CN111859734B - Slm增材制造工件成形取向的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其包括步骤：获取工件三维模型；绕X轴和Y轴步进旋转工件三维模型，采用坐标变换得到每次旋转后的工件子模型；对各工件子模型空间离散，采用数值模拟方法计算各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场；分析各工件子模型的温度场，确定各工件子模型的高温区，并将高温区按高低顺序排列后成N段，确定第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j；按照高温区影响最小原则计算各工件子模型的温度均匀指数I_T，挑选温度均匀指数I_T最高的工件子模型作为工件最优取向三维模型；对工件最优取向三维模型转换得到用于工件的增材制造的工件最优取向三维模型的STL格式文件。

Description

SLM增材制造工件成形取向的优化方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种SLM增材制造工件成形取向的优化方法。

背景技术

激光选区熔化(Selective laser melting，简称SLM)是一种重要的增材制造技术，工件的成形需要设计支撑，用于支撑工件的悬垂面。支撑设计和工件的成形取向密切相关，成形取向不同，支撑设计不同，由于悬垂面传热慢且容易产生热量集中，因此会影响打印工件的质量。另外，工件的成形取向常规的优化方法主要针对工件的拓扑结构特点进行优化，如直接判断不同取向下的悬垂面面积，通过比较悬垂面面积，选择最小或较小悬垂面面积对应的工件取向为工件最优取向。该方法将工件作为一个整体进行拓扑形状分析，不符合增材制造逐层成形的特点，因此不能完全适用于增材制造，悬垂面很可能仍存在大程度热量集中，优化效果不足，工件打印质量不高。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其使工件在增材制造过程中不易产生热量集中，从而不易产生应力集中和变形，因此工件能够顺利成形并提高工件的成形尺寸精度和质量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其包括步骤：获取工件三维模型；绕三维空间坐标系O-XYZ的垂直于成形方向的X轴和Y轴步进旋转工件三维模型，绕X轴步进旋转的第一步进角度为Δα，且绕Y轴步进旋转的第二步进角度为Δβ，采用坐标变换得到每次旋转后的工件子模型M_pq，p＝0,1,2,…,[180°/Δα]，p表示绕X轴第p次旋转工件三维模型，q＝0,1,2,…,[180°/Δβ]，q表示绕Y轴第q次旋转工件三维模型；对各工件子模型进行空间离散，采用数值模拟方法计算各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场；分析各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，确定各工件子模型的高温区，并将各工件子模型的高温区按高低顺序排列后分成N段，确定第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，j＝1,…,N；根据各工件子模型的第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，按照高温区影响最小原则计算得到各工件子模型的温度均匀指数I_T，挑选工件最优取向三维模型，工件最优取向三维模型为多个工件子模型中温度均匀指数I_T最高的工件子模型；对工件最优取向三维模型进行转换得到工件最优取向三维模型的STL格式文件，工件最优取向三维模型的STL格式文件用于工件的增材制造。

在一些实施例中，对各工件子模型进行空间离散，采用数值模拟方法计算各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场包括步骤：对工件子模型进行空间网格划分，以建立工件空间离散分析计算模型；设定工件的计算域随SLM增材制造成形过程为成形工件时工件的第一层成形表面到当前第i层成形表面；对工件空间离散分析计算模型在工件的计算域内施加动态温度边界条件：设置成形工件时用于与基板接触的工件的第一表面的温度边界条件为基板温度；设置成形工件时工件的当前第i层成形表面的瞬时温度边界条件为SLM增材制造工件的熔化温度，i＝2,…,M，M为成形总层数；当i<M时，设置工件的当前第i层成形表面与第i+1层未成形表面之间的温度边界条件为绝热，当i＝M时，设置工件的当前第i层成形表面13的温度边界条件为绝热；设置工件的第二表面的温度边界条件为绝热，第二表面为成形工件的当前第i层时工件的除第一表面和当前第i层成形表面外的其它表面；设置工件的初始温度为室温；根据工件空间离散分析计算模型和施加的动态温度边界条件，求解工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场。

