CN111618298B - 一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，属于复合增材制造技术领域。本发明方法首先是将零件结构划分为具有复杂孔隙结构的轻量化部分和需要快速加工制造的实体部分，然后利用选区激光熔化技术制备出轻量化部分，接着对轻量化部分进行表面处理，最后在轻量化部分上利用电弧增材制造技术制备出实体部分即可。本发明方法可以较快的制备处具有复杂形状的零件，减少了零件的加工周期，降低了生产成本。本发明方法充分发挥了选区激光熔化成型技术和电弧增材制造技术的优势，提高了大型零件和多材料零件的增材制造水平，为增材制造的发展开辟新的方向和领域。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体是一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法。
背景技术
选区激光熔化成型技术是增材制造技术的一种，以激光为热源，按照三维模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。电弧增材制造技术是一种以电弧为热源，采用逐层熔覆原理，将熔化的丝材逐层沉积，根据三维数字模型由线-面-体逐渐成型出金属零件的先进增材制造技术。
选区激光熔化成型技术可以实现具有多孔点阵等复杂结构零件的制备，制备出的样品结构精细，表面光滑，但成型效率低，成本高，难以制备大型的变刚度结构，同时难以制备由多材料组成的零件。
电弧增材制造技术可以实现尺寸较大的结构件的制备，具有成型效率高，成本低等优点，但电弧增材制造难以成型多孔点阵等复杂结构。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺点和不足，而提供一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法。该方法是一种将选区激光熔化成型技术和电弧增材制造技术进行结合的高效协同增材制造方法，对于结构复杂的大型零件，通过选区激光熔化成型技术制备零件的轻量化部分，进行表面处理后，通过电弧增材制造技术制备零件的实体部分。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，包括如下步骤：
1）对零件结构进行预处理，根据零件不同部位定位需求，将零件划分为具有复杂孔隙结构的轻量化部分和需要快速加工制造的实体部分；
2）使用选区激光熔化成型工艺制备轻量化部分；
3）对成型的轻量化部分进行表面处理；
4）在处理后的轻量化部分上利用电弧增材制造工艺制备出实体部分，最终得到符合要求的零件结构。
作为优选的技术方案，步骤1）的具体操作为：根据仿真模拟软件对零件结构进行受力分析，根据分析结果在满足使用要求的前提下对零件结构模型采取简化和修复处理，并将零件结构划分为具有复杂孔隙结构的轻量化部分和需要快速加工制造的实体部分。
作为优选的技术方案，步骤2）的具体操作为：首先使用三维软件构建具有复杂孔隙结构的三维模型，添加支撑，生成STL文件，将STL文件进行二维切片处理，导入选区激光熔化成型设备中；然后选取制备轻量化部分所需的金属粉末材料，设置选区激光熔化加工过程的成型工艺参数，开始选区激光熔化成型；最后将打印完成后的轻量化部分进行线切割，清洗，干燥，为后续的表面处理做准备。
作为优选的技术方案，步骤3）的具体操作为：在成型的轻量化部分上对要进行电弧增材制造的区域进行打磨，去除区域表面的氧化层，并用丙酮将区域范围内的油污和脏物清洗干净。
作为优选的技术方案，步骤4）的具体操作为：首先控制机械手对成型的轻量化部分进行抓取，并放置在电弧增材制造系统工作台的工装夹具处；然后使用三维软件构建实体部分的三维模型，借助离线编程仿真软件对实体部分的三维模型进行分层切片，生成其离线程序反馈给机械手电弧增材单元，确定电弧增材单元在区域中的增材制造路径；最后设置电弧增材制造过程中的工艺参数，选取成型丝材，控制电弧增材单元，在处理后的轻量化部分基础上按照规划路径进行电弧增材制造，直至全部完成，得到目标零件结构。
作为优选的技术方案，步骤2）中所述的具有复杂孔隙结构的轻量化部分为多孔点阵结构设计。
作为优选的技术方案，金属粉末材料采用不锈钢粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、镍合金粉末或金属陶瓷复合材料粉末。
作为优选的技术方案，成型丝材采用镍基焊丝、铜基焊丝、铝基焊丝或普通钢基焊丝。
作为优选的技术方案，步骤4）中，对在电弧增材制造工艺后得到的零件结构放入热处理炉进行去应力热处理。
作为优选的技术方案，在选区激光熔化成型过程中，激光按照扫描路径对金属粉末进行选择性熔化，逐层熔化，层层叠加，其中，扫描路径是激光选区熔化设备根据二维切片信息自动生成的。
本发明的有益效果如下：
1）可以较快制备具有复杂形状的零件，减少零件的加工周期，降低生产成本。
2）可以充分发挥选区激光熔化成型技术和电弧增材制造技术的优势，提高大型零件和多材料零件的增材制造水平。
