CN110385855A - 一种零件的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种零件的增材制造方法，用于快速成型零件，步骤包括：在成型基面上进行逐层铺粉并烧结，以成型零件；c100.堆叠并烧结第1层铺粉层至第x层铺粉层，以成型第1层至第i层切片，包括：c10.确定等效铺粉距离为最大值的第i层切片；c11.根据第i层切片的等效铺粉距离来确定第1层铺粉层的铺粉量；c12.设定堆叠后的铺粉层在成型基面上形成的斜坡的坡度角；c13.根据坡度角、第x–1层铺粉层的铺粉量以及第x–1层铺粉层的烧结情况来确定第x层铺粉层的铺粉量。

Description

一种零件的增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种零件的增材制造方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，俗称3D打印技术，是一种具有广阔发展前景且发展较快的快速成形技术。AM技术核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期发展成熟并被广泛应用。至今增材制造技术已延伸到如航空航天、船舶、军工、汽车、医学、教育等领域，并随着科技的进步会一步步的扩大应用范围。
增材制造成形原理是利用Magics、Rp-tools等软件将计算机辅助设计(ComputerAided Design，CAD)的三维零件模型进行分层切片处理，将复杂的三维制造离散为层层叠加的二维制造，并用激光热源将材料逐层熔融堆积成形，快速加工出具有任意几何复杂形状和一定功能的三维实体零件或模型。从几何的角度看，三维零件是由点线面组合而成的空间实体。增材制造技术成形其实是先将零件的体-面-线-点进行离散，然后又将其点-线-面-体进行叠加的一个过程，即三维CAD模型-二维切片-三维零件。
目前市场上增材制造技术的种类繁多，主要分为选区激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)、激光立体成形(Laser Solid Forming，LSF)、熔融沉积成型(FusedDeposition Modeling，FDM)、光固化成形(Stereo lithography Appearance，SLA)等，其中SLM打印技术近年来在航空航天领域发展迅猛。
在SLM打印技术的加工过程中，送粉-铺粉-烧结-工作台下降这一过程不断重复，最终完成加工。铺粉过程是SLM打印技术中的关键过程，粉末层的厚度及均匀性对成形工艺和整个零件的成形效果有着重大影响。目前，普遍采用的定量送粉的方式是一个开环控制系统，操作人员根据实际情况对粉量进行补偿调整，导致供粉量不够精确，容易出现过大或者过小的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种零件的增材制造方法，该方法供粉更加精确。
为实现目的的零件的增材制造方法，用于快速成型零件，步骤包括：
在成型基面上进行逐层铺粉并烧结，以成型零件；
c100.堆叠并烧结第1层铺粉层至第x层铺粉层，以成型第1层至第i层切片，包括：
c10.确定等效铺粉距离为最大值的第i层切片；
c11.根据第i层切片的等效铺粉距离来确定第1层铺粉层的铺粉量；第1层铺粉层的铺粉量P1由下列公式计算：
P1＝Li×c×b；
其中，c为刮刀的长度，b为铺粉层的平均厚度，Li为第i层切片的等效铺粉距离；
c12.设定堆叠后的铺粉层在所述成型基面上形成的斜坡的坡度角；
