CN112453424B - 一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光先进增材制造技术领域，公开了一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，首先确定零件的摆放方式，然后对零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑，将薄壁结构部分的每一层分层切片的烧结形状部分闭合为三角形，接着将添加了工艺支撑的工艺模型导入magics软件中，并采用SLM工艺增材制造方法进行制造，最后对得到的零件进行后处理，得到产品。本申请能够有效解决薄壁隔板类零件增材制造易变形、应力大易断裂的难题，并且大大提高了增材制造薄壁结构组件的成功率。

Description

一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法

技术领域

本申请涉及激光先进增材制造技术领域，具体涉及一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法。

背景技术

增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）又称3D打印，是融合了计算机图形处理、数字化信息和控制、激光技术和材料技术等而成的一种先进制造技术，设计零件的三维模型后，添加支撑，再分层切片为二维图形，通过激光束逐层熔化粉，层层堆叠，完成三维实体模型制造。

许多薄壁构件结构复杂，采用常规钣金、机加、焊接等工艺都无法实现零件加工，必须采用激光3D打印成形，但增材制造是一个热力不断循环的过程，薄壁件在激光增材制造过程中会出现热应力大、易变形、易开裂等难题，导致成形零件形状和质量不稳定。

若添加锥形、树形和网格支撑在薄片上控制零件变形，在后处理去支撑、打磨以及光滑时，支撑极难去除，打磨后零件易厚薄不均，产生裂纹和孔洞，造成零件报废。现有的技术方法如公开号为CN107876770A的发明专利公开了一种基于SLM工艺的带有薄壁结构的零件的增材制造方法，将薄壁结构部分的每一层分层切片的烧结形状形成半闭合形状或闭合形状，半闭合形状为U形、L形、N形、M形或Z形，闭合形状为D形、O形或矩形。该发明闭合形状可解决现有增材制造工艺方法打印铝合金或钛合金薄壁结构组件难成形、易变形、应力大易断裂的问题，但是，对于某些薄壁零件，采用半闭合形状对控制变形效果有限，全部闭合为O形、矩形、D形浪费材料，同时，该发明适用的范围十分有限，适用于薄壁结构部分的最大外包络的宽至少为薄壁结构部分的壁厚的10倍。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题和缺陷，本申请提供了一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，本方法利用三角形稳定性原理，结构简单，可有效解决薄壁隔离类零件变形难题。

为了实现上述发明目的，本申请的技术方案如下：

一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，具体包括以下步骤：

S1.确定零件的摆放方式，将零件生长方向确定为与各个薄壁隔板相平行；

S2.对零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑，将薄壁结构部分的每一层分层切片的烧结形状部分闭合为三角形；如V形薄壁零件，添加工艺支撑后变为三角形零件。零件在采用SLM逐层堆积成形时，将每一层的形状由易变形的薄壁V形、L形、X形、Y形、K形、Z形、N形等，转换为每一层都稳定的三角形，最后逐层堆积为稳定的三维零件。利用三角形稳定性原理，从而控制薄壁零件变形；

S3.将步骤S2得到的工艺模型导入magics软件中，零件生长方向同步骤S1，采用SLM工艺增材制造方法进行制造；

S4.对步骤S3得到的零件进行后处理，并最终得到产品。

优选地，所述步骤S2中，添加的工艺支撑厚度小于等于薄壁隔板厚度。当零件热应力较大时，工艺支撑部分为强度较弱位置，变形主要集中在工艺支撑位置。

优选地，所述步骤S2中，可在添加的工艺支撑上打孔。本操作既可减少耗粉量，又可进一步降低工艺支撑强度，减小薄壁隔板部位变形量。

优选地，所述步骤S2中，可适当延长薄壁隔板长度，所述延长长度≤5mm。

优选地，所述步骤S2中，在工艺支撑与薄壁隔板相交的位置进行倒圆，倒圆半径小于等于工艺支撑厚度，并且不影响原有的薄壁隔板长度，从而避免尖角处应力集中。

优选地，所述工艺支撑可以直接从基板上生长，零件本体与基板通过网格支撑或锥形支撑等连接。工艺支撑直接从基板上生长不仅可以增加整个零件与基板的结合强度，避免零件从基板上拉开，同时还便于零件支撑去除。

优选地，所述工艺支撑部位采用与零件本体不同的工艺参数进行增材制造成形。采用不同的加工工艺参数，如增加焊速或减小激光功率，能够降低工艺支撑部位的强度，保证零件不变形。