3）可以实现多材料、变刚度结构的高效协同增材制造，为增材制造的发展开辟新的方向和领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，如图1所示，包括如下步骤：
1）对零件结构进行预处理，根据零件不同部位定位需求，进行差异化设计，将零件划分为具有复杂孔隙结构的轻量化部分和需要快速加工制造的实体部分。
具体操作为：根据仿真模拟软件对零件结构模型进行受力分析，即通过仿真模拟软件分析零件结构模型的受力情况并得到零件结构模型不同区域的应力分布图，根据分析结果在满足使用要求的前提下对零件结构模型采取简化和修复处理，对零件结构模型作进一步优化，根据零件结构模型不同部位的定位需求，将零件结构模型划分为具有复杂孔隙结构的轻量化部分和需要快速加工制造的实体部分。
2）使用选区激光熔化成型工艺制备轻量化部分。
具体操作为：首先使用三维软件构建具有复杂孔隙结构的三维模型，添加支撑，生成STL文件，根据工艺要求，按照一定的规则和精度要求将STL文件进行二维切片处理，导入选区激光熔化成型设备中；然后选取制备轻量化部分所需的金属粉末材料，并将选取的金属粉末材料装入激光选区熔化设备的送粉装置内，设置选区激光熔化加工过程的成型工艺参数，开始选区激光熔化成型；最后将打印完成后的轻量化部分进行线切割，清洗，干燥，为后续的表面处理做准备。具有复杂孔隙结构的轻量化部分可以为多孔点阵结构设计；选区激光熔化成型过程中，持续向选区激光熔化成型设备的成型腔内通入氩气，以防止氧化；在选区激光熔化成型过程中，激光按照扫描路径对金属粉末进行选择性熔化，逐层熔化，层层叠加，其中，扫描路径是激光选区熔化设备根据二维切片信息自动生成的；金属粉末材料可以采用不锈钢粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、镍合金粉末、金属陶瓷复合材料粉末中的任意一种。
3）对成型的轻量化部分进行表面处理，用于调控零件两部分之间的界面连接性能。
具体操作为：在成型的轻量化部分上对要进行电弧增材制造的区域进行打磨，去除区域表面的氧化层，并用丙酮将区域范围内的油污和脏物清洗干净。
4）在处理后的轻量化部分上利用电弧增材制造工艺制备出实体部分，最终得到符合要求的零件结构。
具体操作为：首先控制机械手对成型的轻量化部分进行抓取，并放置在电弧增材制造系统工作台的工装夹具处；然后使用三维软件构建实体部分的三维模型，借助离线编程仿真软件对实体部分的三维模型进行分层切片，生成其离线程序反馈给机械手电弧增材单元，确定电弧增材单元在区域中的增材制造路径；最后设置电弧增材制造过程中的工艺参数，选取成型丝材，控制电弧增材单元，在处理后的轻量化部分基础上按照规划路径进行电弧增材制造，直至全部完成，得到目标零件结构，将目标零件结构放入热处理炉进行去应力热处理，最终得到符合要求的零件结构。机械手电弧增材单元使用CMT电弧增材技术，增材过程中引入氩气惰性气体进行保护；成型丝材可以采用镍基焊丝、铜基焊丝、铝基焊丝、普通钢基焊丝中的任意一种。
选区激光熔化成型和电弧增材制造可以选用相同或不同的金属材料。
本发明方法中，金属粉末和成型丝材的选择要根据零件决定或者预期的组织性能要求，如强度、硬度。选区激光熔化成型技术和电弧增材制造技术过程中选用的材料，要能够符合预期的性能要求，可以进一步提高产品的强度或硬度或其他方面的性能。
以下结合一个具体的实施例对本发明作进一步的说明：
实施例1
一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，主要包括以下步骤：
1）利用三维建模软件UG构建多材料、变刚度结构的三维模型，使用仿真模拟软件ANSYS分析所述三维结构模型的受力情况，得到不同区域的应力分布图，对结构模型进行优化，将零件划分为具有多孔点阵结构的轻量化部分和快速加工制造的实体部分。
2）使用选区激光熔化成型工艺制备具有多孔点阵结构的轻量化部分，选取316不锈钢粉末作为选区激光熔化成型的原材料装入送粉装置，粉末粒径为25μm，设置成型工艺参数，将选区激光熔化成型设备的成型基板的预热温度设为200℃，激光功率为200W，激光扫描速度为750mm/s，扫描间距为0.12mm，分层厚度为0.05mm。之后，将316不锈钢粉末送至成型基板，开始逐层成型，直至完成具有多孔点阵结构轻量化部分三维结构模型的制备。
3）对选区激光熔化成型的部分进行表面处理，在制备的选区激光熔化成型的部分上对进行电弧增材制造的区域进行打磨，去除区域表面的氧化层，并用丙酮将区域范围内的油污和脏物清洗干净。
4）使用电弧增材制造工艺制备出需要快速加工的实体部分，选取直径1.2mm的2319铝铜合金焊丝，利用CMT焊接技术进行增材制造，设定电弧增材制造参数，焊接电流40A，送丝速度为4.5m/min，焊枪行走速度为36cm/min，保护气气体流量为15L/min，按照规划路径逐层进行电弧增材制造，直至全部完成，将完成后的零件结构放入热处理炉，加热温度180℃，保温4h，空冷，进行去应力热处理，最终得到符合要求的零件结构。
