CN113042750A - 液压阀3d打印方法以及液压阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压阀3D打印方法以及液压阀，涉及金属增材制造领域，用以提高液压阀3D打印方法得到的液压阀的质量。该方法包括以下步骤：设计液压阀的阀体三维模型；在不为所述液压阀的阀体添加支撑部的前提下，采用仿真确定所述阀体的三维模型的温度集中位置和变形位置；判断所述液压阀的每处打印位置是否需要添加支撑部；如果需要添加支撑部，则按照该处所述液压阀的阀体结构与支撑部的结构的对应关系添加相应的支撑部；打印所述阀体以及支撑部。上述技术方案，保证了零件打印质量，同时控制打印过程中零件变形，降低打印开裂的风险，而且有效实现打印过程中阀体积累热量的散热，降低粘粉的可能性，进一步提高下表面的成形质量。

Description

液压阀3D打印方法以及液压阀

技术领域

本发明涉及金属增材制造领域，具体涉及一种液压阀3D打印方法以及液压阀。

背景技术

增材制造是基于三维模型数据的材料(分层)堆积成型的数字制造技术，相比传统的减材和等材制造，增材制造具有无模具、无工装，不需要加工的特点，在很大程度上实现了自由制造，将成为引领制造业发展的前端制造技术。其中，金属3D打印是技术最为密集、最具潜力的3D打印技术之一，该技术已经应用于航空航天、汽车、医疗、船舶等高精尖领域中结构复杂、高附加值的零件无模化直接制造。

选区激光熔化(Selective laser melting，简称为SLM),是金属材料增材制造中的主要技术方式。

发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：通过SLM技术成型具有薄层多孔结构、尖角结构、复杂异型曲面等特点的液压阀零件时，易存在较多的悬面、悬臂结构；而且，由于SLM工艺是极速加热、极速冷却的过程，层层打印会产生大量的热量，打印阀体易发生翘曲变形，从而对阀体的精度产生影响，严重时甚至导致零件开裂无法使用。

发明内容

本发明提出一种液压阀3D打印方法以及，用以提高液压阀3D打印方法得到的液压阀的质量。

本发明实施例提供了一种液压阀3D打印方法，包括以下步骤：

设计液压阀的阀体三维模型；

在不为所述液压阀的阀体增加支撑部的前提下，采用仿真确定所述阀体的三维模型的温度集中位置和变形位置；

判断所述液压阀的每处打印位置是否需要添加支撑部；

如果需要添加支撑部，则按照该处所述液压阀的阀体结构与支撑部的结构的对应关系添加相应的支撑部；

打印所述阀体以及支撑部。

在一些实施例中，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：对于所述液压阀的阀体外部，根据最小角度打印规则判断是否需要添加支撑部；所述最小角度打印规则是指所述液压阀的每处打印过程中，对于每处都计算该处所对应的边缘局部曲面法向方向与打印方向的夹角是否大于预设角度；如果夹角大于预设角度，那么就为该处添加实体支撑部。

