CN110103474B - 一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法：1)通过有限元分析建立模拟实际工况下的零件应力模型；2)根据零件模型的几何特征和应力分布特征，对模型依次进行建造模块划分、各建造模块的结构层的构建与切片以及结构层内轨迹构建，获取零件仿生结构模型；3)校验步骤2)中的零件结构模型与步骤1)中的零件应力模型的匹配程度是否达到预期；4)采用多轴3D打印系统对校验后的具有最优仿生结构的零件进行制造。与现有技术相比，本发明从仿生学“应力与结构关系”出发，基于应力调控结构，提高了零件结构效能，使零件具有轻量化潜能，使增材制造在实现几何定制的同时，能够实现基于零件实际工况的性能定制。

Description

一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法。

背景技术

传统三轴打印系统只有一个建造方向，零件的制造过程只是一系列平面层的线性叠加，其制造模式较为单一，导致零件出现强度的各向异性(层内线与线之间以及层间面与面之间存在的性能差异称为各向异性)，进而导致零件的机械性能下降。而事实上，各向异性并不是导致零件机械性能下降的直接诱因，根本原因在于零件结构各向异性强度与零件的各向异性应力不一致或者不协调。因此如何正确认识各向异性从而因势利导利用这一特性以趋利避害成为解决问题的关键。受自然界生物沿外部环境应力方向进行生长(如骨骼发育与应力密切相关、树木的应力性生长)的启发，如果使零件材料的排布也能够按照零件所承受的载荷(应力分布)进行规划，使材料形成的结构能够最大程度上与零件的应力分布特征保持一致，那么在提高零件机械性能的同时，也减少了材料的冗余从而达到“物尽其用”。

多轴打印系统自由度的增加突破了原有三轴系统的限制，不再局限于单一的建造方向，零件可以划分区域建造，并且可以有多个建造方向，结构层不仅是传统的平面而且可以是曲面形态，多轴打印系统激发了三维空间内零件建造的灵活性与可控性，拓展了增材制造零件结构的设计空间。然而，现有制造技术主要考虑的是零件几何特征和制造特征，关乎性能的增材制造零件结构设计与制造并没有引起人们足够的重视。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于零件机械性能与其内部结构相关这一基本认知，并结合仿生学“应力与结构关系”理论，本发明涉及一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法，该方法具体包括下列步骤：

S1、建立零件三维模型，对模型进行有限元分析，获取零件模拟实际工况下的应力分布特征，构建零件应力模型。

S2、以“体→面→线”结构设计为基础，对零件模型结构进行设计，具体包括建造模块划分、结构层形态设计与切片以及结构层内轨迹设计。

1)根据零件几何特征(如平板、孔、加强筋等特征)、模型的应力分布特征(方向、性质、大小，尤其需注意应力集中部位)将零件划分为若干建造结构模块，以将零件内部结构特征与复杂的几何特征及应力相协调。零件分模块建造可以有多个建造方向，零件整体建造方向定义为全局建造方向，各个建造模块相对自身建造坐标系的建造方向定义为模块建造方向，全局建造方向只有一个，而模块建造方向可以有多个。在划分好建造模块后，以无向图表示零件各建造模块之间相互连接的拓扑关系并对应规划各建造模块的建造顺序。

2)根据结构的层间应力应最大程度上转化到层内的原则，对各建造模块的结构层的形态进行设计。

定义底层起始点，选择第一条种子应力线，遍历底层所有位置与选取的种子应力线的距离，根据工艺设定的最小、最大层厚限制、种子应力线的层厚权重、变化率因子等，生成各个位置的层厚，形成变层厚层，并不断向上遍历，直至达到零件上表面。随后选择第二条种子应力线，重复上述遍历过程，直到完成基于所有种子应力线的遍历。

结构层的生成，通过局部增加或减小结构层的层厚，改变结构层的形状，使之与主应力轨迹线保持映射关系。生成的结构层形态利用开源软件进行切片，通过对切片后生成的轨迹进行优化编辑以消除冗余，获取最终的零件结构层。

3)根据层内沉积轨迹最大化沿应力方向排布原则，对层内沉积轨迹进行设计。

根据零件有限元分析结果通过插值和跟踪算法得到主应力轨迹线，选取关键主应力轨迹线作为种子应力线，采用最小二乘法对生成的轨迹进行优化，使轨迹上每一点的切线方向与种子应力线保持一致，以最大程度保证材料层内轨迹与主应力轨迹线的映射关系。

