CN111069602A - 一种选区激光熔化的梯度成形设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选区激光熔化的梯度成形设计方法，该方法包括在待打印零件的单层截面水平方向上进行梯度成形；和/或，在待打印零件整体高度方向上进行梯度成形。本发明明确了利用选区激光熔化重新设计制造具有梯度性能零件的工艺流程，实现了通过金属增材制造技术实现了零件的变梯度成形，提高了零件的打印质量，并保证了零件的机械性能，有较好的应用前景。

Description

一种选区激光熔化的梯度成形设计方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，并应用于液压领域中，更具体的，涉及一种选区激光熔化的梯度成形设计方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术即3D打印技术，区别于传统的车铣刨磨等依赖多工序结合制造零件的“减材制造”加工方式，它基于离散-叠加成形原理，利用CAD三维模型生成STL格式文件后导入相关3D打印机软件中，利用计算机控制打印材料逐层堆积，最终一次形成三维实体。选区激光熔化技术(SLM)是增材制造技术的一种，采用粉末为成形材料，激光为能量源，在扫描振镜的控制下按照一定的路径快速照射粉末对零件截面逐层进行激光熔化，形成冶金熔覆层，SLM成形机工作时，在基板上用刮刀铺一层金属粉末，然后用激光束，使其熔化、凝固，形成冶金熔覆层，然后将基板下降与单层沉积厚度相同的高度，在铺一层粉末进行激光扫描加工，重复这样的过程直至整个零件成形结束。而增材制造的整个零件各个位置的工艺参数设置通常是一致的，因此常常无法同时满足零件所有的性能需求，甚至会出现翘曲或者塌陷等成形缺陷，大大降低了增材制造零件的竞争力，也限制了增材制造技术的发展。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种选区激光熔化的梯度成形设计方法，其基于增材制造的特点，能够制造单层截面水平方向与整体高度方向上参数各异的零件。本发明的方法明确了利用选区激光熔化重新设计制造具有梯度性能零件的工艺流程，实现了通过金属增材制造技术实现了零件的变梯度成形，提高了零件的打印质量，满足了生产设计需求，保证了零件的机械性能，有较好的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了一种选区激光熔化的梯度成形设计方法，该方法包括：
在待打印零件的单层截面水平方向上进行梯度成形；
和/或，在待打印零件整体高度方向上进行梯度成形。
进一步地，在待打印零件的单层截面水平方向上进行不同工艺参数的设置。
进一步地，所述在待打印零件的单层截面水平方向上进行梯度成形分为：
在笛卡尔坐标系下的x方向、y方向以及与x、y方向呈任意夹角方向的多种梯度成形方向下的线性成形，
或，在极坐标下，变换极径、极角的的线性成形，
或，非线性梯度成形。
进一步地，所述在待打印零件的单层截面水平方向上进行成形时，根据零件性能需求分为单方向梯度成形和多方向组合梯度成形，即在单一方向上进行梯度参数调整或在多个方向上同时进行梯度参数调整。
进一步地，所述在待打印零件整体高度方向上进行梯度成形，按照性能要求进行分区的不同位置进行不同参数的调整设置。
本发明的有益效果如下：
1、本发明明确了利用选区激光熔化重新设计制造具有梯度性能零件的工艺流程。
2、本发明为满足具有复杂性能需求的零件成形提供了新的可能性。
3、本发明实现了通过金属增材制造技术实现了零件的变梯度成形，提高了零件的成形质量，并保证了零件的机械性能。
4、本发明对各零件可进行的的优化提供了方向。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种选区激光熔化的梯度成形设计方法的流程图；
图2(a)-图2(c)是零件单层截面水平方向上笛卡尔坐标系下的梯度成形设计示意图；
图3(a)-图3(c)是零件单层截面水平方向上极坐标系下的梯度成形设计示意图；
图4是零件单层截面水平方向上多方向组合梯度成形设计示意图；
图5是半空心圆柱体梯度成形设计示意图；
图6是半空心圆柱体a处截面梯度成形设计示意图；
图7是零件整体高度方向上的的梯度成形设计示意图；
图8是表面相对水平面切角为恒定值的零件成形示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述以及其他技术内容，特点和功效，下面结合附图作进一步描述，本发明提供的选区激光熔化的梯度成形设计方法主要包括以下步骤。
图1是本发明实施例提供的一种选区激光熔化的梯度成形设计方法的流程图，包括：
S101，待打印零件的单层截面水平方向上的梯度成形。
具体的，要先确定零件的结构功能要求和成形质量需求，进行打印参数的选择设定。对于单层截面来说，若对成形质量无特别要求，则直接采用3D打印机默认工艺参数，即激光功率200w、扫描速度750mm/s、曝光时间80μs、点距60μm、扫描间距110μm、层厚50μm。若零件具有各向异性的成形质量要求，即可在待打印零件单层截面水平方向上进行梯度成形设计，可分为在笛卡尔坐标系下的x方向如图2(a)所示、y方向如图2(b)所示，以及与x、y方向呈任意特定夹角方向如图2(c)所示的与x方向成α角的方向的梯度成形设计，例如根据零件的性能需求，在某特定方向上划分好区域A、B、C，如图2(a)-图2(c)所示，通过保持其他3D打印机默认工艺参数不变，仅改变激光功率如A区激光功率为100w，B区为80w，C区为60w来实现梯度成形，也可根据零件其他性能需求改变其余参数来实现梯度成形。