在一些实施例中，如果夹角小于以及等于预设角度，那么就不为该处添加支撑部。

在一些实施例中，所述预设角度为40°～45°。

在一些实施例中，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的变形位置添加实体支撑部。

在一些实施例中，所述实体支撑部的横截面形状被构造为圆柱形、圆锥形或者锥形。

在一些实施例中，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的温度集中位置添加条状支撑部。

在一些实施例中，所述条状支撑部位于自身两端的端部尺寸小于该条状支撑部的中部尺寸。

在一些实施例中，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的内部油道不添加支撑部。

在一些实施例中，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的底部悬空油道下方添加条状支撑部。

在一些实施例中，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的油道的孔口添加片状断续支撑部。

在一些实施例中，所述片状断续支撑部被构造为片状的，且具有多个通孔。

在一些实施例中，液压阀3D打印方法还包括以下步骤：去除打印后得到的液压阀半成品上的支撑部，以得到液压阀成品。

本发明实施例还提供一种液压阀，采用本发明任一技术方案所提供的液压阀3D打印方法打印得到。

上述技术方案提供的液压阀3D打印方法，针对液压阀自身的结构特点，以及在打印过程中会出现的温度集中位置和变形位置，针对性地为不同部位设置不同与该处结构相对应的支撑部，以使得液压阀在打印过程中不易变形；在打印完成之后，支撑部易去除。上述技术方案，提出了如何在不同的位置综合运用多种支撑嵌套使用的方法，不仅能有效的起到打印支撑作用，保证零件下表面打印质量，同时控制打印过程中零件变形，降低打印开裂的风险，而且有效实现打印过程中阀体积累热量的散热，降低粘粉的可能性，进一步提高下表面的成形质量，提高了金属3D打印制造增材设计液压阀的成功率，适用于液压类零部件的金属3D打印，并且实现了液压元件金属3D打印以及快速制造，拓展了支撑金属3D打印产业化应用，体现了金属3D打印技术的下述优势：复杂轻量化结构、点阵结构增加、多零件融合一体化。并且，采用该液压阀3D打印方法得到的液压阀，是基于增材制造的轻量化全新结构液压阀体，液压阀没有传统工艺孔，有效降低了阀体故障点，同时增材制造液压阀没有90°直角交叉孔，阀体液流效率得到显著提升，整体性能得到质的改变。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的液压阀3D打印方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为液压阀设置支撑部的结构示意图；

图3为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为增材设计液压阀剖面位置示意图；

图4为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为增材设计液压阀设置的网格块状支撑部的结构示意图；

图5为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为增材设计液压阀S1剖面结构示意图；

图6为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为增材设计液压阀设置的片状断续支撑部的结构示意图；

图7为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为增材设计液压阀设置的条状支撑部的结构示意图；

图8为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为液压阀的悬空部位设置条状支撑部和实体支撑部的立体结构示意图；

图9为根据本发明实施例提供的液压阀3D打印方法为液压阀的悬空部位设置条状支撑部的剖面结构示意图；

图10为液压阀打印过程中每处所对应的边缘局部曲面法向方向与打印方向的夹角。

具体实施方式

下面结合图1～图10对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。

本文所使用的名词或者术语解释。

参见图1，本发明实施例提供一种液压阀3D打印方法，该方法包括以下步骤：

步骤S100、设计液压阀的阀体三维模型。

参见图2，为了建立增材设计的液压阀体零件的三维模型，首先需要确定液压阀体摆放方式，以采用图1所示的阀体摆放方式为例，其中，阀体整体角度α与X方向呈30°～45°。

参见图2，液压阀1为打印的目标，打印底板2为打印液压阀1提供支撑和基础。根据液压阀1各个位置的结构特点，为液压阀1的不同位置设置不同的支撑部。支撑部包括：网格块状支撑部3、设置在液压阀1的流道孔口处的片状断续支撑部4、圆柱形的实体支撑部5、锥形的实体支撑部5、以及位于液压阀1的内部的条状支撑部7。

步骤S200、在不为所述液压阀的阀体增加支撑部的前提下，采用仿真确定所述阀体的三维模型的温度集中位置和变形位置。

采用仿真的方法，确定阀体在打印过程中容易出现温度集中位置和变形位置。温度集中的位置容易发生变形，对该位置，在3D打印的过程中需要添加支撑部。变形位置是液压阀成品本身强度较弱的位置，比如悬臂位置等，对该位置，在3D打印的过程中也需要添加支撑部。

步骤S300、判断液压阀的每处打印位置是否在打印过程中添加支撑部。

金属增材制造(3D打印)是根据计算机分层截面路径进行叠加制造。对于每一层的每处局部位置，分别计算判断，以确定该位置是否需要增材设计支撑。在打印增材设计阀体的同时，基于零件降低打印变形和导热的需求，在原有增材设计阀体模型的基础上设计打印支撑结构，以保证打印精度。支撑结构的添加会极大地影响零件的成形过程及成形零件的性能，支撑不足易导致阀体打印变形，导致打印精度差，甚至阀体因残余应力过大而断裂，导致打印失败。

