CN110560691A - 一种粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，包括如下步骤：（1）根据零件的最大三维尺寸，选择成形零件的设备型号；（2）根据零件的三维数模，在三维造型软件中计算得出零件的实际体积V实，结合ρ实，计算零件的实际重量；根据设备成形平面面积S，零件在其中摆放后的高度h，以及粉末的ρ松，计算出成形舱中填充粉末的重量；由于粉末回收舱会回收部分粉末，储粉舱中留一些余量，还有部分粉末会被吹扫进过滤系统，因此总体粉末用量在前两部分重量相加的基础上乘以权重系数K，得到总体粉末估算重量。本发明的优点在于：能够对粉末床熔融增材制造粉末的用量进行合理估算，从而保证生产过程的顺利实施，保证产品质量，提升经济效益。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种增材制造粉末原材料用量的估算方法，特别涉及种粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法。
背景技术
增材制造技术是一种新兴的先进制造技术，基于离散/堆积原理，通过模型分层切片后的材料逐层累加，实现从零件三维数字模型一步完成零件的近净成形。与传统的加工方法相比较，增材制造技术具有无需模具，材料利用率高，产品制造周期短，可成形复杂零件等优点。粉末床熔融增材制造技术是通过热能选择性地熔化/烧结粉末床区域的增材制造工艺，具有成形零件致密，精度高，后续加工余量小的优点。但要采用粉末床熔融增材制造工艺制造出质量合格的零件，需要对生产过程中各个环节的工艺参数进行严格控制，其中就包括所用到的粉末原材料。若粉末原材料准备不足，进行到一半的制造过程需暂停下来，等待足量的粉末加入，这种生产过程的不连续势必会影响到产品质量；若准备的粉末过多，则会增加采购，仓储，运输成本，影响企业的经济效益。因此在进行生产之前，根据零件的特点对粉末床熔融增材制造工艺所需要的粉末用量进行估算是十分必要的。
在粉末床熔融增材制造过程中，加入的粉末原材料最后会分成如下五个部分：（1）根据零件三维数据模型，通过热能选择性地熔化/烧结粉末床区域，从而实现零件的三维成形（包括部分为成形悬垂结构而形成的支撑），这是进行生产所要达到的主要目的，且该部分消耗的粉末无法回收利用；（2）由于粉末床的工艺特点，在零件成形结束前每一层都要铺满粉末，部分粉末未接受热能辐照，仅起到填平成型舱的作用，这部分粉末在成形结束后能重复回收利用；（3）在粉末床制造过程中，为保证每一层均能铺满粉末，粉末的供应量一般会调得比较大，部分粉末会被刮板刮入回收仓，这部分粉末在成形结束后也能重复回收利用；（4）由于密封，留存一定余量等原因，成形结束后储粉舱中会残留少量粉末，这部分粉末在成形结束后还能重复回收利用；（5）还有部分粉末在制造过程中会被吹扫进过滤系统，这部分粉末也无法回收利用。其中，前面两部分是粉末消耗的主体。
由于生产的零件千差万别，而用于粉末床熔融的设备也有多种规格，型号，对粉末用量的估算还没有统一的方法。目前主要依靠生产人员根据经验进行大致的判断，存在因人而异的现象；由于缺乏理论分析支持，导致估算量与实际用量差别较大，不够准确，从而对产品质量，经济效益带来不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够对粉末床熔融增材制造粉末的用量进行合理估算，从而保证生产过程的顺利实施，保证产品质量，提升经济效益的粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其创新点在于：所述估算方法包括如下步骤：
步骤1：根据零件的最大三维尺寸，考虑其在成形平台上的摆放方位以及零件生产质量要求，选择成形零件的设备型号；
步骤2：根据零件的三维数模，在三维造型软件中计算得出零件的实际体积V实，结合致
密件的密度ρ实，计算零件的实际重量；根据所选的设备成形平面面积S，零件
在其中摆放后的高度h，以及粉末的松装密度ρ松，计算出成形舱中填充粉末的重量 ；由于粉末回收舱会回收部分粉末，储粉舱中留一些余量，还有部分粉
末会被吹扫进过滤系统，因此总体粉末用量在前两部分重量相加的基础上乘以权重系数K，
得到总体粉末估算重量 。
进一步地，所述步骤1中的设备是以激光为热源的粉末床熔融设备或以电子束为热源的粉末床熔融设备。
进一步地，以激光为热源的粉末床熔融设备的型号分为小型设备、中型设备和大型设备，其中，小型设备的成形平面面积S小一般 ≤ 100 mm ×100 mm，中型设备的成形平面面积S中一般为250 mm ×250 mm，大型设备的成形平面面积S大一般 ≥ 400 mm ×400mm。
进一步地，可以充分利用成形舱的三维空间特性，通过将零件在成形平台上倾斜放置的方法，利用较小型号的设备对三维尺寸方向中某一个尺寸略有超标的零件进行成形。
进一步地，所述粉末的松装密度ρ松 小于致密件的密度ρ实。