优选地，所述带有薄壁结构的零件的材料为铝合金或钛合金。

优选地，所述步骤S4中，后处理包括工艺支撑的去除和表面处理工序。

本申请的有益效果：

（1）本申请设计结构简单、可靠并且便于操作，利用三角形稳定性原理可有效控制零件变形，可取代锥形支撑、块状支撑、提交支撑等，节省原材料。添加的工艺支撑强度弱于零件实体，通过线切割、剪切即可去除，零件表面未添加支撑，表面质量大幅提升，能够有效解决薄壁隔板类零件增材制造易变形、应力大易断裂的难题。

（2）本申请所采用的工艺支撑设计优化方法能够降低增材制造成本并且提高打印速度，实现薄壁结构组件的轻量化，以及不规则几何形状铝合金或钛合金薄壁结构组件的打印，为增材制造铝合金或钛合金薄壁结构组件提供一种切实可靠的工艺支撑设计方法，有效提高增材制造铝合金或钛合金薄壁结构组件的成功率。

（3）本申请中，添加的工艺支撑厚度小于等于薄壁隔板厚度，因此当零件热应力较大时，工艺支撑部分为强度较弱位置，变形主要集中在工艺支撑位置。

（4）本申请通过在工艺支撑部分进行打孔，在增材制造成形时，既可以减少耗粉量，又可以进一步降低工艺支撑的强度，从而减小薄壁隔板部位的变形量。

（5）本申请中，工艺支撑直接从基板上生长，零件本体与基板通过网格支撑或锥形支撑等连接，因此增加整个零件与基板的结合强度，能够避免零件从基板上被拉开，同时便于零件支撑去除。

（6）本申请中，在零件成形加工时，工艺支撑部位的加工工艺参数与零件本体的加工工艺参数不同，例如可采用增加焊速或减小激光功率的手段，采用不同的加工工艺参数降低了工艺支撑部位的强度，保证零件不变形。

附图说明

本申请的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为实施例1零件的三维数模示意图；

图2为实施例1零件成形的二维切片示意图；

图3为实施例1零件加工艺支撑后的工艺数模示意图；

图4为实施例1零件添加工艺支撑后的成形的二维切片示意图；

图5为实施例2零件的三维数模示意图；

图6为实施例2零件成形的二维切片示意图；

图7为实施例2零件加工艺支撑后的工艺数模示意图；

图8为实施例2零件添加工艺支撑后的成形的二维切片示意图。

图中：

101、工艺支撑；102、孔；103、倒圆；104、工艺支撑延长线。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本申请发明目的的技术方案，需要说明的是，本申请要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

本实施例涉及的薄壁隔板类零件三维数模如图1所示，材料为铝合金，成形方法为SLM增材制造。经分析，零件尺寸为220×200×80mm，薄壁隔板厚度为1mm，薄壁隔板长度约为100mm，属于V形零件，薄壁结构成型过程中易变形、卡刀，导致零件难以成形。

采用本申请的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，步骤如下：

S1.确定零件的摆放方式，将零件生长方向确定为与各个薄壁隔板相平行。零件单层烧结的二维轮廓如图2所示，薄板位置无任何约束，在成形过程中受刮刀扰动易变形，成形后由于热应力薄板面极易鼓包、凸起等。

S2.对零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑101，将薄壁结构部分的每一层分层切片的烧结形状部分闭合为三角形。图3为零件添加工艺支撑101后的工艺模型示意图，添加的工艺支撑101厚度为1mm，在添加的工艺支撑101上打孔102，孔径为Φ3mm，在工艺支撑101与薄壁隔板相交的位置进行倒圆103，倒圆103半径为1mm，将工艺支撑101与基板基础位置延长3mm，此时，工艺支撑101部分为强度较弱位置，若发生变形，则主要集中在工艺支撑101位置，减小薄壁隔板部位变形量。

S3.将步骤S2得到的工艺模型导入magics软件中，零件生长方向同步骤S1，采用SLM工艺增材制造方法进行制造，将工艺支撑101的延长部位直接与基板接触，零件本体与基板通过网格支撑和锥形支撑等连接，此时，零件单层烧结的二维轮廓如图4所示，薄壁隔板由V形转换为每一层都稳定的三角形，最后逐层堆积为稳定的三维零件，利用三角形稳定性原理，控制薄壁零件变形。在成形加工时，工艺支撑101部位采用与零件本体不同的工艺参数进行，零件成形参数设置为：激光功率350W，扫描速度2000mm/s，层高30μm；工艺支撑101的成形参数设置为：激光功率350W，扫描速度3500mm/s，层高30μm。采用不同的工艺参数能够降低工艺支撑101部位的强度，增加成形速度，保证零件不变形。