c13.根据所述坡度角、第x–1层铺粉层的铺粉量以及第x–1层铺粉层的烧结情况来确定第x层铺粉层的铺粉量；第x层铺粉层的铺粉量Px由下列公式计算：
Px＝(Li–(x–1)×b×cotθ)×c×b+(Δa+b)×Sx-1–Px-1；
其中，x＞1；θ为所述坡度角；Δa为第x–1层铺粉层的烧结区域具有的凹陷的Z方向的收缩量；Sx-1为第x–1层铺粉层的烧结区域的面积；Px-1为第x–1层铺粉层的铺粉量。
在一个实施例中，先将铺粉层的未烧结的成型粉末填充至该铺粉层的烧结区域形成的凹陷中，然后进行下一层铺粉。
在一个实施例中，在刮刀回位的过程中，使刮刀将未烧结的成型粉末移动至的凹陷中。
在一个实施例中，等效铺粉距离Ln由下列公式计算：
Ln＝L左n+Hn×cotθ；
其中，L左n为第n层切片的左轮廓线到刮刀的起始位置的距离；Hn为第n层切片具有的垂直高度；
第i层切片的等效铺粉距离Li为Ln的最大值。
在一个实施例中，刮刀为长条状，刮刀的移动方向垂直于刮刀的长度方向。
在一个实施例中，θ的范围为30°至60°。
在一个实施例中，成型粉末为金属或者塑料粉末。
在一个实施例中，刮刀为长条状，刮刀的移动方向垂直于刮刀的长度方向。
本发明的积极进步效果在于：
由于在铺粉层的铺粉量的计算过程中，将等效铺粉距离的最大值、铺粉层的烧结区域具有的凹陷的体积，以及堆叠后的铺粉层在成型基面上能够形成坡度角考虑在内，因此使得铺粉层的铺粉量的计算更加精确，相应的铺粉量的过程也更加精确。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为本发明中铺粉层堆叠，在成型基面上形成斜坡的示意图，其中该斜坡的坡度角为θ；
图2为本发明中烧结区域形成凹陷的示意图，其中该凹陷具有Z方向的收缩量Δa；
图3为本发明中刮刀的长度和第i层切片的左轮廓线到刮刀的起始位置的距离L左i的示意图；
图4为第n层切片的等效铺粉距离Ln的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
下述公开了多种不同的实施的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
需要注意的是，图1至图4均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
增材制造方法是在成型基面上进行逐层铺粉并烧结，以形成零件实体的方法。成型基面可以是成型平台的上表面，也可以是烧结后的某一层铺粉层的上表面。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，铺粉层T包括第1层铺粉层T1、第2层铺粉层T2、第3层铺粉层T3、第4层铺粉层T4等等。每一层铺粉层均具有由零件S的轮廓限定出的烧结区域。在零件S的成型过程中，先对位于下层的铺粉层进行烧结，然后在烧结后的铺粉层上进行铺粉，形成新的铺粉层，然后再进行烧结。循环铺粉-烧结-铺粉的过程，进而形成零件S。在一个实施例中，成型粉末为金属或者塑料粉末。
参考图3，铺粉过程由刮刀D来实现，刮刀D在起始位置Q在X方向上将铺粉缸内的成型粉末刮到成型平台的上表面上。在一个实施例中，刮刀D可以是长条形的刮刀，其长度为c。刮刀D的移动方向垂直于所述刮刀D的长度方向。成型平台的上表面为成型基面。
坡度角θ可以由工作人员在铺粉前根据成型粉末的性质以及零件不同高度位置上的形状变化来预先设定。在坡度角θ被设定之后，在计算每一层的铺粉量的过程中，都会与该坡度角θ关联。