在一些实施例中，对工件子模型进行网格划分，以建立工件空间离散分析计算模型包括步骤：对工件子模型沿成形方向剖切分段；使用有限元或有限差分的方法对剖切分段后的工件子模型网格划分，得到工件空间离散分析计算模型。

在一些实施例中，对工件空间离散分析计算模型施加温度边界条件还包括：设定工件的当前第i层成形表面与环境之间对流换热和辐射换热的温度边界条件。

在一些实施例中，使用有限元或有限差分方法求解工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场。

在一些实施例中，分析各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，确定各工件子模型的高温区的过程为：根据各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，以设定的时间间隔采集温度数据，并按照设定的临界温度分析得到各工件子模型的高温区，高温区为温度场中温度大于设定的临界温度的区域。

在一些实施例中，设定的临界温度为SLM增材制造工件的熔化温度的0.7-1.0倍。

在一些实施例中，对工件子模型沿成形方向以设定的片层高度剖切分段，设定的片层高度为SLM增材制造工件的打印层厚的1-10倍。

在一些实施例中，根据各工件子模型的第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，计算得到各工件子模型的温度均匀指数I_T的过程为：

本发明的有益效果如下：

在本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法中，将工件在增材制造过程中的传热因素考虑到工件成形取向的优化中，通过绕两个轴线(即垂直于成形方向的水平X轴和Y轴)步进旋转工件三维模型来获取不同空间成形取向下的工件，即通过多次绕X轴和Y轴的步进旋转共得到多个工件子模型，多个工件子模型具有不同的空间成形取向。对各工件子模型采用数值模拟方法计算其SLM增材制造成形过程的温度场以进行分析，计算多个工件子模型的温度均匀指数，来表征各工件子模型的温度均匀性，挑选温度均匀指数最高的工件子模型作为工件最优取向三维模型，将其用于后序工件的增材制造过程中，工件以工件最优取向三维模型对应的空间成形取向逐层成形。温度均匀指数表示工件在SLM增材制造过程中的均匀性和热量集中度，温度均匀指数越高，工件在SLM增材制造过程中的均匀性越好，受高温区影响越小，热量集中度越低，通过得到各工件子模型的温度场，从而判断出工件在SLM增材制造过程中的热量集中度，通过高温区影响最小原则确定工件最优取向三维模型，也就确定了工件最优取向三维模型对应的最优空间成形取向。因此，通过温度均匀指数最高来确定工件最优取向三维模型，以对工件的空间成形取向进行优化，降低传热因素对成形工件的影响，从而工件在SLM增材制造过程中逐层成形工件时不易产生热量集中，进而不易产生应力集中，降低成形工件时工件的热变形，因此能够保证工件顺利成形，并提高工件的成形尺寸精度和质量。

附图说明

图1是根据本发明的SLM增材制造工件成形取向的优化方法的对工件三维模型进行坐标变换的示意图。

图2是根据本发明的SLM增材制造工件成形取向的优化方法的对工件三维模型坐标变换得到的一工件子模型的温度场分布示意图。

图3是根据本发明的SLM增材制造工件成形取向的优化方法的对工件三维模型坐标变换得到的另一工件子模型的温度场分布示意图。

其中，附图标记说明如下：

1 工件

11 第一表面

12 第二表面

121 悬垂面

13 当前第i层成形表面

2 基板

Z 成形方向

具体实施方式

附图示出本发明的实施例，且将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本发明。

本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。

在工件增材制造工艺中，需设计工件1在增材制造过程中的空间成形取向。本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法是对工件的空间成形取向选取的优化方法，是在增材制造工件前选取最优的工件成形取向的操作，以在增材制造工件过程中按照最优的工件成形取向来成形工件1。