为使层内轨迹在多个工况下均能最大程度与主应力轨迹线保持映射关系，将零件在不同工况下的主应力轨迹线分别进行二次插值合成，得到的合成主应力轨迹线作为零件在多工况下材料沉积轨迹的映射，获取设计的结构层内轨迹。

S3、校验步骤S2中所设计的仿生结构模型是否与步骤S1中的零件应力模型最大程度上保持一致，保持一致是指设置两个模型的匹配程度(如90％、95％等)，若达到预期匹配度则可输出作为具有最优仿生结构的零件，不符合预期则需要两个模型的不断循环迭代，直至达到预期效果。

S4、采用多轴3D打印系统对步骤S3中校验后的具有最优仿生结构零件进行制造，将这些内部具有高效仿生结构的零件运用到实际工况中，可以提高零件的机械性能和结构效能。

多轴3D打印系统集成了挤出装置、六自由度机械臂以及相应控制模块，机械臂与挤出装置可同步协调运行，实现挤出头的变轴向平面曲面复合运动。多轴3D打印系统的挤出头与工作平台、支撑或已打印部分等干涉问题，可延长挤出头的长度，采用细长挤出头以增强其可达性，此外利用机械臂的转动自由度做小角度的变动，避开干涉。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明方法本质上是规划零件如何“增材”，受自然界中树木和骨骼结构生长完全遵循应力性生长规律启发，按照“体→面→线”结构设计，根据零件模型的应力分布特征将零件划分为若干建造结构模块，根据结构的层间应力应最大程度上转化到层内的原则，对各建造模块的结构层的形态进行设计，根据层内沉积轨迹最大化沿应力方向排布原则，对层内沉积轨迹进行设计，使零件材料排布响应零件的应力分布特征，最终形成的仿生结构是对其所承受应力自下而上多层级智能响应的结果，这种仿生结构能够提高零件的机械性能和结构效能，实现零件从“几何”到“性能”的智能化定制；同时，本发明对改善挤出式增材制造零件机械性能具有直接而现实的指导，对推进其在我国航空航天以及医疗等领域的应用具有重要意义；

二、本发明在各建造模块的结构层的构建与切片的步骤中通过局部增加或减小结构层的层厚，设计平面、曲面及平面曲面复合的多种结构层形态，使之与应力分布相协调，能够使最终生成的零件内部结构更加具备仿生结构特征，有利于增材零件的智能化定制；

三、本发明方法对每一个建造模块定义底层起始点选择第一条种子应力线来生成各个位置的层厚，形成变层厚层，并不断向上遍历，直至达到零件上表面，选择第二条种子应力线重复遍历过程，直到完成基于所有种子应力线的遍历；通过将生成的结构层采用开源软件进行切片，并对切片后生成的轨迹进行优化编辑，获取最终的零件结构层；采用上述结构层设计方式有利于使零件材料排布响应零件的应力分布特征，进一步提高零件的机械性能和结构效能。

附图说明

图1为本发明方法的总体技术路线图；

图2为基于本发明方法的仿生结构设计技术路线图；

图3为本发明方法中模块划分与建造顺序规划示意图；

图4为本发明方法中结构层形态设计与切片流程示意图；

图5为多工况下结构层内轨迹设计示意图；

图6为仿生结构(开环与闭环)设计流程示意图；

图7为多轴3D打印系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明总体技术路线如图1所示，基于零件机械性能与其内部结构相关这一基本认知，受仿生学“应力与结构关系”的启发，提出了一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法，即如何根据零件实际工况下的载荷信息在三维设计空间设计并制造材料的最优结构，该零件材料仿生结构是对其所承受应力自下而上(线→面→体→零件)多层级智能响应的结果。

一种基于多轴3D打印系统的仿生结构设计与制造方法，包括如下步骤：

步骤一、建立零件三维模型，对模型进行有限元分析，获取零件模拟实际工况下的应力分布特征，建立零件应力模型。

步骤二、如图2所示，按照“体→面→线”结构设计：根据零件模型的应力分布特征将零件划分为若干建造结构模块，根据结构的层间应力应最大程度上转化到层内的原则，对各建造模块的结构层的形态进行设计，根据层内沉积轨迹最大化沿应力方向排布原则，对层内沉积轨迹进行设计。