本发明的实施例中，为了使铺粉层T形成如图1所示的具有坡度角θ的斜坡，每一层铺粉层的铺粉量均不相同，且自下而上逐渐减少，如上文所述，在计算每一层的铺粉量的过程中，每一层的铺粉量都会与该坡度角θ关联。此外，本发明的零件的增材制造方法还与等效铺粉距离的最大值、铺粉层的烧结区域具有的凹陷的体积相关联，因此使得铺粉层的铺粉量的计算更加精确，相应的铺粉量的过程也更加精确。具体关联方式见后文描述。
在铺粉层的平均厚度为b的情况下，又由于刮刀D刮出的铺粉层的宽度相同(等于刮刀的长度c)，因此在每一层铺粉层的铺粉量自下而上逐渐减少的情况下，铺粉层的长度就会自下而上逐渐减小，进而形成如图1所示的具有坡度角θ的斜坡。根据零件形状的不同及成形粉末的差异，θ的范围为30°至60°。
在铺粉-烧结-铺粉的过程，在一层铺粉层烧结完成后，成型平台下降铺粉层的平均厚度为b，来使下一层的铺粉过程能够进行。
下面通过一个完整的增材制造的实施例，来对本发明中的种零件的增材制造方法进行说明。
在进行增材制造之前，需要对零件的三维模型进行分层切片处理，例如将所述三维模型分为n层切片。零件的三维模型可在CAD软件中生成，使用增材制造专业模型处理软件Magics和RP-Tools能够实现对该三维模型的分层切片处理。
本发明的一个实施例中，在成型基面上进行逐层铺粉并烧结，依次分别成型第1层切片至第n层切片的步骤包括：
c100.堆叠并烧结第1层铺粉层至第x层铺粉层，以成型第1层至第i层切片，包括：
c10.确定等效铺粉距离为最大值的第i层切片；
第i层切片具有的等效铺粉距离Li为等效铺粉距离Ln的最大值，等效铺粉距离Ln由下列公式计算：
Ln＝L左n+Hn×cotθ；
其中，如图4所示，L左n为第n层切片的左轮廓线到刮刀的起始位置的距离；Hn为第n层切片具有的垂直高度；θ为上述坡度角；
在一个比较例中，等效铺粉距离Ln仅为L左n，因此堆叠后的铺粉层不会在成型基面上形成如图4所示的斜坡，位于上层的铺粉层的远离刮刀起始位置的一端会不可避免地悬置在下层的铺粉层的远离刮刀起始位置的一端，导致位于上层的铺粉层的远离刮刀起始位置的一端在重力的作用下容易发生断裂；
c11.根据第i层切片的等效铺粉距离来确定第1层铺粉层的铺粉量；第1层铺粉层的铺粉量P1由下列公式计算：
P1＝Li×c×b；
其中，c为刮刀的长度，b为铺粉层的平均厚度，Li为第i层切片具有的等效铺粉距离；
c12.设定堆叠后的铺粉层在所述成型基面上形成的斜坡的坡度角；
c13.根据所述坡度角、第x–1层铺粉层的铺粉量以及第x–1层铺粉层的烧结情况来确定第x层铺粉层的铺粉量；第x层铺粉层的铺粉量Px由下列公式计算：
Px＝(Li–(x–1)×b×cotθ)×c×b+(Δa+b)×Sx-1–Px-1；
其中，x＞1；θ为所述坡度角；Δa为第x–1层铺粉层的烧结区域具有的凹陷的Z方向的收缩量；Sx-1为第x–1层铺粉层的烧结区域的面积；Px-1为第x–1层铺粉层的铺粉量。
在一些实施例中，对于一些结构简单的零件(n＝i)，在堆叠并烧结完成第1层铺粉层至第x层铺粉层后，零件就已经成型完毕。但对于结构复杂的零件(n＞i)，则还需重复上述步骤c100，来继续成型过程。
具体步骤如下：
c200.以烧结后的所述第x层铺粉层的上表面为成型基面，在第i+1层切片至第n层切片中确定等效铺粉距离为最大值的第j层切片；等效铺粉距离Lj为n≥i+1时Ln的最大值；
重复步骤c100，以堆叠并烧结第x+1层铺粉层至第x+y层铺粉层，从而成型第i+1层切片至第i+j层切片，以逐渐减少所述n层切片中未成型的切片的数量；其中，将第x+1层铺粉层作为步骤c100中的第1层铺粉层。
