CN111625969B - 一种增材制造变形补偿制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种增材制造变形补偿制造方法，包括:建立初始零件数模的初始有限元模型并进行SLM增材制造过程有限元仿真分析，得到初始SLM增材后的应力场，对应力场方向进行反向变换，然后进行去基板和去支撑的有限元仿真分析，得到新零件数模，并建立新有限元模型；然后进行SLM增材制造过程有限元仿真分析，并得到新SLM增材，并进行去基板和去支撑的有限元仿真分析，并得到最终零件数模；若最终零件数模的变形度在许可范围内，则将新零件数模导入SLM打印机进行实际SLM制造。前一次有限元仿真分析对应力场方向反向变换，后一次有限元仿真分析应力场方向保持不变，零件数模两次形变方向相反并相互抵消，可有效改善零件形变。

Description

一种增材制造变形补偿制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造变形补偿制造方法。

背景技术

增材制造技术是一种基于分层制造原理，采用材料逐层堆积的方式进行了一种方法。该方法可以直接将数字化模型进行分层切片处理，得到每层需要堆积的材料区域，然后采用适当的轨迹规划方法，得到热源的扫面路径，最后进行材料的逐层累积过程。其中，激光选取熔化增材制造技术(Selective laser melting SLM)是一种以激光束作为加热热源的增材制造技术，其具有能力密度高的特点，具备不受零件外形及结构限制的优点，可用于航空航天中一些外形结构复杂、常规加工难度大的零件的制造中。

同时，由于航空航天工业零件中，存在着大量的薄壁结构的零件，在这些零件的激光选取熔化增材制造过程中，难以避免得会存在变形。为尽量减小变形，常规的办法有：优化支撑设计、改善工艺参数(包括激光功率、扫面速率等)、去应力退火等。即便如此，对于某些刚度较小的薄壁类结构，其变形仍然较大，严重影响该零件后续的装配工艺。因此，在保证激光选取熔化增材制造过程中的材料力学基本性能以外，如何降低零件变形，使其变形保持在许可的范围内，显得尤为重要。

一般而言，SLM增材制造的流程依次为：摆放方式设计、支撑设计、工艺参数设定、SLM打印、去应力退火处理、与基板分离以及去除支撑。上述流程中的每个步骤都会对最终的零件的变形产生影响。随着有限元仿真技术的发展，上述步骤都可以事先进行仿真计算，来计算和估计零件的变形。但有限元仿真也只是起着预测的作用，只能在所有参数都确定的情况下，给出计算的零件变形量。如果要降低变形量，只能对上述步骤中的参数进行修改及优化，有限元仿真并不能产生有效的输出。一般SLM有限元仿真过程与实际的工艺过程一致，依次为：初始数模、摆放方式设计、支撑设计、工艺参数设定、SLM打印仿真、去应力退火处理仿真、与基板分离仿真、去除支撑仿真以及仿真结果。该方法只能对最后成型的零件的变形进行预测。若存在较大的、不可接受的变形，也只能从调节摆放方式、改进支撑设计以及优化工艺参数等传统工艺角度去改进整个工艺过程，降低最终的零件变形。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种增材制造变形补偿制造方法，以解决现有技术中有限元仿真只是起着预测的作用，只能在所有参数都确定的情况下，给出计算的零件变形量，但对于如何降低变形量不能产生有效的输出的问题。