或者在极坐标下，通过变换极径ρ1、ρ2、ρ3长度梯度成形设计如图3(a)所示、变换极角θ，如图3(b)所示的梯度成形设计或如图3(c)所示的非线性梯度成形设计，再根据零件结构功能需求，进行分区A、B、C，如图3(a)-图3(c)所示，保持其他3D打印机默认工艺参数不变，仅改变曝光时间如A区曝光时间为80μs，B区为60μs，C区为40μs来实现梯度成形，也可根据零件其他性能需求改变其余参数来实现梯度成形。
并且可以根据零件具体结构、截面形状、功能需求等分为单方向梯度成形和多方向组合梯度成形，即在单一方向上进行梯度参数调整或在多个方向上同时进行梯度参数调整，其中多方向梯度成形如图4所示，在x方向上Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区区激光功率分别为为100w，80w，60w，在y方向上A区、B区、C区曝光时间分别为80μs，60μs，40μs，并保持其余默认工艺参数不变。
比较特殊的梯度成形设计是具有悬空部分的结构，如半空心圆柱，如图5所示，需要对单层截面水平方向上不同区域的工艺参数进行调节并进行测试，通过对比成形质量好坏，最终确定单层截面水平方向上不同区域上的打印参数。如图6所示，为图5半空心圆柱a处的截面，其下面无实体支撑的、轮廓表面切角θ小于45°的零件区域，可通过调整工艺参数比如扫描策略、点距、曝光时间、激光功率等进行打印测试，找到最优化参数从而改善表面成形质量，圆圈标示的矩形部分为参数调整后的区域。
S102，待打印零件整体高度方向上的的梯度成形。
具体的，增材制造是通过材料逐层堆积而成三维实体，在零件功能要求及轻量化需求确定后，需对零件高度方向上不同位置进行工艺参数选择及确定，在高度方向上，按照层厚的整数倍进行分区，可将不同区域设置成不同参数，如图7所示，在z方向上分为A区、B区、C区，保持3D打印机其他默认工艺参数不变，仅改变曝光时间如A区曝光时间为80μs，B区为60μs，C区为40μs来实现z方向梯度成形，也可根据零件其他性能需求改变其余参数来实现梯度成形。
比较特殊的具有悬空结构的零件，如图5所示的半空心圆柱体，在表面切角θ小于45°的结构部分成形时，会出现翘曲或者塌陷等成形缺陷，可以通过降低功率或者降低曝光时间等参数从而降低功率密度来改善成形质量，比如其可在表面切角为45°处分区，即b截面处，分为Ⅰ区和Ⅱ区，可保持3D打印机其他默认工艺参数不变，Ⅰ区激光功率设置为100w，Ⅱ区激光功率设置为80w。而如果零件表面相对水平面切角为固定值，如图8所示，角α为常数，则一般不采用高度方向上的梯度成形。
本发明提供的选区激光熔化的梯度成形设计方法，其采用单层截面水平方向上的梯度成形设计及整体高度方向上的的梯度成形设计，明确了利用选区激光熔化重新设计制造具有梯度性能零件的工艺流程，为满足具有复杂性能需求的零件成形提供了新的可能性，实现了通过金属增材制造技术实现了零件的变梯度成形，提高了零件的打印质量，并保证了零件的机械性能，并对各零件可进行的的优化提供了方向，有较好的应用前景。
需要说明的是，根据零件性能需求，步骤S101和步骤S102可以同时实施，也可以独立实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于选区激光熔化的梯度成形设计方法，其特征在于，该方法包括：
在待打印零件的单层截面水平方向上进行梯度成形；
和/或，在待打印零件整体高度方向上进行梯度成形。
2.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化的梯度成形设计方法，其特征在于，在待打印零件的单层截面水平方向上进行不同工艺参数的设置。
3.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化的梯度成形设计方法，其特征在于，所述在待打印零件的单层截面水平方向上进行梯度成形分为：
在笛卡尔坐标系下的x方向、y方向以及与x、y方向呈任意夹角方向的多种梯度成形方向下的线性成形，
或，在极坐标下，变换极径、极角的线性成形，
或，非线性梯度成形。
4.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化的梯度成形设计方法，其特征在于，所述在待打印零件的单层截面水平方向上进行成形时，根据零件性能需求分为单方向梯度成形和多方向组合梯度成形，即在单一方向上进行梯度参数调整或在多个方向上同时进行梯度参数调整。
5.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化的梯度成形设计方法，其特征在于，所述在待打印零件整体高度方向上进行梯度成形，按照性能要求进行分区的不同位置进行不同参数的调整设置。
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