CN111069777A - 一种增材制造方法及增材制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增材制造方法及增材制造设备，用于制造具有悬空结构的工件，所述增材制造方法包括以下步骤：建立工件的工艺模型；根据悬空结构的位置和数量，以悬空结构的下表面为分割界面，将所述工艺模型从下而上地拆分为多个部分，使每个分割界面下方部分的工艺模型均包括非悬空结构，且每个分割界面上方部分的工艺模型均包括悬空结构；成形所述非悬空结构；在已成形的所述非悬空结构的上设置基材并在所述基材上进行增材制造以形成所述悬空结构。本发明的优点在于，通过在已成形的非悬空结构上设置基材，以该基材作为工件的一部分，同时所述基材还作为成形悬空结构时的支撑基体，从而简化了具有悬空结构的工件的成形步骤。

Description

一种增材制造方法及增材制造设备
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种增材制造方法及增材制造设备。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，并利用高能束熔覆的方法将材料按照一定的路径在基底上逐层累加以制造实体零件的快速成形技术。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”。
增材制造通过材料的逐层堆积来形成三维实体零件，这决定了增材制造的过程是后一层以前一层为基体进行熔覆，因此若想利用增材制造的方法生产悬空结构时，必然存在前一层无法对后一层进行支撑的问题。实际中对于具有悬空结构的产品的生产大多是通过变位机辅助电弧增材来实现的。变位机是专用焊接辅助设备，主要任务是将负载按预编的程序进行回转和翻转，以使熔池始终保持向上的状态，从而完成悬空部分的制造。然而变位机对于成形工件的类型十分局限，很多悬空结构(如圆筒、内壁、凸台等)难以采用该方法成形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造方法及增材制造设备，能够成型多数悬空结构，且具有工艺简单、加工方便的优势。
为实现上述目的，本发明提供的一种增材制造方法，用于制造具有悬空结构的工件，包括：
步骤10：建立工件的工艺模型并确定工件的成形方向；
步骤20：根据工艺模型上悬空结构的位置和数量，以悬空结构的下表面为分割界面，将所述工艺模型从下而上地拆分为多个部分，使得沿成形方向，每个分割界面下方的工艺模型均包括非悬空结构，每个分割界面上方的工艺模型均包括悬空结构；
步骤30：成形所述非悬空结构；
步骤40：在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材，并在所述基材上进行增材制造以形成所述悬空结构；
其中，步骤30和步骤40至少被执行一次，以得到具有至少一个悬空结构的工件。
可选地，所述步骤40包括：
步骤41：在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材；
步骤42：判断所述基材是否完全覆盖待成形的所述悬空结构所在区域，若是，则执行步骤43，若否，则继续执行步骤41；
步骤43：按照成形方向，在所述基材上逐层进行增材制造，直至所述悬空结构成形。
可选地，所述步骤40包括：
步骤41：在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材，并在所述基材上进行第一层的增材制造；
步骤42：判断所述悬空结构的第一层是否已完全成形，若是，则执行步骤43，若否，则继续执行步骤41；
步骤43：按照成形方向，进行下一层的增材制造；
其中，步骤43至少被执行一次，直至所述悬空结构成形。
可选的，在所述步骤S20中，以每个所述悬空结构的下表面为分割界面对所述工艺模型进行拆分。
可选地，在执行所述步骤40之前，还包括：根据所述悬空结构的尺寸确定所述基材的尺寸。
可选地，所述基材焊接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
可选地，所述基材粘接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
可选地，所述基材通过螺钉设置于已成形的所述非悬空结构的上表面。
可选地，用于成形所述非悬空结构及所述悬空结构的原材料的材质与所述基材的材质相同。
可选地，所述原材料和所述基材的材质均为金属。
可选地，在成型所述非悬空结构和所述悬空结构时采用电弧作为增材制造的热源，并采用金属丝作为所述原材料。
另外，为实现上述目的，本发明还提供了一种增材制造设备，用于实施如前所述的增材制造方法，包括：
原材料供应单元，用于提供成形工件所需的原材料；