本发明提供一种增材制造变形补偿制造方法，该增材制造变形补偿制造方法包括：

S1：根据实际SLM制造的工艺流程，在仿真软件中建立初始零件数模的初始有限元模型；

S2：基于所述初始有限元模型进行SLM增材制造过程有限元仿真分析，得到初始SLM增材后的应力场，对所述应力场的方向进行反向变换；

S3：对所述初始SLM增材进行去基板和去支撑的有限元仿真分析，并得到新零件数模，并在仿真软件中建立新零件数模的新有限元模型；

S4：基于所述新有限元模型依次进行SLM增材制造过程有限元仿真分析、去基板有限元仿真分析和去支撑有限元仿真分析，并得到最终零件数模；

S5：若最终零件数模的变形度在许可范围内，则将所述新零件数模导入SLM打印机进行实际SLM制造。

作为优选，S1中和S3中，所述初始有限元模型和所述新有限元模型均包括相同的零件的材料性能参数、边界条件设置参数以及网格划分密度参数。

作为优选，所述边界条件设置参数包括零件的摆放位置设置和工艺参数设置。

作为优选，所述零件的材料性能包括：材料的高温及低温的弹性模量、泊松比、屈服强度、比热容、热传导系数和膨胀系数。

作为优选，SLM增材制造过程有限元仿真分析包括摆放方式设计、支撑设计、工艺参数设定、SLM打印仿真和去应力退火仿真。

本发明的有益效果为：

根据初始零件数模依次经过一次应力场方向变换的有限元仿真分析以及一次常规流程的有限元仿真分析，可直接获得最终零件形变程度在许可范围内的新零件数模。相比现有技术中的有限元仿真分析仅能够用于预测初始零件数模的形变程度，大大提高了SLM工艺过程中零件变形补偿效率，并且有限元仿真分析可直接产生有效的输出。

附图说明

图1为本发明本实施例中增材制造变形补偿制造方法的流程图一；

图2为本发明本实施例中对平板零件进行增材制造变形补偿的过程示意图一；

图3-1为本发明本实施例中对平板零件进行增材制造变形补偿时，未进行应力场反向变换的示意图；

图3-2为本发明本实施例中对平板零件进行增材制造变形补偿时，未进行应力场反向变换时的节点应力示意图；

图4为本发明本实施例中对平板零件进行增材制造变形补偿的过程示意图二；

图5为本发明本实施例中对平板零件进行增材制造变形补偿的过程示意图三；

图6为本发明本实施例中对平板零件进行增材制造变形补偿的过程示意图四；

图7为本发明本实施例中对平板零件进行增材制造变形补偿的过程示意图五；

图8为本发明本实施例中具体零件的初始数模示意图；

图9为本发明本实施例中对具体零件进行增材制造变形补偿的过程的示意图一；

图10为本发明本实施例中对具体零件进行增材制造变形补偿的过程的示意图二；

图11为本发明本实施例中对具体零件进行增材制造变形补偿的过程的示意图三。

图中：

1、平板零件；2、支撑；3、基板；4、具体零件；5、支撑设计。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

请参照图1，本实施例提供一种增材制造变形补偿制造方法，该增材制造变形补偿制造方法包括以下步骤：

S1：根据实际SLM制造的工艺流程，在仿真软件中建立初始零件数模的初始有限元模型。

实际SLM制造的工艺流程包括：摆放方式设计、支撑设计、工艺参数设定、SLM打印、去应力退火处理、与基板分离和去除支撑。可以理解的是，初始零件数模可以为想要得到的目标零件形状。

S2：基于初始有限元模型进行SLM增材制造过程有限元仿真分析，得到初始SLM增材后的应力场，对应力场的方向进行反向变换。

SLM增材制造过程有限元仿真分析包括摆放方式设计、支撑设计、工艺参数设定、SLM打印仿真和去应力退火仿真，在去应力退火仿真之后得到SLM增材，并得到初始SLM增材后的应力场。在对应力场的方向进行反向变换时，所有节点的应力方向都需要变为反方向，变换的应力包括正应力和切应力。例如，对于一块平板状件而言，在应力场的方向进行反向变换之前，平板状件的上表面为压应力，下表面为拉应力，在应力场的方向进行反向变换之后，平板状件的下表面为压应力，上表面为拉应力。

S3：对初始SLM增材进行去基板和去支撑的有限元仿真分析，并得到新零件数模，并在仿真软件中建立新零件数模的新有限元模型。

需要注意的是，如果在S2中，不进行应力场方向的反向变换，那么得到的零件数模相比初始零件数模的形变方向为正向形变，而本实施例中，由于在S2中在进行了应力场方向的反向变换，因而得到的新零件数模相比初始零件数模会发生反向形变。新有限元模型根据新零件数模和上述实际SLM制造的工艺流程得出。

S4：基于新有限元模型依次进行SLM增材制造过程有限元仿真分析、去基板有限元仿真分析和去支撑有限元仿真分析，并得到最终零件数模。

SLM增材制造过程有限元仿真分析的过程和S2中SLM增材制造过程有限元仿真分析的过程一致，并和SLM增材去基板有限元仿真分析以及SLM增材去支撑有限元仿真分析共同构成SLM制造过程有限元仿真分析的工艺流程。

