CN110666171B - 激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，所述模型校正方法用于0.5mm≤φ≤3mm的圆孔在无支撑结构情况下成形时，在模型设计时对圆孔向上作a=0.308‑0.285×0.47φ的补偿设计，a为补偿量（mm），φ为圆孔直径(mm)。本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法使得修正后的孔顶部下沉后恰好与孔底部形成圆孔，可保证圆孔的尺寸精度和圆度，提高零件尺寸合格率。

Description

激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，特别涉及一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法。
背景技术
激光选区熔化是一种最具发展潜力的增材制造技术，利用专用软件将三维零件CAD模型进行分层切片处理，获得零件各层二维数据，然后激光束根据零件数据信息选择性地熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成高致密的三维金属零件。
增材制造，又名3D打印，是一种基于离散堆积原理，逐层熔化原材料而实现零件成形的制造技术。激光选区熔化（SLM）技术被认为是最具潜力的增材制造（AM）技术之一。由于采用细微聚焦光斑的激光束作为成形能量源、高速高精度扫描振镜作为加工光束控制单元及采用更薄的层厚控制技术，相对于其他AM技术而言，SLM技术在获得高致密和高精度成形件方面更具有优势，可完成复杂型腔、型面、薄壁、变截面零件的直接成形，例如航空发动机预旋喷嘴、燃油喷嘴、涡轮叶片等零件。
由于激光选区熔化（SLM）技术自身的工艺特点，在成形一些悬空结构时，通常需要在悬空结构下表面添加支撑才能保证零件质量。但是在成形一些封闭空间的小尺寸悬空结构时，如直径为0.5mm≤φ≤3mm的圆孔结构，添加支撑后虽能保证打印质量，但在后处理过程中无法去除支撑。
因此，目前水平打印（即零件生长方向与圆孔中心线垂直）这类圆孔结构时，通常直接成形，不添加支撑。无支撑的圆孔上半圆部分材料熔化所形成的金属液体在重力作用下，有下沉倾向，材料逐层凝固后，圆孔顶部下沉，导致圆孔、圆形截面流道结构的尺寸精度、圆形度等难以保证。如图2中的实际孔1。因而在此情况下，如何获得满足设计尺寸要求的微小（0.5mm≤φ≤3mm）圆孔，正成为激光选区熔化技术应用于复杂构件制造中面临的技术难点之一。
综上所述，目前采用激光选区熔化技术水平打印直径为0.5mm≤φ≤3mm圆孔结构时存在如下问题：考虑到封闭空间结构的微小圆孔在后处理过程中支撑无法去除，因此针对这类结构常常不添加支撑，直接成形。无支撑圆孔上半圆部分材料熔化所形成的金属液体在重力作用下，有下沉现象，最终导致圆孔的尺寸精度、圆形度难以保证，如图2中的设计圆孔实际成形后为变形的实际孔1。
有鉴于此，本领域技术人员提供了一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，以期解决上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中无支撑圆孔实际成形后变形的缺陷，提供一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特点在于，所述模型校正方法用于0.5mm≤φ≤3mm的圆孔在无支撑结构情况下成形时，在模型设计时对圆孔向上作a=0.308-0.285×0.47φ的补偿设计，其中a为补偿量（mm），φ为圆孔直径(mm)。
根据本发明的一个实施例，所述模型校正方法具体包括以下步骤：
步骤S1、绘制设计圆的等半径同心圆；
步骤S2、将所述同心圆上移，形成虚线圆；
步骤S3，获得校正后的孔边界；
步骤S4，获得校正孔。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S2中具体包括：将所述同心圆沿Y轴上移a，其中a=0.308-0.285×0.47φ。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S3中具体包括：以所述同心圆和所述虚线圆相交点为界，相交点以下所述同心圆部分为孔的下边界，相交点以上所述虚线圆部分为孔的上边界。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4中具体包括：以步骤S3中获得的孔边界为轮廓形成校正孔。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S4之后还包括以下步骤：圆孔结构件成形结束后，进行清粉、热处理，再进行线切割将零件与基板分离，并采用光学显微镜检测圆孔结构。
根据本发明的一个实施例，所述同心圆半径为3mm，所述同心圆沿Y轴上移0.278mm
根据本发明的一个实施例，所述同心圆半径为1mm，所述同心圆沿Y轴上移174mm。
根据本发明的一个实施例，所述模型校正方法采用激光选区熔化设备成形圆孔结构件，成形材料选用哈氏（Hastelloy X）合金。
所述激光选区熔化设备优选为EOS M280激光选区熔化设备，EOS M280是德国EOSGmbh于2011年所推出的激光金属粉末烧结设备。其利用激光粉末烧结技术的优势，成为航空航天、机械模具、医疗、汽车、消费品、电子等行业低碳先进快速制造主流设备。