热源，用于提供增材制造所需的热量，以使所述原材料熔化堆积而成形所述工件；以及，
基材供应单元，用于在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材，以使所述基材作为成形所述悬空结构时的支撑部，且所述基材是所述工件的一部分。
可选地，所述基材供应单元包括：
基材切割机构，用于根据所述悬空结构的尺寸裁切所述基材；
搬运机构，用于将裁切后的基材运输至已成形的所述非悬空结构的上表面；以及，
定位机构，用于将所述基材固定于已成形的所述非悬空结构的上表面。
可选地，所述原材料为金属，所述基材为金属箔，所述定位机构包括焊机，所述焊机用于将所述基材焊接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
可选地，所述基材朝向已成形的所述非悬空结构的一侧设有胶粘剂，所述定位机构包括压辊，所述压辊用于向所述基材提供压力，以使所述基材粘接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
可选地，所述定位机构包括电动螺丝刀，所述电动螺丝刀用于将所述基材通过螺钉设置于已成形的所述非悬空结构的上表面。
与现有技术相比，本发明的增材制造方法及增材制造设备具有如下优点：
前述增材制造方法包括：确定工件的成形方向并建立工件的工艺模型；根据工艺模型上悬空结构的位置和数量，以悬空结构的下表面为分割界面对所述工艺模型进行拆分，使每个分割界面的下方均包括非悬空结构，且每个分割界面的上方均包括悬空结构，进而再成形非悬空结构，并在成形后的非悬空结构的上表面设置基材并在基材上成形悬空结构。也就是说，本方法中，通过在已成形的非悬空结构的上表面设置基材并以基材作为成形悬空结构时的支撑部位，且该基材也为工件的一个部分，这样不仅可解决常规增材制造过程中悬空部位成形时缺乏支撑的问题，同时也无需在后续工艺中去除支撑，减少了增材制造的步骤。
附图说明
图1a-图1c分别是现有的一种增材制造方法的过程示意图；
图2本发明根据一实施例所提供的增材制造方法的流程示意图；
图3是本发明根据一实施例所提供的增材制造方法制造的工件的结构示意图；
图4是本发明根据一实施例所提供的增材制造方法中对工件的工艺模型进行拆分的示意图；
图5a-图5c是本发明根据一实施例所提供的增材制造方法中在非悬空结构的上表面成形悬空结构的示意图；
图6a-图6c是本发明根据另一实施例所提供的增材制造方法中在非悬空结构的上表面成形悬空结构的示意图；
图7是本发明根据一实施例所提供的增材制造设备的结构示意图；
图8a和图8b是本发明根据一实施例所提供的增材制造设备在非悬空结构的上表面设置基材的示意图；
图9是本发明根据另一实施例所提供的增材制造在非悬空结构的上表面设置基材的示意图。
图中：
10,100-工件；
11，110-悬空结构；
120-非悬空结构；
130-金属箔；
140-金属丝；
310-原材料供应单元；
320-热源；
330-基材供应单元；
331-压辊；
340-基板；
P0，P1-分割界面；
S1-第一部分，S2-第二部分，S3-第三部分，S4-第四部分。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的的实施例作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括“两个”及“三个以上”的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
如背景技术，在利用增材制造技术生产具有悬空结构的工件时，必然要面临的一个问题是：悬空结构的第一层在成形时缺乏支撑。针对此问题，现有技术中提出了这样的一种解决方法：如图1a-图1c所示，首先，根据工件10的结构确定成形方向并建立工件的工艺模型；接着，根据悬空结构11(如悬空的隔板)的位置和数量，以悬空结构11的下表面为分割界面P0，将所述工艺模型从下而上地拆分为多个部分，使每个分割界面上方的工艺模型均包括一个悬空结构11；接着，采用与每个悬空结构11的下表面保持平行的支撑基板20作为每个悬空结构11成形的基准，且每个悬空结构11对应的支撑基板20被固定在前一部分的工艺模型中；接着，按照成型方向进行增材制造，每个悬空结构11均在对应的支撑基板20上成形；最后，去除所述支撑基板20以得到具有悬空结构的工件。然而，在采用上述方法对具有悬空结构的工件进行增材制造时还面临的一个问题是：为了实现支撑基板20的放置与去除，工件需要有一个开口，且该开口的尺寸足以供所述支撑基板20穿过。所以该方法对于没有开口或开口尺寸小于悬空结构的尺寸的工件而言，不具有可行性。
为解决上述问题，如图2所示，本发明实施例提供了一种增材制造方法，用于制造具有悬空结构的工件，所述增材制造方法包括：
步骤10：建立工件的工艺模型并确定工件的成形方向；