在SLM增材制造工件的过程中，在基板2上铺粉，使用热源将粉末在基板2上按照规划的扫描路径进行扫描以熔化粉末，熔化后，将热源沿成形方向Z提升一个打印层厚的高度或将基板2沿成形方向Z下降一个打印层厚的高度，铺设新的粉末，然后使用热源继续将逐层铺设的新的粉末进行扫描，以逐层成形工件1，直到完成工件成型，达到工件1所需形状尺寸。逐层成形工件1的过程也可称为逐层打印工件1的过程。热源可为激光束。打印层厚为在SLM增材制造工件的过程中逐层成形工件1时每层的层厚，打印时间为在SLM增材制造工件的过程中逐层成形工件1时成形每层的时间。在SLM增材制造工件的过程中，可采用预热装置对基板2进行预热处理，使基板2由室温上升至所期望的预热基板2的温度。

参照图1至图3，本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法包括步骤：获取工件三维模型；绕三维空间坐标系O-XYZ的垂直于成形方向Z的X轴和Y轴步进旋转工件三维模型，绕X轴步进旋转的第一步进角度为Δα，且绕Y轴步进旋转的第二步进角度为Δβ，采用坐标变换得到每次旋转后的工件子模型，M_pq,p＝0,1,2,…,[180°/Δα]，p表示绕X轴第p次旋转工件三维模型，q＝0,1,2,…,[180°/Δβ]，q表示绕Y轴第q次旋转工件三维模型；其中，工件三维模型每次旋转可先绕X轴旋转然后绕Y轴旋转，工件三维模型绕X轴和Y轴的旋转范围为0°～180°，旋转覆盖整个球面空间；对各工件子模型进行空间离散，采用数值模拟方法计算各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场；分析各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，确定各工件子模型的高温区，并将各工件子模型的高温区按高低顺序排列后分成N段，确定第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，j＝1,…,N；根据各工件子模型的第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，按照高温区影响最小原则计算得到各工件子模型的温度均匀指数I_T，挑选工件最优取向三维模型，工件最优取向三维模型为多个工件子模型中温度均匀指数I_T最高的工件子模型；对工件最优取向三维模型进行转换得到工件最优取向三维模型的STL格式文件，工件最优取向三维模型的STL格式文件用于工件1的增材制造。在这里补充说明的是，对于各工件子模型，确定了高温区，根据各工件子模型的高温区的平均温度的高低，将高温区按照高低顺序排列，然后将排列好的高温区分成N段，高低顺序可以是由低到高也可以是由高到低。

在本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法中，将工件1在增材制造过程中的传热因素考虑到工件成形取向的优化中，通过绕两个轴线(即垂直于成形方向Z的水平X轴和Y轴)步进旋转工件三维模型来获取不同空间成形取向下的工件1，即通过多次绕X轴和Y轴的步进旋转共得到多个工件子模型，多个工件子模型具有不同的空间成形取向。对各工件子模型采用数值模拟方法计算其SLM增材制造成形过程的温度场以进行分析，计算多个工件子模型的温度均匀指数，来表征各工件子模型的温度均匀性，挑选出温度均匀指数最高的工件子模型作为工件最优取向三维模型，将其用于后序工件1的增材制造过程中，工件以工件最优取向三维模型对应的空间成形取向逐层成形。温度均匀指数表示工件1在SLM增材制造过程中的均匀性和热量集中度，温度均匀指数越高，工件1在SLM增材制造过程中的均匀性越好，受高温区影响越小，热量集中度越低，通过得到各工件子模型的温度场，从而判断出工件1在SLM增材制造过程中的热量集中度，通过高温区影响最小原则判断工件热量集中度最小取向，确定工件最优取向三维模型，也就确定了工件最优取向三维模型对应的最优空间成形取向。因此，通过温度均匀指数最高来确定工件最优取向三维模型，以对工件1的空间成形取向进行优化，降低传热因素对成形工件的影响，从而工件1在SLM增材制造过程中逐层成形时不易产生热量集中，进而不易产生应力集中，降低成形工件时工件1的热变形，因此能够保证工件1顺利成形，并提高工件1的成形尺寸精度和质量。而且，通过优化工件1的空间成形取向，减少甚至省去在工件增材制造过程中支撑的使用，减少或省去去除支撑的工作量，提高工件1的成形效率。