在打印增材制造阀体的同时，基于零件力学支撑和导热的需求，在原有增材制造增材制造阀体模型的基础上添加支撑部，以保证打印精度。支撑部的添加会极大地影响零件的成型过程及成形零件的性能，支撑部不足会导致打印精度很差甚至打印失败，反之如果支撑过多，也可能因为残余应力过大而断裂。

支撑部可以设计多种形状：实体支撑部(参见图2和图8)、网格块状支撑部3(参见图4)、条状支撑部7(参见图7、图8、图9)、片状断续支撑部4(参见图6)。实体支撑部5包括圆柱形的和锥形的，圆柱形的设置在液压阀1的阀体外部，也可以称之为外延的实体支撑部5；锥形的设置的液压阀1内部需要的位置。

参见图10，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：所述设定打印规则包括最小角度打印规则，最小角度打印规则是指所述液压阀的每处打印过程中，对于每处都计算该处所对应的边缘局部曲面法向方向与打印方向的夹角是否大于预设角度θ；如果大于预设角度θ，那么就为该处添加实体支撑部。如果夹角小于、等于预设角度θ，则不设置支撑部。在一些实施例中，预设角度θ为40°～45°。具体比如为40°、42°、45°等。

步骤S400、如果需要添加支撑部，则按照该处液压阀1的阀体结构与支撑部的结构的对应关系添加相应的支撑部。

阀体的结构包括多种：实体、内部油道、悬空油道、油道孔口、悬臂位置、根据仿真确定的变形位置、根据仿真确定的温度集中位置。除了实体结构外，其他结构均为特殊结构，都可以设计支撑部。

表1阀体结构与支撑部形状的对应关系

阀体结构	支撑形状
		边缘大于预设角度θ	网格块状支撑部
边缘小于以及等于预设角度θ	不设置支撑部
		内部油道	不设置支撑部
油道的端部	片状断续支撑部
		悬空油道的下方是空的	实体支撑部(锥形)
悬空油道的下方有其他结构	条状支撑部
		变形位置	实体支撑部(朝外部延伸的，圆柱形)
温度集中位置	条状支撑部

参见表1，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：

(1)为液压阀1的阀体外部连线与打印方向的夹角θ大于预设角度的添加网格块状支撑部3，夹角θ小于以及等于预设角度的不添加支撑部。

下面举例说明。根据设备最小角度打印规则，对增材设计液压阀外部设置网格块状支撑部3，网格块状支撑部3的内部镂空，可在Magics等软件中直接进行选择，网格块状支撑部3的结构如图4所示。在液压阀1的外部添加网格块状支撑部3，有利于保证打印支撑面的成形质量，并且在打印液压阀1之后，采用机加工可以很容易地去除此种镂空的网格块状支撑部3。采用网格块状支撑部3，支撑牢固，能有效约束打印过程中的变形，既保证了打印零件底面成形质量，同时能够约束打印过程中的变形，最后还能实现零件快速导热，降低打印过程中的应力，提高打印成功率。

(2)为液压阀1的变形位置添加实体支撑部5，参见图2、图8和图9所示。

(3)为液压阀1的油道孔81的内部不添加网格块状支撑部3，如图5所示。

在增材设计的液压阀体内部，以截面S1为例，如图3和图5所示，油道孔81的壁体强度需要满足打印要求，在3D打印时油道孔81内部不设置任何支撑。

(4)为液压阀1的油道孔81的孔口添加片状断续支撑部4，如图6所示。

继续参见图5和图6，在油道的孔口处，即图5的A和B所对应的位置，设置有片状断续支撑部4。片状断续支撑部4的结构如图6所示，片状断续支撑部4包括顶部41、底部42和镂空处43。片状断续支撑部4的厚度比较薄，顶部41、底部42处通过锯齿尖部与液压阀1相连接。镂空处43是完全镂空的，镂空处43底部不与零件相接。新设计线片型支撑有效的实现打印支撑作用，保证零件成形底面质量，而且由于支撑不连续，打印完成后非常容易去除。