上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）对零件结构进行预处理，根据零件不同部位定位需求，将零件划分为具有复杂孔隙结构的轻量化部分和需要快速加工制造的实体部分；
根据仿真模拟软件对零件结构进行受力分析，根据分析结果在满足使用要求的前提下对零件结构模型采取简化和修复处理，并将零件结构划分为具有复杂孔隙结构的轻量化部分和需要快速加工制造的实体部分；
2）使用选区激光熔化成型工艺制备轻量化部分；
首先使用三维软件构建具有复杂孔隙结构的三维模型，添加支撑，生成STL文件，将STL文件进行二维切片处理，导入选区激光熔化成型设备中；然后选取制备轻量化部分所需的金属粉末材料，设置选区激光熔化加工过程的成型工艺参数，开始选区激光熔化成型；最后将打印完成后的轻量化部分进行线切割，清洗，干燥，为后续的表面处理做准备；其中，金属粉末材料采用不锈钢粉末、铝合金粉末、钛合金粉末、镍合金粉末或金属陶瓷复合材料粉末；
3）对成型的轻量化部分进行表面处理；
在成型的轻量化部分上对要进行电弧增材制造的区域进行打磨，去除区域表面的氧化层，并用丙酮将区域范围内的油污和脏物清洗干净；
4）在处理后的轻量化部分上利用电弧增材制造工艺制备出实体部分，最终得到符合要求的零件结构；
首先控制机械手对成型的轻量化部分进行抓取，并放置在电弧增材制造系统工作台的工装夹具处；然后使用三维软件构建实体部分的三维模型，借助离线编程仿真软件对实体部分的三维模型进行分层切片，生成其离线程序反馈给机械手电弧增材单元，确定电弧增材单元在区域中的增材制造路径；最后设置电弧增材制造过程中的工艺参数，选取成型丝材，控制电弧增材单元，在处理后的轻量化部分基础上按照规划路径进行电弧增材制造，直至全部完成，得到目标零件结构；其中，成型丝材采用镍基焊丝、铜基焊丝、铝基焊丝或普通钢基焊丝。
2.根据权利要求1所述的一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，其特征在于：步骤2）中所述的具有复杂孔隙结构的轻量化部分为多孔点阵结构设计。
3.根据权利要求1所述的一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，其特征在于：步骤4）中，对在电弧增材制造工艺后得到的零件结构放入热处理炉进行去应力热处理，加热温度180℃，保温4h，空冷。
4.根据权利要求1所述的一种多材料、变刚度结构高效协同增材制造方法，其特征在于：在选区激光熔化成型过程中，激光按照扫描路径对金属粉末进行选择性熔化，逐层熔化，层层叠加，其中，扫描路径是激光选区熔化设备根据二维切片信息自动生成的。
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|---|---|---|---|---|
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| CN115041682A (zh) * | 2021-03-08 | 2022-09-13 | 西安铂力特增材技术股份有限公司 | 一种复合电弧送丝与激光选区熔化成形制造零件方法 |
| CN113172236B (zh) * | 2021-04-25 | 2023-07-21 | 西北工业大学 | 基于高能束的增材制造方法及设备 |
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| CN113414409B (zh) * | 2021-06-21 | 2022-06-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种梯度功能减振降噪复合材料增减材复合制造方法 |
| CN113414410B (zh) * | 2021-06-22 | 2022-06-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种金属空心球复合材料增减材制造的方法 |
| CN113524662B (zh) * | 2021-07-08 | 2022-05-17 | 吉林大学 | 采用基于射流抛光辅助的电弧超声波复合式多材料3d打印装置的方法 |
| CN113500209A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-10-15 | 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 | 一种增材制造成形方法、系统及终端设备 |
| CN113290254B (zh) * | 2021-07-25 | 2021-10-29 | 北京煜鼎增材制造研究院有限公司 | 一种金属零件的复合制造方法 |
| CN114131023A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-04 | 西安交通大学 | 大容量断路器散热结构的制造方法 |