在本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法中，在一些实施例中，对于工件三维模型，可以通过Solidworks、UG等建模软件建模以完成工件1的设计，从而获取到工件三维模型。

在本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法中，参照图1至图3，在一些实施例中，通过绕X轴和Y轴两个轴线步进旋转工件三维模型来获取不同空间成形取向下的工件1，这里，为了便于说明，不同空间成形取向下的工件1用多个工件子模型来表示，多个工件子模型为经过多次旋转后的具有不同的空间成形取向的工件子模型。通过步进旋转的方式得到工件1的不同空间成形取向，以用于工件1的空间成形取向优化。图2和图3为图1的工件1的工件三维模型经旋转坐标变换得到的其中两个空间成形取向不同的工件子模型的平面示意图。

参照图1，X轴和Y轴是在水平面内相互垂直的两个方向。成形方向Z与水平面垂直。激光束扫描时的扫描方向和进给方向与X轴和Y轴在同一平面上，扫描方向和进给方向可根据逐层成形的动态过程相互变换，也就是说，可以是扫描方向沿X轴、进给方向沿Y轴，也可以是扫描方向沿Y轴、进给方向沿X轴，在逐层扫描时，扫描不同层时的扫描方向和进给方向可以相互变换，扫描同一层的不同区域时的扫描方向和进给方向也可以相互变换。在一些实施例中，绕X轴步进旋转的第一步进角度Δα可在1°-10°范围内选择，绕Y轴步进旋转的第二步进角度Δβ也可在1°-10°范围内选择，但第一步进角度Δα和第二步进角度Δβ的选择不限于此。每次旋转得到的各工件子模型相对工件三维模型的初始状态绕X轴旋转的第一角度和相对工件三维模型的初始状态绕Y轴旋转的第二角度表示各工件子模型对应的空间成形取向。第一角度的范围为0°-180°。第二角度的范围为0°-180°。

在本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法中，参照图1至图3，在一些实施例中，对各工件子模型进行空间离散，采用数值模拟方法计算各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场包括步骤：对工件子模型进行空间网格划分，以建立工件空间离散分析计算模型；设定工件1的计算域随SLM增材制造成形过程为成形工件1时工件1的第一层成形表面到当前第i层成形表面13；其中，工件1的计算域随SLM增材制造成形过程不断增大；对工件空间离散分析计算模型在工件1的计算域内施加温度边界条件：设置成形工件1时用于与基板2接触的工件1的第一表面11的温度边界条件为基板温度；设置成形工件1时工件1的当前第i层成形表面13的瞬时温度边界条件为SLM增材制造工件的熔化温度，i＝2,…,M，M为成形总层数；当i<M时，设置工件1的当前第i层成形表面13与第i+1层未成形表面之间的温度边界条件为绝热，也就是说，未成形的第i+1层未成形表面及以上未成形层不在当前计算域内，当i＝M时，设置工件1的当前第i层成形表面13的温度边界条件为绝热；设置工件1的第二表面12的温度边界条件为绝热，第二表面12为成形工件1的当前第i层成形表面13时工件1的除第一表面11和当前第i层成形表面13外的其它表面；设置工件1的初始温度为室温；根据工件空间离散分析计算模型和施加的动态温度边界条件，求解工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场。

在一些实施例中，对工件空间离散分析计算模型施加温度边界条件还可包括：设定工件1的当前第i层成形表面13与环境之间对流换热和辐射换热的温度边界条件。对流换热的温度边界条件可为自然对流换热系数，自然对流换热系数可根据经验在1-10w/m²/s范围内选择。辐射换热的温度边界条件可根据波茨尔曼定律计算确定。工件子模型为空间实体模型，通过对工件子模型进行网格划分进行离散得到空间离散模型(即工件空间离散分析计算模型)，然后对空间离散模型施加温度边界条件，进而求解工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场。因此，通过模拟各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，可知工件1在不同空间成形取向下的SLM增材制造成形过程的温度均匀性。