进一步地，所述权重系数K的取值大于1。
进一步地，所述权重系数K的优选取值为1.2～1.5。
本发明的优点在于：
（1）本发明粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，计算得出的原材料用量准确，既能保证零件生产过程所需，又兼顾到了采购，物流，仓储等方面的经济效益；
（2）本发明粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其中，针对粉末床熔融工艺，其所用的热源可以是激光，也可以是电子束，适用范围广泛；
（3）本发明粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，对于三维尺寸方向中某一个尺寸略有超标的零件，可以通过前期在成形平台上的合理摆放，利用较小型号的设备将其生产出来，从而减少对原材料的需求量，降低生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1 为实施例中三维模型（斯坦福兔子）在成型设备中斜向摆放示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本发明粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，该估算方法包括如下步骤：
步骤1：根据零件的最大三维尺寸，考虑其在成形平台上的摆放方位以及零件生产质量要求，选择成形零件的设备型号；
步骤2：根据零件的三维数模，在三维造型软件中计算得出零件的实际体积V实，结合致密件的密度ρ实，计算零件的实际重量
；根据所选的设备成形平面面积S，零件在其中摆放后的高度h，以及粉
末的松装密度ρ松，计算出成形舱中填充粉末的重量；由于粉末回收
舱会回收部分粉末，储粉舱中留一些余量，还有部分粉末会被吹扫进过滤系统，因此总体粉
末用量在前两部分重量相加的基础上乘以权重系数K，得到总体粉末估算重量。
作为实施例，较佳地，步骤1中的设备是以激光为热源的粉末床熔融设备或以电子束为热源的粉末床熔融设备；以激光为热源的粉末床熔融设备的型号分为小型设备、中型设备和大型设备，其中，小型设备的成形平面面积S小一般 ≤ 100 mm ×100 mm，中型设备的成形平面面积S中一般为250 mm ×250 mm，大型设备的成形平面面积S大一般 ≥ 400 mm×400 mm；可以充分利用成形舱的三维空间特性，通过将零件在成形平台上倾斜放置的方法，利用较小型号的设备对三维尺寸方向中某一个尺寸略有超标的零件进行成形；粉末的松装密度ρ松小于致密件的密度ρ实，权重系数K的取值大于1，更佳地，权重系数K的取值为1.2～1.5。
下面结合具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，是本实施例所需要打印的三维模型。使用的材料是TC4钛合金，对完成打印过程所需要准备的粉末量进行估算。
第一步，确定该模型打印所需的设备。零件的最大三维尺寸为250.6 mm×199.8mm×248.4 mm, 其长度方向上的最大尺寸为250.6 mm，远超出了小型设备的成形尺寸，也略超过了中型设备的成形尺寸（且要考虑预留四周紧固螺钉孔的位置）；若采用大型设备生产，势必要准备更多的粉末。考虑到可以将其在成形平台上斜向摆放，而中型设备的斜向对角线长度为250×21/2=353.5 mm，超过250.6 mm，加上宽度方向的尺寸尚有余地，因此可以将其在中型设备上斜向摆放，降低对粉末量的需求。
第二步，经计算，该模型所占的体积V实 =3155 cm3，经查，TC4钛合金的实体密度ρ实
=4.51 g/cm3，因此零件本身的实体重量m实 = ρ实V实=14.229 kg； 中型设备的成型幅面面积S
= 625 cm2，零件高度 h =24.84 cm，经查，TC4钛合金的粉末松装密度ρ松=2.95 g/cm3，从而
计算出成形舱中填充粉末的重量=36.492 kg；考虑到粉末回收舱
会回收部分粉末，储粉舱中留一些余量，还有部分粉末会被吹扫进过滤系统，因此总体粉末
用量在前两部分重量相加的基础上乘以权重系数K，在此取 K = 1.3，得到总体粉末估算重
量=65.937 kg。经实际生产验证，该计算合理，能满足生产需
求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其特征在于：所述估算方法包括如下步骤：
步骤1：根据零件的最大三维尺寸，考虑其在成形平台上的摆放方位以及零件生产质量要求，选择成形零件的设备型号；
步骤2：根据零件的三维数模，在三维造型软件中计算得出零件的实际体积V实，结合致密件的密度ρ实，计算零件的实际重量
；根据所选的设备成形平面面积S，零件在其中摆放后的高度h，以及粉
末的松装密度ρ松，计算出成形舱中填充粉末的重量；由于粉末回收
舱会回收部分粉末，储粉舱中留一些余量，还有部分粉末会被吹扫进过滤系统，因此总体粉