| CN114101706B (zh) * | 2021-11-29 | 2023-08-01 | 沈阳航空航天大学 | 一种异质金属激光增材制造方法 |
| CN114309652A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-04-12 | 北京铁科首钢轨道技术股份有限公司 | 3d打印铁路扣件弹条的制作方法 |
| CN114799207B (zh) * | 2022-03-31 | 2024-04-12 | 西安航天发动机有限公司 | 一种金属发汗材料复杂预制件的成形方法 |
| CN114686732B (zh) * | 2022-04-19 | 2022-10-18 | 北航（四川）西部国际创新港科技有限公司 | 高温合金修复材料及制备方法、高温合金修复零件的增材再制造方法和再服役评价方法 |
| US20230405682A1 (en) * | 2022-06-17 | 2023-12-21 | Xerox Corporation | Three-dimensional unsupported structural features and system and methods thereof |
| CN115319098A (zh) * | 2022-08-08 | 2022-11-11 | 冯军亮 | 一种电机转轴的制造方法及使用该方法制造的电机轴组件 |
| CN115106620B (zh) * | 2022-08-09 | 2023-08-22 | 湖南大学 | 一种基于电弧增材制造提高7系铝合金韧性的方法 |
| CN115430840B (zh) * | 2022-08-29 | 2023-07-25 | 中南大学 | 一种基于激光增材制造的弱刚度零件多功能表面改性方法 |
| CN115533113A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-30 | 陕西斯瑞铜合金创新中心有限公司 | 一种具有纳米级铬相高导铜铬锆零件的快速制备方法 |
| CN116604036A (zh) * | 2023-05-18 | 2023-08-18 | 安庆瑞迈特科技有限公司 | 一种钨及钨合金光栅的3d打印方法 |
| CN117161402B (zh) * | 2023-11-02 | 2024-02-23 | 宝鸡拓普达钛业有限公司 | 基于选区激光熔化的钛合金制造效率提高方法及系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104259459A (zh) * | 2014-09-29 | 2015-01-07 | 飞而康快速制造科技有限责任公司 | 一种采用选区激光熔化技术制备钛合金工艺品的方法 |
| CN109047762A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-12-21 | 江苏大学 | 一种激光选区熔化与激光切割复合的增材制造方法 |
| CN110508901A (zh) * | 2019-09-16 | 2019-11-29 | 西安交通大学 | 电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法 |
| CN110711923A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-01-21 | 江南大学 | 基于预制件的电弧增材混合制造方法 |
| CN110744303A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-02-04 | 江南大学 | 一种电弧增材与锻铣复合加工成形装置及方法 |
| CN111036907A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-21 | 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 | 一种基于激光选区熔化成形技术制备ta32钛合金零件的方法 |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060065546A1 (en) * | 2001-11-19 | 2006-03-30 | Alain Curodeau | Electric discharge machining electrode and method |
| US6940037B1 (en) * | 2003-08-25 | 2005-09-06 | Southern Methodist University | System and method for controlling welding parameters in welding-based deposition processes |