根据本发明的一个实施例，所述模型校正方法的成形工艺参数为：激光扫描功率180W，扫描速度1100mm/s，层厚20μm，扫描间距90μm，光斑补偿0.03mm，收缩率0.35，激光扫描方向在相邻层间旋转角度为67°。
本发明的积极进步效果在于：
本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法使得修正后的孔顶部下沉后恰好与孔底部形成圆孔，可保证圆孔的尺寸精度和圆度，提高零件尺寸合格率。
附图说明
本发明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的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法的流程图。
图2为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法中圆孔校正示意图。
图3为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法的实施例一中未校正的圆孔示意图。
图4为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法的实施例一中校正后的圆孔示意图。
【附图标记】
实际孔 1
同心圆 2
虚线圆 3
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
实施例一：
图1为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法的流程图。图2为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法中圆孔校正示意图。图3为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法的实施例一中未校正的圆孔示意图。图4为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法的实施例一中校正后的圆孔示意图。
如图1至图4所示，本发明公开了一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其用于0.5mm≤φ≤3mm的圆孔在无支撑结构情况下成形时，在模型设计时对圆孔向上作a=0.308-0.285×0.47φ的补偿设计，其中a为补偿量（mm），φ为圆孔直径(mm)。优选地，所述模型校正方法具体包括以下步骤：
步骤S1、绘制设计圆的等半径同心圆2。
步骤S2、将同心圆2上移，形成虚线圆3。
具体地说，是将同心圆2沿Y轴上移a，其中a=0.308-0.285×0.47φ。
步骤S3，获得校正后的孔边界；
具体地说，以同心圆2和虚线圆3相交点为界，相交点以下同心圆2部分为孔的下边界（如图2中实线所示），相交点以上虚线圆3部分为孔的上边界（如图2中虚线所示）。
步骤S4，获得校正孔。
具体地说，以步骤S3中获得的孔边界为轮廓形成校正孔。
另外，在所述步骤S4之后还包括以下步骤：圆孔结构件成形结束后，进行清粉、热处理，再进行线切割将零件与基板分离，并采用光学显微镜检测圆孔结构。
进一步具体地，本实施例针对直径φ=3mm的圆孔结构件，在UG软件中对圆孔进行修正：
作圆孔的等径同心圆2，其直径φ=3mm，将同心圆2直线上移a=0.308-0.285×0.47φ。本实施例中优选为上移0.278mm，上移后的同心圆与圆孔上半圆部分相交，以相交点以下圆孔的部分为孔的下边界，以相交点以上上移后的等径同心圆部分为孔的上边界。
本实施例采用激光选区熔化设备成形圆孔结构件，所述圆孔结构件上设计两个圆孔，φ=3mm未校正的圆孔和校正后的圆孔。
所述激光选区熔化设备优选为EOS M280激光选区熔化设备，EOS M280是德国EOSGmbh于2011年所推出的激光金属粉末烧结设备。其利用激光粉末烧结技术的优势，成为航空航天、机械模具、医疗、汽车、消费品、电子等行业低碳先进快速制造主流设备。
成形材料选用哈氏（Hastelloy X）合金，成形工艺参数为：激光扫描功率180W，扫描速度1100mm/s，层厚20μm，扫描间距90μm，光斑补偿0.03mm，收缩率0.35，激光扫描方向在相邻层间旋转角度为67°。
成形结束后，依照标准程序清粉、热处理，之后线切割将零件与基板分离。采用光学显微镜检测圆孔结构，如图3和图4。根据所述激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法校正圆孔模型后，圆孔结构的尺寸精度和圆度满足设计要求。
实施例二：
图1为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法的流程图。图2为本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法中圆孔校正示意图。
如图1和图2所示，本发明公开了一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其用于0.5mm≤φ≤3mm的圆孔在无支撑结构情况下成形时，在模型设计时对圆孔向上作a=0.308-0.285×0.47φ的补偿设计，其中a为补偿量（mm），φ为圆孔直径(mm)。优选地，所述模型校正方法具体包括以下步骤：
步骤S1、绘制设计圆的等半径同心圆2。
步骤S2、将同心圆2上移，形成虚线圆3。
具体地说，是将同心圆2沿Y轴上移a，其中a=0.308-0.285×0.47φ。
步骤S3，获得校正后的孔边界；