S4.对步骤S3得到的零件进行后处理，并最终得到产品；后处理工序包括工艺支撑的去除和表面处理工序。

实施例2

本实施例涉及的薄壁隔板类零件三维数模如图5所示，材料为钛合金，成形方法为SLM增材制造。经分析，零件尺寸为300×300×50mm，薄壁叶片厚度为2mm，薄壁叶片长度约130mm，属于V形零件，钛合金成形过程中应力大，薄壁结构成型过程中易变形、卡刀，导致零件难以成形。

采用本申请的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，步骤如下：

S1.确定零件的摆放方式，将零件生长方向确定为与各个薄壁隔板相平行。零件单层烧结的二维轮廓如图6所示，薄板位置无任何约束，在成形过程中受刮刀扰动易变形；成形后由于热应力薄板面极易鼓包、凸起等。

S2.对零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑101，将薄壁结构部分的每一层分层切片的烧结形状部分闭合为三角形。图7为零件添加工艺支撑后的工艺模型示意图，添加的工艺支撑厚度为1.5mm，在工艺支撑101上打孔102，孔径为Φ3mm（打孔可根据实际情况，也可以不打孔），在工艺支撑101与薄壁隔板相交的位置进行倒圆103，倒圆103半径为1.5mm，工艺支撑101部分为强度较弱位置，若发生变形，则主要集中在工艺支撑101位置，减小薄壁隔板部位变形量。

S3.将步骤S2得到的工艺模型导入magics软件中，零件生长方向同步骤S1，采用SLM工艺增材制造方法进行制造，将工艺支撑101的延长部位直接与基板接触，零件本体与基板通过网格支撑或锥形支撑等连接，此时，零件单层烧结的二维轮廓如图8所示，薄壁隔板由V形转换为每一层都稳定的三角形，最后逐层堆积为稳定的三维零件。利用三角形稳定性原理，控制薄壁零件变形。在成形加工时，工艺支撑101部位采用与零件本体不同的工艺参数进行，零件成形参数设置为：激光功率350W，扫描速度1100mm/s，层高60μm；工艺支撑101加工参数设置为：激光功率300W，扫描速度2000mm/s，层高60μm。采用不同的工艺参数能够降低工艺支撑部位的强度，增加成形速度，保证零件不变形。

S4. 对步骤S3得到的零件进行后处理，并最终得到产品；后处理工序包括工艺支撑的去除和表面处理工序。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式上的限制，凡是依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1.确定零件的摆放方式，将零件生长方向确定为与各个薄壁隔板相平行，薄壁隔板为V形零件，零件的材料为铝合金或钛合金；

S2.对零件中的薄壁隔板部分添加工艺支撑（101），将薄壁隔板部分的每一层分层切片的烧结形状部分闭合为三角形，形成的三角形互相间隔分布，零件在采用SLM逐层堆积成形时，将每一层的形状由易变形的薄壁V形，转换为每一层都稳定的三角形；当零件的材料为铝合金时，三角形的数量为三个；当零件的材料为钛合金时，三角形的数量为五个；

S3.将步骤S2得到的工艺模型导入magics软件中，零件生长方向同步骤S1，采用SLM工艺增材制造方法进行制造；

S4.对步骤S3得到的零件进行后处理，并最终得到产品；

所述工艺支撑（101）部位采用与零件本体不同的工艺参数进行增材制造成形；

当零件材料为铝合金时，零件成形参数设置为：激光功率350W，扫描速度2000mm/s，层高30μm；工艺支撑（ 101） 的成形参数设置为：激光功率350W，扫描速度3500mm/s，层高30μm；

当零件材料为钛合金时，零件成形参数设置为：激光功率350W，扫描速度1100mm/s，层高60μm；工艺支撑（ 101） 加工参数设置为：激光功率300W，扫描速度2000mm/s，层高60μm。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，其特征在于：所述工艺支撑（101）厚度小于等于薄壁隔板厚度。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，在工艺支撑（101）上打孔（102）。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，延长薄壁隔板长度，延长长度≤5mm。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，在工艺支撑（101）与薄壁隔板相交的位置进行倒圆（103），倒圆（103）半径小于等于工艺支撑（101）厚度，并且不影响原有的薄壁隔板长度。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，其特征在于：所述工艺支撑（101）直接从基板上生长，零件本体与基板通过网格支撑或锥形支撑连接。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁隔板类零件增材制造变形控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，后处理包括工艺支撑的去除和表面处理工序。

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