对工件子模型进行网格划分包括模型切片处理和网格划分处理。参照图2和图3，在一些实施例中，对工件子模型进行网格划分，以建立工件空间离散分析计算模型包括步骤：对工件子模型沿成形方向Z剖切分段；使用有限元或有限差分的方法对剖切分段后的工件子模型网格划分，得到工件空间离散分析计算模型。需要注意的是，同一网格在成形方向Z上不跨段，为了避免网格在成形方向Z上凹凸不平。各工件子模型为空间实体模型，各工件空间离散分析计算模型为与各工件子模型对应的空间离散模型。通过对各工件子模型进行网格划分保证空间取向不同的各工件子模型的网格都平行于成形层生长方向，即成形方向Z。其中，对工件子模型沿成形方向Z以设定的片层高度剖切分段，片层高度可设定为SLM增材制造工件的打印层厚的1-10倍，以减少切片处理的计算量。对剖切分段后的工件子模型网格划分，网格划分采用正交六面体网格、不规则的六面体网格或不规则的四面体网格进行网格划分，优选正交六面体网格进行网格划分，由于已经进行了沿成形方向Z的切片处理，因此保证了网格在垂直于成形方向Z上以层状分布，从而符合工件成形过程逐层成形，提高工件子模型成形过程温度场计算精度。否则如果网格在成形方向Z上不以平行层排列，则造成工件子模型成形过程温度场计算的误差。网格尺寸可在0.5mm～2mm之间选择，既一定程度上保证了计算精度，又兼顾了计算效率。可利用切片软件对工件子模型进行网格划分，例如可利用ANSYS或Hypermesh等软件的分段和网格剖分功能实现。

在图2和图3所示的实施例中，当成形工件1的当前第i层成形表面13时，沿成形方向Z，工件1的当前第i层成形表面13上方的部分实际因为还未成形到所以是不存在的，工件1的当前第i层成形表面13以下的部分是已成形实际存在的部分，计算域沿成形方向Z为成形工件1时工件1的第一层成形表面到当前第i层成形表面13，得到工件1的当前第i层成形表面13以下已成形部分的温度场。为了便于解释说明，图中示出当前第i层成形表面13上方还未成形到的部分，示出的还未成形到的部分处于沿成形方向Z剖切分段的状态。

在本申请的SLM增材制造工件成形取向的优化方法中，对工件空间离散分析计算模型施加温度边界条件，计算工件在不同空间成形取向下在SLM增材制造成形过程的温度场，以通过温度场获取工件在成形过程中的传热和温度均匀性情况。在SLM增材制造工件的过程中未对基板2预热处理时，基板温度为室温，在SLM增材制造工件的过程中对基板2进行预热处理时，基板温度为预热基板2的温度。在一些实施例中，预热基板2的温度可设置不超过200℃。参照图2和图3所示的实施例，在图中，附图标记13表示当前第i层成形表面13，沿成形方向Z，当前第i层成形表面13上方的工件1的部分为还未成形到的部分。第二表面12和当前第i层成形表面13随着成形层的升高而改变，工件1在SLM增材制造过程中仅通过基板2传热，所以设置工件1的第二表面12的温度边界条件为绝热。当成形工件1的当前第i层成形表面13时，i<M时，沿成形方向Z，第i+1层及以上未成形表面均不参与计算，工件1的当前第i层成形表面13与第i+1层未成形表面之间绝热，当成形到新的成形层时，也就是说当前第i层成形表面13更新，新的成形层激活参与计算。工件1仅通过与基板2接触的部分(即第一表面11)传热。熔化温度为在SLM增材制造工件的过程中逐层成形工件1时所用的温度，为了模拟成形过程中的温度条件，所以设置成形工件1时工件1的当前第i层成形表面13的瞬时温度边界条件为熔化温度。熔化温度根据成形工件1所用的粉末的熔点来选择，为保证粉末完全熔化，可设置熔化温度高于粉末的熔点一定程度。在图1至图3所示的实施例中，成形工件所用的粉末为镍基合金Inconel718，熔化温度可在1400℃-2200℃范围内选择。当前第i层成形表面13与环境存在对流和热辐射，对流为自然对流，所以可设置工件1的当前第i层成形表面13与环境之间对流换热的温度边界条件为自然对流换热系数。自然对流换热系数可根据经验选择。将工件1的初始温度设置为室温，室温的具体数值也可根据经验和实际工况进行选择。由于工件1的当前第i层成形表面13与第i+1层未成形表面之间是绝热关系，且第i+1层以及其它层未成形表面均不参与计算，因此各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场的计算和工件1在SLM增材制造成形过程同步，温度场计算采用的工件空间离散分析计算模型也是逐层成形，且每层的停留时间为在实际SLM增材制造成形过程中成形对应层所用的时间。