末用量在前两部分重量相加的基础上乘以权重系数K，得到总体粉末估算重量。
2.根据权利要求1所述的粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其特征在于：所述步骤1中的设备是以激光为热源的粉末床熔融设备或以电子束为热源的粉末床熔融设备。
3.根据权利要求2所述的粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其特征在于：以激光为热源的粉末床熔融设备的型号分为小型设备、中型设备和大型设备，其中，小型设备的成形平面面积S小一般 ≤ 100 mm ×100 mm，中型设备的成形平面面积S中一般为250 mm ×250 mm，大型设备的成形平面面积S大一般 ≥ 400 mm ×400 mm。
4.根据权利要求1所述的粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其特征在于：可以充分利用成形舱的三维空间特性，通过将零件在成形平台上倾斜放置的方法，利用较小型号的设备对三维尺寸方向中某一个尺寸略有超标的零件进行成形。
5.根据权利要求1所述的粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其特征在于：所述粉末的松装密度ρ松小于致密件的密度ρ实。
6.根据权利要求1所述的粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其特征在于：所述权重系数K的取值大于1。
7.根据权利要求6所述的粉末床熔融增材制造粉末用量的估算方法，其特征在于：所述权重系数K的优选取值为1.2～1.5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221214 Address after: Meng Xi Road 212003 Zhenjiang city of Jiangsu province Jingkou District No. 2 Patentee after: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Patentee after: MARINE EQUIPMENT AND TECHNOLOGY INSTITUTE JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Patentee after: TIANGONG AIHE SPECIAL STEEL Co.,Ltd. Address before: Meng Xi Road 212003 Zhenjiang city of Jiangsu province Jingkou District No. 2 Patentee before: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Patentee before: MARINE EQUIPMENT AND TECHNOLOGY INSTITUTE JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Address after: 212000 2 Mengxi Road, Jingkou District, Zhenjiang, Jiangsu Patentee after: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Patentee after: MARINE EQUIPMENT AND TECHNOLOGY INSTITUTE JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Patentee after: Jiangsu Tiangong Aihe Technology Co.,Ltd. Address before: Meng Xi Road 212003 Zhenjiang city of Jiangsu province Jingkou District No. 2 Patentee before: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Patentee before: MARINE EQUIPMENT AND TECHNOLOGY INSTITUTE JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Patentee before: TIANGONG AIHE SPECIAL STEEL Co.,Ltd. |
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