1)建造模块划分：

根据零件的几何特征(如平板、孔、加强筋等特征)、模型应力特征(方向、性质、大小，尤其需注意应力集中部位)，将零件划分为若干建造模块，主要目的是在同一个零件上应用多个建造方向，以期将零件结构特征与复杂的几何特征及应力特征相协调。分模块建造可以有多个建造方向，为了明确建造方向与零件空间位置的关系，需定义零件整体建造方向(往往为零件空间位置上的Z方向)为全局建造方向(Global Building Direction，GBD)，定义各个建造模块相对自身建造坐标系的建造方向为模块建造方向(LocalBuilding Direction，LBD)，在此定义下，GBD只有一个，而LBD可以有多个。在划分好建造模块后，以无向图表示零件各建造模块之间相互连接的拓扑关系并对应规划的各建造模块的建造顺序，如图3所示。

2)结构层形态设计与切片：

零件在实际工况下的主应力轨迹线映射到结构层，生成平面、曲面及平面曲面复合的多种结构层形态，使应力在材料层间的传递转化到层内，从而改善零件层间较差受力特性导致的零件机械性能低下问题。基于主应力轨迹线的结构化寓意的结构层形态的映射方法(如图4所示)为：根据零件的主应力轨迹线以载荷作用区连接到结构承载区为原则选取种子应力线，定义底层起始点，选择第一条种子应力线，遍历底层所有位置与选取的种子应力线的距离，根据给定的最小最大层厚限制、种子应力线的层厚权重、变化率因子等，生成各个位置的层厚，形成变层厚层，并不断向上遍历，直至达到零件上表面。随后选择第二条种子应力线，重复上述遍历过程，直到完成基于所有种子应力线的遍历。应力调控的从面到体的沉积过程(即结构层的生成)，通过局部增加或减小结构层的层厚，改变结构层的形状，使之与主应力轨迹线保持映射关系。生成的结构层形态利用Bread开源软件进行切片，通过开发Matlab程序对切片后生成的轨迹进行优化编辑以消除冗余，得到最终的零件结构层。

3)结构层内轨迹设计：

零件结构在层内的轨迹设计依据与主应力轨迹线保持最大程度的映射关系。根据零件有限元分析结果通过插值和跟踪算法得到主应力轨迹线，选取关键主应力轨迹线作为种子应力线，采用最小二乘法对生成的轨迹进行优化，使轨迹上每一点的切线方向与种子应力线保持一致，以最大程度保证材料层内轨迹与主应力轨迹线的映射关系。对于同一个零件来说(几何相同)，不同的工况下其内部的主应力轨迹线分布不同。为了使层内轨迹在多个工况下均能最大程度与主应力轨迹线保持映射关系，需将零件在不同工况下的主应力轨迹线σ_I、σ_II分别进行二次插值合成，得到的合成主应力轨迹线作为零件在多工况下材料沉积轨迹的映射，如图5所示。

步骤三、当忽略零件应力模型与零件结构模型的耦合关系时，是一种开环的设计方法。事实上，零件的初次有限元分析是在假定材料为均质各向同性下生成的，而由熔融沉积成型工艺生成的实际结构呈现出非均质各向异性，进而导致零件的零件结构模型与均质各向同性的应力模型间产生了偏差，此时需要根据新的材料模型有限元结果不断循环迭代，直至收敛(零件结构模型与零件应力模型最大程度保持一致)，这种为结构的闭环设计方法，如图6所示。校验步骤二中所设计的仿生结构模型是否与步骤一的零件应力模型最大程度上保持一致，保持一致是指设置两个模型的匹配程度(如90％、95％等)，达到预期匹配度则可输出，即符合预期则为最优仿生结构，不符合预期则需要两个模型的不断循环迭代，直至达到预期效果。

步骤四、采用多轴3D打印系统对步骤三中校验后的具有最优结构零件进行制造。

采用集成熔融沉积挤出装置(定制细长挤出头，挤出孔直径0.4mm，线材直径1.75mm)的6-DOF EPSONS5-A901S机械臂(重复定位精度0.02mm，最高速度4591mm/s，RC180控制器)作为多轴3D打印系统，系统的整个控制流程如图7所示：