C300.以烧结后的所述第x+y层铺粉层的上表面为成型基面，在第i+j+1层切片至第n层切片中确定等效铺粉距离为最大值的第k层切片；等效铺粉距离Lk为n≥i+j+1时Ln的最大值；
重复步骤c100，以堆叠并烧结第x+y+1层铺粉层至第x+y+z层铺粉层，从而成型第i+j+1层切片至第i+j+k层切片，最终逼近成型全部所述n层切片；其中，将第x+y+1层铺粉层作为步骤c100中的第1层铺粉层。
在每一层的铺粉量计算完毕后，用刮刀在成型基面上按照铺粉层的平均厚度进行铺粉，以形成各层铺粉层；
各层铺粉层烧结后，形成具有凹陷的烧结区域；如图2所示，凹陷具有体积ΔV。在一个实施例中，凹陷的体积等于铺粉层的烧结区域的面积乘以凹陷的Z方向的收缩量；
在本发明的其他实施例中，先将铺粉层的未烧结的成型粉末填充至该铺粉层的烧结区域形成的凹陷中，然后进行下一层铺粉。在刮刀回位的过程中，使刮刀将未烧结的成型粉末移动至所述的凹陷中。
本发明的积极进步效果在于：
由于在铺粉层的铺粉量的计算过程中，将等效铺粉距离的最大值、铺粉层的烧结区域具有的凹陷的体积，以及堆叠后的铺粉层在成型基面上能够形成坡度角考虑在内，因此使得铺粉层的铺粉量的计算更加精确，相应的铺粉量的过程也更加精确。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种零件的增材制造方法，用于快速成型零件，步骤包括：在成型基面上进行逐层铺粉并烧结，以成型零件；
其特征在于：
c100.堆叠并烧结第1层铺粉层至第x层铺粉层，以成型第1层至第i层切片，包括：
c10.确定等效铺粉距离为最大值的第i层切片；
c11.根据第i层切片的等效铺粉距离来确定第1层铺粉层的铺粉量；第1层铺粉层的铺粉量P1由下列公式计算：
P1＝Li×c×b；
其中，c为刮刀的长度，b为铺粉层的平均厚度，Li为第i层切片的等效铺粉距离；
c12.设定堆叠后的铺粉层在所述成型基面上形成的斜坡的坡度角；
c13.根据所述坡度角、第x–1层铺粉层的铺粉量以及第x–1层铺粉层的烧结情况来确定第x层铺粉层的铺粉量；第x层铺粉层的铺粉量Px由下列公式计算：
Px＝(Li–(x–1)×b×cotθ)×c×b+(Δa+b)×Sx-1–Px-1；
其中，x＞1；θ为所述坡度角；Δa为第x–1层铺粉层的烧结区域具有的凹陷的Z方向的收缩量；Sx-1为第x–1层铺粉层的烧结区域的面积；Px-1为第x–1层铺粉层的铺粉量。
2.如权利要求1所述的零件的增材制造方法，其特征在于，先将铺粉层的未烧结的成型粉末填充至该铺粉层的烧结区域形成的凹陷中，然后进行下一层铺粉。
3.如权利要求2所述的零件的增材制造方法，其特征在于，在刮刀回位的过程中，使刮刀将未烧结的成型粉末移动至所述的凹陷中。
4.如权利要求1所述的零件的增材制造方法，其特征在于，等效铺粉距离Ln由下列公式计算：
Ln＝L左n+Hn×cotθ；
其中，L左n为第n层切片的左轮廓线到刮刀的起始位置的距离；Hn为第n层切片具有的垂直高度；
第i层切片的等效铺粉距离Li为Ln的最大值。
5.如权利要求1所述的零件的增材制造方法，其特征在于，所述刮刀为长条状，所述刮刀的移动方向垂直于所述刮刀的长度方向。
6.如权利要求1所述的零件的增材制造方法，其特征在于，θ的范围为30°至60°。
7.如权利要求2所述的零件的增材制造方法，所述成型粉末为金属或者塑料粉末。
8.如权利要求1所述的零件的增材制造方法，其特征在于，所述刮刀为长条状，所述刮刀的移动方向垂直于所述刮刀的长度方向。
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