S4中最终零件数模相比新零件数模将发生正向变形，因而，在步骤S2-S4中，相当于初始零件数模依次经历了反向和正向两个方向的形变得到最终零件数模，因变形方向相反，形变将会部分抵消或完全抵消，因而最后零件数模的形状更加接近或等同于初始零件数模，也就是说，若将新零件数模用于实际SLM制造，得到的零件将和最终零件数模一致或相似，并且相比初始零件数模能够很好的改善形变。

S5：若最终零件数模的变形度在许可范围内，则将新零件数模导入SLM打印机进行实际SLM制造。

该增材制造变形补偿制造方法，以初始零件数模为基础，经过一次将SLM增材后应力场反向变换的SLM制造过程有限元仿真分析的工艺流程，以及一次SLM增材后应力场方向不做改变的SLM制造过程有限元仿真分析的工艺流程，可仿真得到用于通过实际SLM制造的新零件数模，对于零件变形，有限元仿真分析可直接产生有效的输出，并且大大提高了对零件变形的改善效率。

为了保证该增材制造变形补偿制造方法的结果准确可靠，有限元模型需要尽可能多的囊括对零件变形有影响的数据并且各种数据必须要尽可能的可靠。本实施例中的初始有限元模型和新有限元模型均包括相同的零件的材料性能、边界条件设置以及网格划分密度。并且初始有限元模型的零件的材料性能参数、边界条件设置参数以及网格划分密度参数。本实施例中的初始有限元模型和新有限元模型的各个参数还需要和实际SLM制造过程中的相关参数相同。

其中，零件的材料性能参数包括：材料的高温及低温的弹性模量、泊松比、屈服强度、比热容、热传导系数和膨胀系数等。边界条件设置参数包括零件的摆放位置设置和零件的工艺参数设置等，工艺参数可以是增材加工的速率、增材加工的层高控制等。网格划分密度需要趋于精细，过于粗糙的网格容易导致结果的可靠性降低。

考虑到先后两次有限元仿真分析过程中，前一次基于初始零件数模，后一次则基于反向变形后的新零件数模，先后两个零件数模的外形会存在些许差别，因此初始零件数模和新零件数模的零件的支撑设置可能也会存在差异，此时，在保证初始零件数模和新零件数模的零件的摆放位置一致的情况下，这种现象是许可的。

本实施例以平板零件1对该增材制造变形补偿制造方法进行说明。

初始零件数模为一平板状零件，以该平板零件1作为初始零件数模输入仿真软件，并结合实际SLM制造的工艺流程建立初始有限元模型。

请参照图2，在S2中经过SLM增材后，得到该平板零件1的初始SLM增材，在去除基板3和支撑2前，平板零件1的上表面存在着拉应力，下表面存在压应力，由于基板3和支撑2的束缚，此时平板零件1并没有产生变形。

请参照图3-1，如果S2中应力场方向不进行任何处理的话，待去除基板3和支撑2后，平板零件1将会产生向上翘曲的变形。此时应力场各个节点的状态如图3-2所示，图中总共6个面，每个面上，都有3个应力，这样就存在18个应力。其中，由于力的平衡，及相互平行平面上，方向相反的应力，其值应该相等；所以节点应力状态可以用9个应力值表述，即

式中，σ_ij表示节点应力，其中，i等于1至3的任意整数，j等于1至3的任意整数；σ_x表示作用在法线为X轴的平面上，且垂直于平面的正应力；σ_y表示，作用在法线为Y轴的平面上，且垂直于平面的正应力；σ_z表示作用在法线为Z轴的平面上，且垂直于平面的正应力；τ_xy表示作用法线为X轴的平面上，应力方向为y方向的切应力；τ_xz表示作用法线为X轴的平面上，应力方向为z方向的切应力；τ_yx表示作用法线为Y轴的平面上，应力方向为x方向的切应力；τ_yz表示，作用法线为Y轴的平面上，应力方向为z方向的切应力；τ_zx表示作用法线为Z轴的平面上，应力方向为x方向的切应力；τ_zy表示作用法线为Z轴的平面上，应力方向为y方向的切应力。

请参照图4，本实施例在S2中对去除基板3和支撑2之前的初始SLM增材后的应力场进行反向处理，将所有的应力节点的应力的方向都变为反向，变换的应力包括正应力和切应力。此时初始SLM增材的应力场，上表面为压应力，下表面为拉应力，此时节点应力为：