具体地说，以同心圆2和虚线圆3相交点为界，相交点以下同心圆2部分为孔的下边界（如图2中实线所示），相交点以上虚线圆3部分为孔的上边界（如图2中虚线所示）。
步骤S4，获得校正孔。
具体地说，以步骤S3中获得的孔边界为轮廓形成校正孔。
另外，在所述步骤S4之后还包括以下步骤：圆孔结构件成形结束后，进行清粉、热处理，再进行线切割将零件与基板分离，并采用光学显微镜检测圆孔结构。
进一步具体地，本实施例针对直径φ=1mm的圆孔结构件，在UG软件中对圆孔进行修正：
作圆孔的等径同心圆2，其直径φ=1mm，将同心圆2直线上移a=0.308-0.285×0.47φ，本实施例中优选为上移0.174mm。上移后的同心圆与圆孔上半圆部分相交，以相交点以下圆孔的部分为孔的下边界，以相交点以上上移后的等径同心圆部分为孔的上边界。
本实施例采用激光选区熔化设备成形该悬空结构件，成形材料选用哈氏（Hastelloy X）合金，成形工艺参数为：激光扫描功率180W，扫描速度1100mm/s，层厚20μm，扫描间距90μm，光斑补偿0.03mm，收缩率0.35，激光扫描方向在相邻层间旋转角度为67°。
所述激光选区熔化设备优选为EOS M280激光选区熔化设备，EOS M280是德国EOSGmbh于2011年所推出的激光金属粉末烧结设备。其利用激光粉末烧结技术的优势，成为航空航天、机械模具、医疗、汽车、消费品、电子等行业低碳先进快速制造主流设备。
成形结束后，依照标准程序清粉、热处理，之后线切割将零件与基板分离。根据本提案校正圆孔模型后，圆孔结构的尺寸精度和圆度满足设计要求。
如上述实施例一和实施例二所述，所述激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法在设计软件中按照上述方法步骤对圆孔结构进行模型校正，在Magics软件中对零件进行工艺处理，模型转化为切片文件后，导入激光选区熔化成形设备中完成制造。依照标准程序进行清粉、热处理、线切割等后处理，最终获得具有较高尺寸精度和圆度的圆孔。
综上所述，本发明提出一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法。针对0.5mm≤φ≤3mm的圆孔，在模型设计时，对圆孔进行修正：作圆孔的同心圆，该同心圆沿Y轴上移a（a=0.308-0.285×0.47φ），上移后的同心圆与原圆孔上半部分相交，以相交点为界，相交点以下原圆孔的部分为孔的下边界，相交点以上上移后的圆部分为孔的上边界。
本发明激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法使得修正后的孔顶部下沉后恰好与孔底部形成圆孔，可保证圆孔的尺寸精度和圆度，提高零件尺寸合格率。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述模型校正方法用于0.5mm≤φ≤3mm的圆孔在无支撑结构情况下成形时，在模型设计时对圆孔向上作a=0.308-0.285×0.47φ的补偿设计，其中a为补偿量（mm），φ为圆孔直径(mm)。
2.如权利要求1所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述模型校正方法具体包括以下步骤：
步骤S1、绘制设计圆的等半径同心圆；
步骤S2、将所述同心圆上移，形成虚线圆；
步骤S3，获得校正后的孔边界；
步骤S4，获得校正孔。
3.如权利要求2所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述步骤S2中具体包括：将所述同心圆沿Y轴上移a，其中a=0.308-0.285×0.47φ。
4.如权利要求2所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：以所述同心圆和所述虚线圆相交点为界，相交点以下所述同心圆部分为孔的下边界，相交点以上所述虚线圆部分为孔的上边界。
5.如权利要求2所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述步骤S4中具体包括：以步骤S3中获得的孔边界为轮廓形成校正孔。
6.如权利要求2所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括以下步骤：圆孔结构件成形结束后，进行清粉、热处理，再进行线切割将零件与基板分离，并采用光学显微镜检测圆孔结构。
7.如权利要求3所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述同心圆半径为3mm，所述同心圆沿Y轴上移0.278mm。
8.如权利要求3所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述同心圆半径为1mm，所述同心圆沿Y轴上移0.174mm。
9.如权利要求1所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述模型校正方法采用激光选区熔化设备成形圆孔结构件，成形材料选用哈氏（Hastelloy X）合金。
10.如权利要求9所述的激光选区熔化成形圆孔结构的模型校正方法，其特征在于，所述模型校正方法的成形工艺参数为：激光扫描功率180W，扫描速度1100mm/s，层厚20μm，扫描间距90μm，光斑补偿0.03mm，收缩率0.35，激光扫描方向在相邻层间旋转角度为67°。
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