关于求解各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，可使用有限元或有限差分方法求解工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，从而得到各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场云图，各工件子模型的温度场云图表示在各空间成形取向下的工件1的温度分布。对工件空间离散分析计算模型施加温度边界条件并求解各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场可使用ANSYS软件来进行，当然不限于此。

对于多个空间子模型来说，最优的空间成形取向是：工件1的温度分布中温度均匀指数最高，从而使工件1在SLM增材制造时不易产生热量集中，避免成形工件时变形。具体地，分析各工件子模型在SLM增材制造成形过程中的温度场，确定各工件子模型的高温区的过程为；根据各工件子模型在SLM增材制造成形过程中的温度场，以设定的时间间隔采集温度数据，并按照设定的临界温度分析得到各工件子模型的高温区，高温区为温度场中温度大于设定的临界温度的区域，即高温区以高于临界温度判断。时间间隔可以为SLM增材制造打印工件用时的1/10～1倍。分析各工件子模型在SLM增材制造成形过程中的温度场，确定各工件子模型的高温区的过程可采用自己开发的软件或ANSYS软件来实现。

设定的临界温度为SLM增材制造工件的熔化温度的0.7-1.0倍，该温度范围对工件1在SLM增材制造时变形影响大，所以可在该范围内选择临界温度，以充分考虑温度对成形工件的影响。

计算各工件子模型的温度均匀指数。温度均匀指数为关于各工件子模型的第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j的函数，根据各工件子模型的第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，计算得到各工件子模型的温度均匀指数I_T的过程为：

温度均匀指数用于表征工件在不同空间成形取向下在SLM增材制造成形过程中的温度均匀性，当工件在成形过程中时，在一空间成形取向下的温度均匀指数高，说明在该空间成形取向下的工件的温度均匀性好，工件成形时受高温区的影响小，工件不易发生热量集中，从而避免成形过程中的以及残余的应力集中和变形，从而有效保证工件顺利成形。

挑选温度均匀指数最高的工件子模型作为工件最优取向三维模型，获取工件最优取向三维模型后，对工件最优取向三维模型进行转换，以STL格式文件导出，后续可将工件最优取向三维模型的STL格式文件输入增材制造设备，用于成形制造出相应的工件1。

如图2和图3所示的实施例，图中121表示工件1的悬垂面，L形的工件1当其悬垂面121水平放置(即图2所示的工件1的姿势)时和倾向一定角度放置(即图3所示的工件1的姿势)时相比，在成形过程和成形结束时两者的温度场的均匀性不同，当工件1的悬垂面121水平放置时，由于悬垂面121散热不好，因此在悬垂面121的自由端形成了孤立的热节，工件成形时受高温区的影响较大，温度均匀性差。在图3中工件1的悬垂面121倾斜一定角度后，在成形时悬垂面121的沿成形方向Z正下方不完全是粉末，而主要是已成形层，已成形层的导热系数高，是粉末的十倍以上，因此导热效果好，温度较均匀，而且温度较低，因此在悬垂面121的自由端不再形成孤立的热节，工件成形时受高温区的影响小，从而不易发生热量集中，降低了热应力和变形，有助于保证工件1顺利成形和最终的成形尺寸精度。另外，工件1的结构和形状不限于图1至图3所示的实施例，这里仅以示例示出。

上面详细的说明描述多个示范性实施例，但本文不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可以组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，包括步骤：

