CN113145860A - 一种增材制造制备零件的方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增材制造制备零件的方法、系统、设备及存储介质，建立待制备零件材料性能的物理模型，对模型进行区域微元化处理，根据各个区域的性能要求，进而确定各个区域的材料成分，任意相邻区域为连续变化的组分梯度；建立待制备零件的三维模型，将物理模型和三维模型结合，对三维模型进行分层切片处理，得到每层切片材料成分信息和切片轮廓轨迹；通过切片材料成分信息得到粉末成分配比，通过切片轮廓轨迹得到激光打印系统的扫描路径，按照粉末成分配比和扫描路径逐层进行增材制造，制备得到零件。工艺简单，能够制造形状复杂的材料结构。
Description
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种增材制造制备零件的方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
增材制造技术，又称3D打印，是一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型，对产品进行建模分层，通常采用逐层累积的制造方式将材料结合起来形成产品的工艺。激光熔覆(LMD)技术是上世纪八十年代后兴起的一种新的表面改性技术。激光熔化沉积技术是使用激光束作为高温热源将基材表面少量熔化产生熔池，并将金属粉末通过送粉设备同步送入激光熔池使其熔化，形成与基体金属呈冶金结合且稀释率很低的新金属层。这种工艺可以熔覆多种合金材料并且能够处理小面积区域，但是它的独特功能是能够用单独的轨迹相互交叠覆盖即搭接，应用于大面积的改性。
智能材料结构(Smart/Intelligent Material and Structure)是指在外界环境刺激下，如电磁场、温度场、光等，将传感、控制和驱动三种功能集于一身，能够完成相应的反应，智能材料结构具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习性和环境适应性。其制造工艺极其复杂，传统智能材料制造方法只能制造简单形状的智能材料，难以制造形状复杂的材料结构，并且其传统制备方法严重限制了智能材料结构的发展与应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种增材制造制备零件的方法、系统、设备及存储介质，工艺简单，能够制造形状复杂的材料结构。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种增材制造制备零件的方法，包括以下步骤；
步骤一，建立待制备零件材料性能的物理模型，对模型进行区域微元化处理，根据各个区域的性能要求，进而确定各个区域的材料成分，任意相邻区域为连续变化的组分梯度；
步骤二，建立待制备零件的三维模型，将物理模型和三维模型结合，对三维模型进行分层切片处理，得到每层切片材料成分信息和切片轮廓轨迹；
步骤三，通过切片材料成分信息得到粉末成分配比，通过切片轮廓轨迹得到激光打印系统的扫描路径，按照粉末成分配比和扫描路径逐层进行增材制造，制备得到零件。
优选的，区域微元化处理过程为：将整个物理模型切分成多个大小形状相同的正方体，然后依据不同位置不同材料的成分以及性能，划分区域。
优选的，增材制造的过程依次为设置打印参数、送粉、打印和热处理。
进一步，需要设置的打印参数包括激光发生器的功率、打印速率、光斑直径、搭接率和惰性保护气体的气压。
进一步，送粉前，在送粉器的输入端安装成分控制器，在送粉器的输出端安装微量送粉器。
进一步，打印过程为：启动打印设备，工作仓中输入惰性气体，按照粉末成分配比和扫描路径送粉，激光熔覆头对每一层的粉末进行处理，逐步形成三维成形件。
进一步，热处理完成后，对三维成形件进行表面光洁处理和精加工，得到零件。
一种增材制造制备零件的系统，包括：
物理模型模块，用于建立待制备零件材料性能的物理模型，对模型进行区域微元化处理，获得各个区域的性能要求，进而确定各个区域的材料成分，任意相邻区域为连续变化的组分梯度；
三维模型模块，用于建立待制备零件的三维模型，将物理模型和三维模型结合，对三维模型进行分层切片处理，得到每层切片材料成分信息和切片轮廓轨迹；