上述的情况(2)、(3)和(4)一起解释如下。在一些实施例中，所述实体支撑部5的横截面形状被构造为圆柱形、或者圆锥形。

液压阀1的变形位置可以通过仿真确定。对于悬臂、变形超过要求的均设置实体支撑部。实体支撑部5具有多种形状。对于液压阀外围的大变形位置，设置外延实体支撑部5，此处的实体支撑部5为圆柱状、圆锥形状。在悬空的油道下方，会出现悬空油道底部无结构的情形，即悬空油道下方是空的，此位置可以设置锥形的实体支撑部5。对于液压阀的悬臂部位、除了外围之外的其他大变形位置，油道下方是空的，实体支撑部5的形状都可以设计为锥形的。

下面举例说明。参见图7，针对仿真计算的外围大变形处M处，设置外延的圆柱形的实体支撑部5。由于底部有特征结构，添加实体支撑部5时,实体支撑部5经外斜引导至底板。实体支撑部5为圆柱、圆锥形状，可有效节省打印金属粉末材料。对于内部大变形处N处为悬臂，底部无结构，设置锥形的实体支撑部5，直接引导至底板。实体支撑部5、悬臂位置与液压阀1本体连接部位直径不大于2mm。

采用锥形的实体支撑部5，既保证了打印零件底面成形质量，同时能够约束打印过程中的变形，最后还能实现零件快速导热，降低打印过程中的应力，提高打印成功率。

参见图2和图6，在液压阀1的油道孔81的深处不设置任何支撑；在液压阀1的油道孔81孔口位置添加片状断续支撑部4。

在一些实施例中，所述片状断续支撑部4被构造为片状的，且具有多个通孔。整个片状断续支撑部的结构不是特别牢固，这使得片状断续支撑部既能起到一定的支撑作用，后续也便于机加工去除，且不会损坏液压阀本身的结构。

采用片状断续支撑部4，既保证了打印零件底面成形质量，同时能够约束打印过程中的变形，还能实现零件快速导热，降低打印过程中的应力，提高打印成功率。

(5)为液压阀1的温度集中位置增加条状支撑部7。

参见图7至图9，在一些实施例中，针对仿真结果，在局部热节处即在热累积及变形较为严重处，增加条状支撑7的布置密度。对于密集处的条状支撑7，每个条状支撑的端部处直径尺寸减少1/3，降低后期支撑去除困难，也使得每个条状支撑能够起到散热及抵制变形的作用。即条状支撑部7的支撑密度和尺寸可以根据需要设置。条状支撑部7被设置为回转体或者相对于自身中轴线的对称结构。

(6)为液压阀1的悬空油道的底部添加条状支撑部7。

液压阀1内部存在大量的交错油道孔81，而且经过增材设计、拓扑优化设计后的液压阀内部油道孔81局部会出现较多的悬空、悬臂等。以阀体某截面为例，如图9所示，对于悬空油道底部无结构的位置，设置锥形的实体支撑部5。对于悬空油道底部存在结构的位置，设置条状支撑部7。并且，打印过程中底部需要嵌套网格块状支撑部3，保证成形面质量。

如图7和图9所示，条状支撑部7为旋转形、对称型实体支撑部，可实现打印材料最少，条状支撑部与打印零件的第一接触处71和第二接触处72的直径设置可以参照下述要求：铝合金类零件设置0.5～1mm，铁基材料类打印件设置1～1.5mm，钛合金类设置1mm，过渡处73角度可设置30°～45°，主体部74为回转体。