零件三维模型经过切片软件Slic3r处理后，输出G-code文件(包含了控制挤出装置和机械臂运动的所有指令)，G-code经Java翻译程序转换为控制挤出头的指令(包括挤出温度、速度与电扇转速等)以及控制机械臂运动的指令(EPSON专用的SPEL+语言)，从而实现机械臂与打印装置的同步控制运行。由于挤出头所需要完成的为变轴向的平面曲面复合运动，故控制其运动的机械臂在运动过程中需要完成姿态的实时变化。这里，将进一步进行切片软件的二次开发，整合实现非平面层切片功能及从G-code到SPEL+的输出功能，包括在最终代码中添加描述机械臂当前姿态的相关代码及数据。

本发明方法使零件材料排布响应零件的应力分布特征，经过上述四个步骤获取的最终结果即为零件内部具有最优仿生结构，该仿生结构是对其所承受应力自下而上多层级智能响应的结果，将具有高效仿生结构的零件运用到实际工况中，能够提高零件的机械性能和结构效能，实现零件从“几何”到“性能”的智能化定制；同时，本发明对改善挤出式增材制造零件机械性能具有直接而现实的指导，对推进其在我国航空航天以及医疗等领域的应用具有重要意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1：建立零件三维模型，对模型进行有限元分析，获取零件三维模型模拟实际工况下的包括应力方向、性质、大小在内的应力分布特征，构建零件应力模型；

S2：基于仿生学应力与结构关系的理论，根据零件三维模型几何特征和应力分布特征对零件依次进行建造模块划分、各建造模块的结构层的构建与切片以及结构层内轨迹构建，获取零件仿生结构模型；

所述的建造模块划分的具体步骤包括：

1)对零件划分若干建造结构模块，将零件整体建造方向定义为全局建造方向，并将各个建造模块相对自身建造坐标系的建造方向定义为模块建造方向；

2)在划分好建造模块后，以无向图表示零件各建造模块之间相互连接的拓扑关系，并对应规划各建造模块的建造顺序；

所述的各建造模块的结构层的构建与切片的具体步骤包括：

1)对每一个建造模块定义底层起始点，选择第一条种子应力线，根据最小、最大层厚限制、种子应力线的层厚权重、变化率因子生成各个位置的层厚，形成变层厚层，并不断向上遍历，直至达到零件上表面；

2)选择第二条种子应力线，重复上述遍历过程，直到完成基于所有种子应力线的遍历；

3)根据结构的层间应力应最大程度上转化到层内的原则，通过局部增加或减小各建造模块的结构层的层厚，改变结构层的形状，直到结构层形状与主应力轨迹线保持映射关系，生成初始结构层；

4)将生成的结构层采用开源软件进行切片，并对切片后生成的轨迹进行优化编辑，获取最终的零件结构层；

所述的结构层内轨迹构建的具体内容为：

1)根据层内沉积轨迹最大化沿应力方向排布原则，采用最小二乘法对步骤S2生成的轨迹进行优化，使轨迹上每一点的切线方向与种子应力线保持一致；

2)将零件在不同工况下的主应力轨迹线分别进行二次插值合成，得到合成主应力轨迹线作为零件在多工况下材料沉积轨迹的映射，获取设计的结构层内轨迹；

S3：校验步骤S2中的零件仿生结构模型与步骤S1中的零件应力模型的匹配程度是否达到预期，若是，将输出作为具有最优仿生结构的零件，否则，将两个模型不断循环迭代，直至达到预期效果；

S4：采用多轴3D打印系统对步骤S3中校验后的最优结构零件进行制造。

2.根据权利要求1所述的一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法，其特征在于，步骤S3中，预期的匹配程度包括匹配度达到90％或匹配度达到95％。

3.根据权利要求1所述的一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法，其特征在于，选取的种子应力线遍历底层所有位置与选取的种子应力线的距离。

4.根据权利要求3所述的一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法，其特征在于，根据零件有限元分析结果，通过插值和跟踪算法获取主应力轨迹线，选取关键主应力轨迹线作为种子应力线。

5.根据权利要求1所述的一种基于应力调控的零件仿生结构增材制造方法，其特征在于，所述的多轴3D打印系统包括挤出装置、六自由度机械臂和控制模块，挤出装置、六自由度机械臂分别与控制模块连接。

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