控制打印模块，用于通过切片材料成分信息得到粉末成分配比，通过切片轮廓轨迹得到激光打印系统的扫描路径，按照粉末成分配比和扫描路径逐层进行增材制造，制备得到零件。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述增材制造制备零件的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述增材制造制备零件的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过最终需要的性能要求，对目标件的各区域材料成分进行反推，依据目标件性能的物理模型，结合三维模型，从而控制目标件不同位置的金属材料组分配比，通过不同的材料成分，从而实现单个目标件在高温或者加载条件下应用完成后能够恢复原貌，使得材料智能化；材料具有较好的可设计性，异种材料优势互补且成分可设计可控制，通过灵活地改变零件不同部位的组分，控制其热膨胀系数与弹性模量，可改变材料的结构、合理控制材料膨胀与形变的产生与恢复、满足不同部位对材料使用性能的要求；并且以连续变化的组分梯度来代替突变界面，减小了物性突变，可缓和因温差、材料热膨胀系数差异等产生的热应力，防止材料的热应力破坏。
附图说明
图1为本发明的增材制造流程图；
图2为本发明的智能材料受热形变示意图；
图3为本发明的智能材料受压形变示意图；
图4为本发明的智能材料受到外部载荷形变示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本发明所述的增材制造制备零件的方法，包括以下步骤。
1)建模：依据待制备零件使用条件要求，基于计算机模拟分析软件建立材料性能的物理模型，对材料整体的物理模型进行区域微元化处理，区域微元化处理过程为：将整个物理模型切分成多个大小形状相同的正方体，然后依据不同位置不同材料的成分以及性能，划分区域；分析不同区域材料的性能要求，进而进行结果反推确定各个区域的材料成分，任意相邻区域为连续变化的组分梯度。
2)利用计算机辅助设计软件，如CAD，建立待制备零件的三维模型，将物理模型和三维模型结合，对所建立的三维零件模型进行分层切片处理以获取每层切片材料成分信息和切片轮廓轨迹，依据材料成分信息和切片轮廓轨迹，生成激光打印系统和送粉器的扫描路径。
3)计算成分配比：依据待制备零件的性能与成分设计要求计算待制备零件不同位置处的组分配比，以此为变量输入计算机，控制3D打印时不同位置的送粉比。
4)设置打印参数：具体打印参数视材料而定，以镍基高温合金体系为例：激光发生器的功率为500W左右，打印速率为0.05～0.1m/min，光斑直径为2mm，搭接率为10％～15％，采用惰性保护气体，气压为0.1～0.2MPa。
5)送粉：送粉前，在送粉器的输入端安装成分控制器，在送粉器的输出端安装微量送粉器，成分控制器与微量送粉器与操作台的数据信号相连接；将粒径为0.1—10μm的金属粉末材料分别进行预处理后送入不同的送粉器料筒与打印系统的激光熔覆头中。
金属粉末控制器采用侧向多送粉头送粉的方式，与之相配的缸筒中装有不同成分的金属材料粉末，各个送粉头输送成分不同的金属粉末材料。3D打印时，依据各个微区成分的要求，送粉头输送相应的粉末材料，打印完成时，转换另一种材料的送粉头继续进行，直至打印结束。
6)打印：启动打印设备，工作仓中应输入惰性气体进行保护，控制金属粉末成分和各个送粉头依据建模所得到的不同微区的材料成分信息和切片轮廓轨迹信息进行控制送粉。激光熔覆头对每一层的金属粉末进行处理，逐步形成三维成形件。
工作界面设置有粉末回收装置，以便对残余粉末材料进行回收。
7)热处理：打印成形后，尚需对所得坯件进行热处理，以降低成形件中的缺陷。热处理温度应由材料总成分确定。此外，还应进行表面光洁处理以及精加工才能达到最终目标件的要求，得到零件。
如图2-4所示，为智能材料零件的服役过程，图2为受热状态，图3为受压状态，图4为受到外部载荷状态，材料在受到外部载荷，比如说压力，受热，会发生在弹性范围内的变形，当撤去外部载荷时，材料又会恢复到最开始的形状。