采用条状支撑部7，既保证了打印零件底面成形质量，同时能够约束打印过程中的变形，最后还能实现零件快速导热，降低打印过程中的应力，提高打印成功率。

参见图1，在一些实施例中，液压阀3D打印方法还包括以下步骤：

步骤S500、打印阀体以及支撑部。阀体是液压阀1的一部分，支撑部是在打印过程中增加的部分。将两者共同打印得到的是液压阀的半成品。

继续参见图1，在一些实施例中，液压阀3D打印方法还包括以下步骤：

步骤S600、去除打印后得到的液压阀半成品上的支撑部，以得到液压阀成品。

上述技术方案提供的液压阀3D打印方法，具有以下技术效果：

首先，打印变形低。本发明实施例提供的技术方案设计了多种易于去除，消耗打印材料小的实体支撑部5，配合外部网格块状支撑部3，在利用模拟仿真找到预测大变形部位的基础上，针对性地设置多种支撑结构形式；并在需要的位置同时设置两种或两种以上结构的支撑部，即进行嵌套方式添加支撑部，可有效地降低打印过程中的变形。

其次，散热好。本发明通过仿真预测热集中部位，根据液压阀1的结构，针对性地设置易于去除的实体支撑部5，并配合网格块状支撑部3实现对零件打印过程中的热量散至底板，解决粉末热传导差导致底部粘粉的问题。

再次，成形质量好。根据设备打印支撑倾角原则，外部均添加网格块状支撑部3，实现外部底面有效成形，同时孔道端部设计添加片状断续支撑部4，有效地保证内部孔道上表面成形质量，而且通过有效地降低变形及增加散热措施，总体上保证零件好的成形质量。

本发明实施例还提供一种液压阀，采用本发明任一技术方案所提供的液压阀3D打印方法打印得到。

上述技术方案得到的液压阀，本身结构复杂，存在镂空、悬臂等多种结构，金属3D打印过程中易出现大变形，悬空处易出现热累积等关键问题。上述技术方案得到的液压阀是基于上述技术方案提供的液压阀3D打印方法打印得到的，在打印过程中提供了多种结构的支撑部，并且不同结构的支撑部对应不同的位置，有效解决了基于增材设计的轻量化、复杂结构液压阀在打印过程中变形、散热不良等问题，提高了打印成功率，实现增材设计液压阀高稳定、高质量快速打印，拓宽了金属3D打印技术产业化的领域。

在本发明的描述中，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，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种液压阀3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

设计液压阀的阀体三维模型；

在不为所述液压阀的阀体增加支撑部的前提下，采用仿真确定所述阀体的三维模型的温度集中位置和变形位置；

判断所述液压阀的每处打印位置是否需要添加支撑部；

如果需要添加支撑部，则按照该处所述液压阀的阀体结构与支撑部的结构的对应关系添加相应的支撑部；

打印所述阀体以及支撑部。

2.根据权利要求1所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：对于所述液压阀的阀体外部，根据最小角度打印规则判断是否需要添加支撑部；所述最小角度打印规则是指所述液压阀的每处打印过程中，对于每处都计算该处所对应的边缘局部曲面法向方向与打印方向的夹角是否大于预设角度；如果夹角大于预设角度，那么就为该处添加网格块状支撑部。

3.根据权利要求2所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，如果夹角小于以及等于预设角度，那么就为该处添加网格块状支撑部。

4.根据权利要求2所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述预设角度为40°～45°。

5.根据权利要求1所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的变形位置添加实体支撑部。

6.根据权利要求5所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述实体支撑部的横截面形状被构造为圆柱形、圆锥形或者锥形。

7.根据权利要求1所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的温度集中位置增加条状支撑部。

8.根据权利要求7所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述条状支撑部位于自身两端的端部尺寸小于该条状支撑部的中部尺寸。

9.根据权利要求1所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的内部油道不设置支撑部。

10.根据权利要求1所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的底部悬空油道的下方添加条状支撑部或者实体支撑部。

11.根据权利要求1所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述阀体结构与支撑部的结构的对应关系包括：为所述液压阀的油道的孔口添加片状断续支撑部。

12.根据权利要求11所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，所述片状断续支撑部被构造为片状的，且具有多个通孔。

13.根据权利要求1所述的液压阀3D打印方法，其特征在于，还包括以下步骤：

去除打印后得到的液压阀半成品上的支撑部，以得到液压阀成品。

14.一种液压阀，其特征在于，采用权利要求1～13任一所述的液压阀3D打印方法打印得到。

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