| US9636229B2 (en) * | 2012-09-20 | 2017-05-02 | Conformis, Inc. | Solid freeform fabrication of implant components |
| US20150367418A1 (en) * | 2014-06-20 | 2015-12-24 | Velo3D, Inc. | Apparatuses, systems and methods for three-dimensional printing |
| DE102015113677A1 (de) * | 2015-08-18 | 2017-02-23 | Airbus Operations Gmbh | Additive Fertigung eines Bauteils aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff |
| JP6532396B2 (ja) * | 2015-12-25 | 2019-06-19 | 株式会社ダイヘン | 銅合金粉末、積層造形物の製造方法および積層造形物 |
| FR3047489B1 (fr) * | 2016-02-08 | 2022-09-23 | Abdelmadjid Djemai | Procede de fabrication d'un beta-alliage titane niobium zirconium (tnz) a tres bas module d'elasticite pour applications biomedicales et son mode de realisation par fabrication additive |
| US10994371B2 (en) * | 2016-02-24 | 2021-05-04 | Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. | System and method for depositing a metal to form a three-dimensional part |
| CN106623924B (zh) * | 2016-12-07 | 2018-12-11 | 中北大学 | 一种基于选区激光融化的粉末冶金成型功能梯度材料的方法 |
| CN108994298B (zh) * | 2018-08-08 | 2019-11-12 | 南京航空航天大学 | 一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法 |
| CN109365818B (zh) * | 2018-12-25 | 2021-08-13 | 鑫精合激光科技发展（北京）有限公司 | 一种用于多孔夹层蜂窝件的激光选区熔化成形方法及装置 |
| CN110238404A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-09-17 | 西北工业大学 | 一种异质材料复杂结构件的高能束增材制造方法 |
-
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-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104259459A (zh) * | 2014-09-29 | 2015-01-07 | 飞而康快速制造科技有限责任公司 | 一种采用选区激光熔化技术制备钛合金工艺品的方法 |
| CN109047762A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-12-21 | 江苏大学 | 一种激光选区熔化与激光切割复合的增材制造方法 |
| CN110508901A (zh) * | 2019-09-16 | 2019-11-29 | 西安交通大学 | 电弧增材制造应急修复船舶受损Al-Mg系铝合金构件的方法 |
| CN110711923A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-01-21 | 江南大学 | 基于预制件的电弧增材混合制造方法 |
| CN110744303A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-02-04 | 江南大学 | 一种电弧增材与锻铣复合加工成形装置及方法 |
| CN111036907A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-04-21 | 航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司 | 一种基于激光选区熔化成形技术制备ta32钛合金零件的方法 |
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