依据目标件性能的物理模型，经计算严格控制目标件不同位置的金属材料组分配比，通过不同的材料成分，从而实现单个目标件在高温或者加载条件下应用完成后能够恢复原貌，使得材料智能化。材料具有较好的可设计性，异种材料优势互补且成分可设计可控制，通过灵活地改变零件不同部位的组分，控制其热膨胀系数与弹性模量，可改变材料的结构、合理控制材料膨胀与形变的产生与恢复、满足不同部位对材料使用性能的要求。以连续变化的组分梯度来代替突变界面，减小了物性突变，可缓和因温差、材料热膨胀系数差异等产生的热应力，防止材料的热应力破坏。采用增材制造技术使得送粉，熔化，打印同时完成，提高了工作效率。经宏观与微观对材料送粉系统的控制以及粉末回收装置，降低了某些贵重金属的使用量，节省了生产成本。制得的智能材料成形件具有优良的综合性能，可以满足复杂环境条件下的应用。
本发明所述的增材制造制备零件的系统，包括：
物理模型模块，用于建立待制备零件材料性能的物理模型，对模型进行区域微元化处理，获得各个区域的性能要求，进而确定各个区域的材料成分，任意相邻区域为连续变化的组分梯度。
三维模型模块，用于建立待制备零件的三维模型，将物理模型和三维模型结合，对三维模型进行分层切片处理，得到每层切片材料成分信息和切片轮廓轨迹。
控制打印模块，用于通过切片材料成分信息得到粉末成分配比，通过切片轮廓轨迹得到激光打印系统的扫描路径，按照粉末成分配比和扫描路径逐层进行增材制造，制备得到零件。
本发明所述的计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述增材制造制备零件的方法的步骤。
本发明所述的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述增材制造制备零件的方法的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种增材制造制备零件的方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一，建立待制备零件材料性能的物理模型，对模型进行区域微元化处理，根据各个区域的性能要求，进而确定各个区域的材料成分，任意相邻区域为连续变化的组分梯度；
步骤二，建立待制备零件的三维模型，将物理模型和三维模型结合，对三维模型进行分层切片处理，得到每层切片材料成分信息和切片轮廓轨迹；
步骤三，通过切片材料成分信息得到粉末成分配比，通过切片轮廓轨迹得到激光打印系统的扫描路径，按照粉末成分配比和扫描路径逐层进行增材制造，制备得到零件。
2.根据权利要求1所述的增材制造制备零件的方法，其特征在于，区域微元化处理过程为：将整个物理模型切分成多个大小形状相同的正方体，然后依据不同位置不同材料的成分以及性能，划分区域。
3.根据权利要求1所述的增材制造制备零件的方法，其特征在于，增材制造的过程依次为设置打印参数、送粉、打印和热处理。
4.根据权利要求3所述的增材制造制备零件的方法，其特征在于，需要设置的打印参数包括激光发生器的功率、打印速率、光斑直径、搭接率和惰性保护气体的气压。
5.根据权利要求3所述的增材制造制备零件的方法，其特征在于，送粉前，在送粉器的输入端安装成分控制器，在送粉器的输出端安装微量送粉器。
6.根据权利要求3所述的增材制造制备零件的方法，其特征在于，打印过程为：启动打印设备，工作仓中输入惰性气体，按照粉末成分配比和扫描路径送粉，激光熔覆头对每一层的粉末进行处理，逐步形成三维成形件。
7.根据权利要求3所述的增材制造制备零件的方法，其特征在于，热处理完成后，对三维成形件进行表面光洁处理和精加工，得到零件。
8.一种增材制造制备零件的系统，其特征在于，包括：
物理模型模块，用于建立待制备零件材料性能的物理模型，对模型进行区域微元化处理，获得各个区域的性能要求，进而确定各个区域的材料成分，任意相邻区域为连续变化的组分梯度；
三维模型模块，用于建立待制备零件的三维模型，将物理模型和三维模型结合，对三维模型进行分层切片处理，得到每层切片材料成分信息和切片轮廓轨迹；
控制打印模块，用于通过切片材料成分信息得到粉末成分配比，通过切片轮廓轨迹得到激光打印系统的扫描路径，按照粉末成分配比和扫描路径逐层进行增材制造，制备得到零件。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任意一项所述增材制造制备零件的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述增材制造制备零件的方法的步骤。
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