步骤20：拆分工艺模型；具体的，根据工艺模型上悬空结构的位置和数量，以悬空结构的下表面为分割界面，将所述工艺模型从下而上地拆分为多个部分，使得沿成形方向，每个分割界面下方的工艺模型均包括非悬空结构，每个分割界面上方的工艺模型均包括悬空结构；
步骤30：成形所述非悬空结构；
步骤40：在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材，并在所述基材上进行增材制造以形成所述悬空结构；
其中，步骤30和步骤40至少被执行一次，以得到具有至少一个悬空结构的工件。
更详细地，如果悬空结构为一个，步骤30和步骤40只要被执行一次，如果悬空结构为多个，则步骤30和步骤40相应需要被重复执行多次。
根据工件中悬空结构的位置和数量对工艺模型进行拆分，使得每一个分割界面的下方均包括非悬空结构，且分割界面的上方均包括悬空结构。在非悬空结构成形之后，在其上表面设置基材并且该基材最终作为工件的一个部分，这样就能够以基材作为悬空结构的第一层成形时的支撑基体，而且也无需去除基材，简化了具有悬空结构的工件的增材制造的工艺步骤。
换句话说，本实施例中具有悬空结构的工件成形方法是：首先建立待成型工件的工艺模型，然后对所述工艺模型进行拆分，接着进行非悬空结构的成形，在成形过程中实时判断下一层是否为悬空层；若否，则向当前层输送金属丝以继续进行非悬空结构的下一层的增材制造；若是，则在当前层上铺设金属箔，然后再在金属箔上完成悬空结构的增材制造。
本实施例所述的增材制造方法中采用的热源可为电弧、激光束、电子束等，用于堆积以形成所述悬空结构和非悬空结构的原材料可为金属丝、金属粉末、高分子粉末等。为便于表述，下文中以电弧增材制造法(即所述热源为电弧，所述原材料为金属丝)为例进行说明，在采用电弧增材制造法制造工件时，所述基材为金属箔。
以下以附图3所示的工件100的电弧增材制造为例对本实施例提供的增材制造方法作详细地说明。
首先，建立工件100的工艺模型，也就是用计算机软件建立工件的三维模型。工件100的结构如图3所示，该工件100具有三个悬空结构110。根据工件100的结构特点，选取最佳的成形方向并建立工件的整体成形的工艺模型，如图4所示，本实施例中选择从下而上的成形方向(即图示中的y方向)。
接着，请继续参阅图4，根据悬空结构110的位置和数量，以悬空结构110的下表面为分割界面P1，将所述工艺模型分割为四个部分，其中，每个分割界面下方部分的工艺模型均包括非悬空结构120，而每个分割界面上方部分的工艺模型均包括悬空结构110。具体地，如图4所示，自下而上，所述工艺模型被划分为第一部分S1、第二部分S2、第三部分S3及第四部分S4，其中第一部分S1仅具有非悬空结构120，而第二部分S2、第三部分S3及第四部分S4均同时具有非悬空结构120和悬空结构110。
接着，成形所述第一部分S1。所述第一部分S1仅包括非悬空结构120，因此可采用常规方式按照预定的成形路径逐层堆积成形。
接着，成形所述第二部分S2。在所述第一部分S1的上表面上设置金属箔，并将所述金属箔作为承载所述第一个悬空结构110的第一层金属丝的支撑基体；之后，在所述金属箔上按照预定的路径进行增材制造以形成第一个悬空结构110；最后，在第一个悬空结构110上成形第二部分S2的非悬空结构120。
接着，按照第二部分S2的成形方法在第二部分S2上成形第三部分S3，以及在第三部分S3上成形第四部分S4。可理解，在所述金属箔上成形所述悬空结构110时的方法为可为常规的电弧增材制造方法。
需要说明的是，本实施例中以每个悬空结构110的下表面为分割界面对工艺模型进行分割，以便设置承载悬空结构的支撑基体，但在实际操作中，也有一些悬空结构是可以不在支撑基体上成形的。也就是说，在实践中并不是每个悬空结构均需要设置支撑基体。判断悬空结构成形时是否需要设置支撑基体的依据是该悬空结构与水平面的夹角的大小，具体而言，若悬空结构与水平面的夹角较大例如大于30°，特别是当该角度大于45°时，难以直接采用电弧增材制造成形，则必须设置支撑基体，即，对于这类悬空结构，需要以其下表面作为一个分割界面来分割工艺模型。而当悬空结构与水平面的夹角较小例如小于30°，能够直接采用电弧增材制造时，就可以不设置支撑基体，此时该悬空结构的下表面可不作为分割界面。当然，对于所有的悬空结构，不论其与水平面的夹角的角度是多少，都可以通过设置支撑基体来成形，以便降低成形难度，保证成形质量。
还应理解，为获得最终可供使用的工件100，在增材制造过程结束之后，可根据实际需要对工件100进行相应的热处理，以消除工件中的残余应力，调控工件的性能；以及，对工件100进行机械加工以去除多余的材料。
进一步地，请参阅图5a-图5c，在一个实施例中，在已成形的所述非悬空结构120上成形所述悬空结构110(即，步骤40)具体可通过以下步骤来实现：
步骤41：在已成形的所述非悬空结构120的上表面设置金属箔130。