获取工件三维模型；

绕三维空间坐标系O-XYZ的垂直于成形方向(Z)的X轴和Y轴步进旋转工件三维模型，绕X轴步进旋转的第一步进角度为Δα，且绕Y轴步进旋转的第二步进角度为Δβ，采用坐标变换得到每次旋转后的工件子模型M_pq,p＝0,1,2,…,[180°/Δα]，p表示绕X轴第p次旋转工件三维模型，q＝0,1,2,…,[180°/Δβ]，q表示绕Y轴第q次旋转工件三维模型；

对各工件子模型进行空间离散，采用数值模拟方法计算各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场；

分析各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，确定各工件子模型的高温区，并将各工件子模型的高温区按高低顺序排列后分成N段，确定第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，j＝1,…,N；

根据各工件子模型的第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，按照高温区影响最小原则计算得到各工件子模型的温度均匀指数I_T，挑选工件最优取向三维模型，工件最优取向三维模型为多个工件子模型中温度均匀指数I_T最高的工件子模型；

根据各工件子模型的第j段中的高温区的平均温度T_j和第j段中的高温区数量Δn_j，计算得到各工件子模型的温度均匀指数I_T的过程为：

对工件最优取向三维模型进行转换得到工件最优取向三维模型的STL格式文件，最优取向三维模型的STL格式文件用于工件(1)的增材制造。

2.根据权利要求1所述的SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，对各工件子模型进行空间离散，采用数值模拟方法计算各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场包括步骤：

对工件子模型进行空间网格划分，以建立工件空间离散分析计算模型；

设定工件(1)的计算域随SLM增材制造成形过程为成形工件(1)时工件(1)的第一层成形表面到当前第i层成形表面(13)；

对工件空间离散分析计算模型在工件(1)的计算域内施加动态温度边界条件：

设置成形工件(1)时用于与基板(2)接触的工件(1)的第一表面(11)的温度边界条件为基板温度；

设置成形工件(1)时工件(1)的当前第i层成形表面(13)的瞬时温度边界条件为SLM增材制造工件的熔化温度，i＝2,…,M，M为成形总层数；

当i<M时，设置工件(1)的当前第i层成形表面(13)与第i+1层未成形表面之间的温度边界条件为绝热，当i＝M时，设置工件(1的)当前第i层成形表面(13)的温度边界条件为绝热；

设置工件(1)的第二表面(12)的温度边界条件为绝热，第二表面(12)为成形工件(1)的当前第i层成形表面(13)时工件(1)的除第一表面(11)和当前第i层成形表面(13)外的其它表面；

设置工件(1)的初始温度为室温；

根据工件空间离散分析计算模型和施加的动态温度边界条件，求解工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场。

3.根据权利要求2所述的SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，对工件子模型进行网格划分，以建立工件空间离散分析计算模型包括步骤：

对工件子模型沿成形方向(Z)剖切分段；

使用有限元或有限差分的方法对剖切分段后的工件子模型网格划分，得到工件空间离散分析计算模型。

4.根据权利要求2所述的SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，对工件空间离散分析计算模型施加动态温度边界条件还包括：

设定工件(1)的当前第i层成形表面(13)与环境之间对流换热和辐射换热的温度边界条件。

5.根据权利要求2所述的SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，使用有限元或有限差分方法求解工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场。

6.根据权利要求1所述的SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，分析各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，确定各工件子模型的高温区的过程为：

根据各工件子模型在SLM增材制造成形过程的温度场，以设定的时间间隔采集温度数据，并按照设定的临界温度分析得到各工件子模型的高温区，高温区为温度场中温度大于设定的临界温度的区域。

7.根据权利要求6所述的SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，设定的临界温度为SLM增材制造工件的熔化温度的0.7-1.0倍。

8.根据权利要求3所述的SLM增材制造工件成形取向的优化方法，其特征在于，对工件子模型沿成形方向(Z)以设定的片层高度剖切分段，设定的片层高度为SLM增材制造工件的打印层厚的1-10倍。

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