请参照图5，在S3中将初始SLM增材的基板3和支撑2去除后，得到平板零件1的新零件数模，此时平板零件1将会产生向下弯曲的变形。以图5所示平板零件1的新零件数模为新的模型输入仿真软件，并建立新有限元模型。新有限元模型中，包括基板3尺寸、零件摆放方式、工艺参数、网格划分等一系列涉及到的参数都与之前的保持一致。

请参照图6，在S4中经SLM增材后，得到该平板零件1的新SLM增材，此时该平板零件1的上表面为拉应力，下表面为压应力。

请参照图7，在S4中当对新SLM增材去除基板3和支撑2后，得到该平板零件1的最终零件数模，终零件数模的变形方向类似于图3，也是向上翘曲的。但由于新SLM增材具备初始的反变形(向下弯曲)，正反相互抵消，最后产生的变形将会远低于图3中的变形量。

经过上述步骤验证，如果最终零件数模的变形在许可范围以内，则可以将图6中的新零件数模导入SLM打印机中进行加工，打印出的零件在去除基板3和支撑2后将会呈现为平板状，且与初始零件数模的形状相近。

本实施例以初始数模如图8所示的具体零件4对该增材制造变形补偿制造方法进行说明。

S1：根据该具体零件4的初始数模建立初始有限元模型，其中，根据该具体零件4的支撑设计5如图9所示。

S2：基于初始有限元模型进行SLM增材制造过程有限元仿真分析，得到初始SLM增材后的应力场，对应力场的方向进行反向变换。

S3：对初始SLM增材进行去基板和去支撑的有限元仿真分析，并得到新零件数模，新零件数模如图10所示，该具体零件4的新零件数模的最大变形位移达到1.54mm，根据图10所示新零件数模在仿真软件中建立新有限元模型。

S4：基于新有限元模型依次进行SLM增材制造过程有限元仿真分析、去基板有限元仿真分析和去支撑有限元仿真分析，并得到最终零件数模。最终零件数模的变形结果如图11所示，此时具体零件4的最终零件数模中最大变形位移为0.33mm。

通过该增材制造变形补偿制造方法，经过两次有限元仿真分析以及应力场方向反向变换处理后，具体零件4的变形为0.33mm。该变形度在具体零件4的许可范围内，从而可直接将图10所示的具体零件4的新零件数模导入SLM打印机进行实际SLM制造。

如果对图8所示的具体零件4的初始数模直接导入SLM打印机进行实际SLM制造，通过实际实验结果，生产出来的具体零件4的最大变形位移达到1.29mm，也就是说，通过该增材制造变形补偿制造方法，具体零件4的最大变形位移由1.29mm变为0.33mm，具体零件4的变形度显著降低，因而该增材制造变形补偿制造方法可对零件的变形度产生有效输出，大大提高了对零件变形度的改善效率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种增材制造变形补偿制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据实际SLM制造的工艺流程，在仿真软件中建立初始零件数模的初始有限元模型；

S2：基于所述初始有限元模型进行SLM增材制造过程有限元仿真分析，得到初始SLM增材后的应力场，对所述应力场的方向进行反向变换；

S3：对所述初始SLM增材进行去基板和去支撑的有限元仿真分析，并得到新零件数模，并在仿真软件中建立新零件数模的新有限元模型；

S4：基于所述新有限元模型依次进行SLM增材制造过程有限元仿真分析、去基板有限元仿真分析和去支撑有限元仿真分析，并得到最终零件数模；

S5：若最终零件数模的变形度在许可范围内，则将所述新零件数模导入SLM打印机进行实际SLM制造。

2.根据权利要求1所述的增材制造变形补偿制造方法，其特征在于，S1中和S3中，所述初始有限元模型和所述新有限元模型均包括相同的零件的材料性能参数、边界条件设置参数以及网格划分密度参数。

3.根据权利要求2所述的增材制造变形补偿制造方法，其特征在于，所述边界条件设置参数包括零件的摆放位置设置和工艺参数设置。

4.根据权利要求2所述的增材制造变形补偿制造方法，其特征在于，所述零件的材料性能包括：材料的高温及低温的弹性模量、泊松比、屈服强度、比热容、热传导系数和膨胀系数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的增材制造变形补偿制造方法，其特征在于，SLM增材制造过程有限元仿真分析包括摆放方式设计、支撑设计、工艺参数设定、SLM打印仿真和去应力退火仿真。

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