步骤42：判断所述金属箔130是否完全覆盖待成形的所述悬空结构110所在的平面区域，若否，则继续执行步骤41；若是，则执行步骤43。
步骤43：按照成形方向，向所述金属箔130输送金属丝140，并逐层进行增材制造，直至所述悬空结构110成形。
而在另一个实施例中，如图6a-图6c所示，在已成形的所述非悬空结构120上成形所述悬空结构110(即，步骤40)还可通过以下步骤来实现：
步骤41’：在已成形的所述非悬空结构120上设置一道金属箔130，并向该道金属箔130上输送第一层金属丝140以进行增材制造。
步骤42’：判断所述悬空结构110的第一层是否完全成形，若否，则重复执行步骤41’；若是，则执行步骤43。
步骤43’：按照成形方向进行下一层的增材制造。
其中，步骤43’至少被执行一次，直至所述悬空结构110成型。
在本实施例中，所述金属箔130可通过多种方式设置于已成形的所述非悬空结构120的上表面。具体而言，所述金属箔130可通过焊接的方式设置于已成形的所述非悬空结构120上；或者，金属箔130通过螺钉设置于已成形的所述非悬空结构上；或者，金属箔130通过胶粘剂粘接于已成形的所述非悬空结构120上。作为优选，所述金属箔130与所述悬空结构110及所述非悬空结构120的成形材料的材质相同。当然，若所述金属箔130通过螺钉固定于已成形的所述非悬空结构120上时，所述螺钉的材质也优选与所述金属箔130的材质相同。
较佳地，在所述非悬空结构120的上表面设置所述金属箔130之前，还可依据所述悬空结构110的尺寸及位置确定所述金属箔130的尺寸，这样可节约金属箔130的用量，降低工件的生产成本。此外，作为优选，所述金属箔130的宽度可与金属丝140的单道焊缝的宽度相匹配。另外，根据金属丝140及金属箔130的具体材质，所述金属箔130的厚度可在0.02-0.5mm之间选择。
进一步地，本发明还提供了一种增材制造设备，用于实施如前所述的增材制造方法以制造具有悬空结构的工件。如图3所示，所述工件100具有悬空结构110和非悬空结构120，且所述悬空结构110的两端支承于所述非悬空结构120上。
请参阅图7并结合图3，所述增材制造设备包括：原材料供应单元310、热源320及基材供应单元330，；所述原材料供应单元310用于提供成形所述悬空结构110和所述非悬空结构120的原材料；所述热源320用于提供增材制造过程所需的热量，以使所述原材料可逐层堆积而成形所述悬空结构110和所述非悬空结构120；所述基材供应单元330用于在所述非悬空结构120的上表面设置基材，该基材用于作为成形所述悬空结构110的第一层时的支撑基体，并且所述基材为所述工件100的一部分。
本实施例中，所述原材料可为金属丝、金属粉末或高分子粉末等，所述热源可为电弧、激光束、离子束等。根据原材料的类型，所述基材的材质可为金属或高分子材料。另外，所述增材制造设备还可包括基板340，用于作为整个工件成形时的工作台。
详细来说，所述原材料供应单元310和所述热源320可直接使用现有增材制造设备中的原材料供应单元和热源，而所述基材供应单元330包括基材切割单元、搬运机构以及定位机构。所述基材切割单元用于根据所述悬空结构的尺寸裁切基材，这样可避免基材的浪费。所述搬运机构用于将裁切后的基材搬运至已成形的所述非悬空结构的上表面。所述定位机构则用于将所述基材固定于已成形的所述非悬空结构的上表面，使得在后续成形过程中基材不发生移位，从而确保所述悬空结构成形过程的顺利进行。可理解，这里的基材切割单元、搬运机构及定位机构可采用现有具有相应功能的装置，这些装置既可以作为与所述热源及原材料供应单元相分离的外接装置使用，也可以通过一定的连接机构与所述热源及原材料供应单元设计成一体式的设备。
可选地，如图8a和8b所示，在一个实施例中，所述原材料为金属(例如金属丝)，所述基材为金属箔130，所述定位机构包括焊机。这样所述金属箔130被所述基材切割单元切割至合适尺寸后，被运输至非悬空结构120的上表面，然后所述焊机将所述金属箔130通过钎焊的方式焊接于所述非悬空结构120的上表面。实践中，金属箔130也可通过点焊的方式焊接于所述非悬空结构120的上表面。
可选地，在一个实施例中，所述定位机构包括螺丝刀，这样可通过螺钉将所述金属箔设置于所述非悬空结构的上表面，作为优选，所述螺丝刀可为多头螺丝刀，这样可同时对多个螺钉进行操作，提高工作效率。
可选地，如图9所示，在一个实施例中，所述金属箔130的一个表面上设置有胶粘剂，且在定位时，金属箔130设置有胶粘剂的表面朝向所述非悬空结构的上表面，这样所述定位机构可包括压辊331，通过所述压辊331向所述金属箔130施加压力，以使所述金属箔130粘接于所述非悬空结构120的上表面。应理解，本实施例中的基材还可以是金属箔130以外的其他材质，例如高分子材料。
