥形结构，其中三维空间定位随形桁架支撑结构具有最广泛的适用性。

包括以下步骤：

步骤1：设计并优化NiTi合金零件结构301，并生成对应的三维实体模型；

步骤2：确定NiTi合金零件结构301的三维实体模型的摆放位置，可选取任意摆放形式，可尽量保证较低的加工高度，以减少铺粉所用时间从而提高加工效率；

步骤3：选取三维空间定位随形桁架支撑结构，根据NiTi合金零件结构301的结构和形状，构建合适规格和形状的三维空间定位随形桁架支撑结构302，可保证低耗粉量与高加工效率，对NiTi合金零件进行三维空间定位，并生成对应的三维实体模型；

步骤4：将NiTi合金零件结构301、三维空间定位随形桁架支撑结构302共同作为待加工对象，以适宜的加工参数对NiTi合金原料粉末逐层加工，最终成形为致密实体；

步骤5：去除三维空间定位随形桁架支撑结构302，获得高自由度复杂形状的NiTi合金零件结构301。

与现有技术相比，该方法可避免制造细而高的支撑结构，也无需使用难以去除、耗粉量高、成形效率低的实体支撑结构，从而高效、高质量地增材制造出高自由度复杂结构零件，同时还有助于进一步提高对零件尺寸精度的控制。

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)

1.一种高自由度复杂结构零件的增材制造装置，其特征在于，其用于在增材制造零件过程中对高自由度复杂结构的待成形零件进行三维空间上的定位支撑，其包括随形树形结构、随形网格结构以及随形桁架结构，

所述随形树形结构整体设置在待成形零件内部空间处，其包括中心主杆和设置在中心主杆周壁上的周边支杆，所述周边支杆用于固定和支撑待成形的高自由度复杂结构零件，中心主杆与待成形的高自由度复杂结构零件的轴心平行，同时与加工面垂直，周边支杆与增材制造零件过程中加工面大于45°，所述随形树形结构中心主杆横截面积大小随周边支杆数量增多而增大，且小于同一加工层上待加工零件的最小内径；

所述随形网格结构整体固定并包套在待成形零件外壁处，其包括经线和纬线，经线和纬线交叉形成随形网格，随形网格结构的内径大于相同加工层上待加工零件的外径；

所述随形桁架结构设置在待成形零件内部空间处和外壁处，其为多个支撑杆按照正八面体结构以角部相连而形成的桁架结构；随形桁架结构中正八面体单元结构的边长a随待加工的高自由度复杂结构零件尺寸变化，边长a与待加工高自由度复杂结构零件在生长方向上任意最相邻两点间距离之比≤1，组成桁架结构的支撑杆的横截面积大于等于其支撑部位的待加工高自由度复杂结构零件的横截面积；

随形桁架结构的正八面体单元结构分布、正八面体单元结构边长a随待加工高自由度复杂结构零件的形状而变化。

2.如权利要求1所述的高自由度复杂结构零件的增材制造装置，其特征在于，所述随形树形结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行且垂直于加工台面，用于支撑在待加工的高自由度复杂结构零件的最底部，以能弥补与加工平面大于45°的周边支杆的支撑不足。

3.如权利要求1所述的高自由度复杂结构零件的增材制造装置，其特征在于，所述随形网格结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行，用于支撑在待加工的高自由度复杂结构零件的最底部，以能弥补随形网格结构底部处的支撑不足。

4.一种高自由度复杂结构零件的增材制造方法，其特征在于，其包括下述步骤：

步骤1：根据待加工高自由度复杂结构零件的结构生成对应的三维实体模型；

步骤2：确定零件三维实体模型的摆放形式与位置；

步骤3：针对待加工高自由度复杂结构零件的结构和形状，选取三维空间定位支撑结构的类型，包括随形树形结构、随形网格结构和随形桁架结构，对零件进行三维空间定位，并生成对应的包括三维空间定位支撑结构和零件三维实体模型的组合体模型；

其中，随形树形结构适用于下宽上窄形状的待加工零件，随形网格结构适用于下窄上宽形状的待加工零件，随形桁架结构适用任意形状的零件；

步骤4：将组合体模型作为待加工对象，以设定的工艺参数对金属原料粉末逐层加工，最终成形为致密的组合体模型实体；

步骤5：去除组合体模型实体上的三维空间定位支撑结构，获得高自由度复杂形状的金属零件；

步骤3中，在支撑过程中，

所述随形树形结构整体设置在待成形的高自由度复杂结构零件内部空间处，其包括中心主杆和设置在中心主杆周壁上的周边支杆，所述周边支杆用于固定和支撑待成形的高自由度复杂结构零件，

所述随形网格结构整体固定和包套在高自由度复杂结构零件的外壁处，其包括经线和纬线，经线和纬线交叉形成随形网格，

所述随形桁架结构设置在待成形零件内部空间处和外壁处，其为多个支撑杆按照正八面体结构以角部相连而形成的桁架结构；

所述随形树形结构中心主杆横截面积大小随周边支杆数量增多而增大，且小于相同加工层上待加工零件的最小内径；

随形网格结构的内径大于相同加工层上待加工零件的外径；

随形桁架结构中正八面体单元结构的边长a随待加工零件变化，组成桁架结构的支撑杆的横截面积大于等于其支撑部位的待加工零件横截面积。

5.如权利要求4所述的一种高自由度复杂结构零件的增材制造方法，其特征在于，

所述随形树形结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行且垂直于成形台面，用于支撑在零件的最底部，以能弥补与待加工平面大于45°的周边支杆的支撑不足，

所述随形网格结构还包括底部支杆，所述底部支杆相互平行，用于支撑在零件的最底部。