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种增材制造方法，用于制造具有悬空结构的工件，其特征在于，包括：
步骤10：建立工件的工艺模型并确定工件的成形方向；
步骤20：根据工艺模型上悬空结构的位置和数量，以悬空结构的下表面为分割界面，将所述工艺模型从下而上地拆分为多个部分，使得沿成形方向，每个分割界面下方的工艺模型均包括非悬空结构，每个分割界面上方的工艺模型均包括悬空结构；
步骤30：成形所述非悬空结构；
步骤40：在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材，并在所述基材上进行增材制造以形成所述悬空结构；
其中，步骤30和步骤40至少被执行一次，以得到具有至少一个悬空结构的工件。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤40包括：
步骤41：在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材；
步骤42：判断所述基材是否完全覆盖待成形的所述悬空结构所在区域，若是，则执行步骤43，若否，则继续执行步骤41；
步骤43：按照成形方向，在所述基材上逐层进行增材制造，直至所述悬空结构成形。
3.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤40包括：
步骤41：在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材，并在所述基材上进行第一层的增材制造；
步骤42：判断所述悬空结构的第一层是否已完全成形，若是，则执行步骤43，若否，则继续执行步骤41；
步骤43：按照成形方向，进行下一层的增材制造；
其中，步骤43至少被执行一次，直至所述悬空结构成形。
4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤20中，以每个所述悬空结构的下表面为分割界面对所述工艺模型进行拆分。
5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，在执行所述步骤40之前，还包括：根据所述悬空结构的尺寸确定所述基材的尺寸。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，所述基材焊接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，所述基材粘接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，所述基材通过螺钉设置于已成形的所述非悬空结构的上表面。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，用于成形所述非悬空结构及所述悬空结构的原材料的材质与所述基材的材质相同。
10.根据权利要求9所述的增材制造方法，其特征在于，所述原材料和所述基材的材质均为金属。
11.根据权利要求10所述的增材制造方法，其特征在于，在成型所述非悬空结构和所述悬空结构时采用电弧作为增材制造的热源，并采用金属丝作为所述原材料。
12.一种增材制造设备，用于实施如权利要求1-11中任一所述的增材制造方法，其特征在于，包括：
原材料供应单元，用于提供成形工件所需的原材料；
热源，用于提供增材制造所需的热量，以使所述原材料熔化堆积而成形所述工件；以及，
基材供应单元，用于在已成形的所述非悬空结构的上表面设置基材，以使所述基材作为成形所述悬空结构时的支撑部，且所述基材是所述工件的一部分。
13.根据权利要求12所述的增材制造设备，其特征在于，所述基材供应单元包括：
基材切割机构，用于根据所述悬空结构的尺寸裁切所述基材；
搬运机构，用于将裁切后的基材运输至已成形的所述非悬空结构的上表面；以及，
定位机构，用于将所述基材固定于已成形的所述非悬空结构的上表面。
14.根据权利要求13所述的增材制造设备，其特征在于，所述原材料为金属，所述基材为金属箔，所述定位机构包括焊机，所述焊机用于将所述基材焊接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
15.根据权利要求13所述的增材制造设备，其特征在于，所述基材朝向已成形的所述非悬空结构的表面设有胶粘剂，所述定位机构包括压辊，所述压辊用于向所述基材提供压力，以使所述基材粘接于已成形的所述非悬空结构的上表面。
16.根据权利要求13所述的增材制造设备，其特征在于，所述定位机构包括电动螺丝刀，所述电动螺丝刀用于将所述基材通过螺钉设置于已成形的所述非悬空结构的上表面。
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