CN114433873B - 一种增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种增材制造方法，涉及增材制造技术领域，包括以下步骤：构建具有薄壁的形状不规则的目标零件的三维模型，所述三维模型设置有多个，且多个所述三维模型平行间隔布置；对所述三维模型添加支撑体，且多个所述三维模型通过所述支撑体相互连接；对添加所述支撑体后的所述三维模型进行切片处理；将切片处理后的三维模型导入制造设备，在基板上成形所述目标零件和所述支撑体；对所述目标零件和所述支撑体进行加工处理，得到所需的所述目标零件。本发明实现了具有薄壁的形状不规则的零件的一体化成形，提高精度的同时极大地缩短了制造周期。
Description
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方法。
背景技术
薄壁、异型零件其形状复杂且不规则，多用于航空航天领域，由于其使用环境比较恶劣，不仅要求零件有较高的尺寸精度、表面粗糙度，对性能要求也较高。通过传统机加方法，型面加工困难，且浪费原材料，采用铸造方式铸造出来的零件性能低于锻件的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造方法，用于制造出薄壁、不规则结构的零件，缩短制造周期，提高尺寸精度。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种增材制造方法，包括以下步骤：
构建具有薄壁的形状不规则的目标零件的三维模型，所述三维模型设置有多个，且多个所述三维模型平行间隔布置；
对所述三维模型添加支撑体，且多个所述三维模型通过所述支撑体相互连接；
对添加所述支撑体后的所述三维模型进行切片处理；
将切片处理后的三维模型导入制造设备，在基板上成形所述目标零件和所述支撑体；
对所述目标零件和所述支撑体进行加工处理，得到所需的所述目标零件。
与现有技术相比，采用本发明的增材制造方法，制造具有薄壁的形状不规则的目标零件，通过对目标零件添加支撑体，在加工中可在基板上成形具有支撑体的多个目标零件，支撑体不仅对单个目标零件起支撑作用，还用于多个支撑体的相互连接，提高了整体的可靠性，便于对目标零件加工制造；整个过程中无需设计复杂的刀具或夹具、无需采用铸造/锻造+机械加工+焊接等多道工序，只需通过打印三维模型即可直接增材制造出零件，实现了具有薄壁的形状不规则的零件的一体化成形，提高了生产效率和零件质量的同时极大地缩短了制造周期。
在一种实现方式中，对所述三维模型添加支撑体之前，包括：确定所述目标零件的摆放状态，在该状态下所述目标零件的高度低低于在其它状态下的高度。
采用上述方案的有益效果，可根据目标零件的结构特点确定成形状态，使有利于加工制造，优选为目标零件的高度最低，即选择三维模型的最高点与最低点在距离上最小时的摆放状态，从而使目标零件制造出的高度最低，有利于目标零件的整体结构平稳，并利于提高打印效率。
在一种实现方式中，所述将切片处理后的三维模型导入制造设备，在基板上成形所述目标零件和所述支撑体，包括：确定在所述基板上成形的所述目标零件的数量，所述目标零件的两个端面与所述基板之间通过所述支撑体固定连接。
采用上述方案的有益效果，确定目标零件的数量用于尽可能多的在基板上成形出目标零件，相对于制造单个目标零件，可提高生产效率缩短制造周期；通过支撑体设置在目标零件的端面，便于实现多个目标零件的相互连接，共用实体支撑，降低目标零件的变形量和支撑体数量，保证了制造出的零件的尺寸精度、节约了原材料，降低了成本。
在一种实现方式中，所述确定在所述基板上成形的所述目标零件的数量，包括以下步骤：
测量所述基板相邻的第一边长和第二边长；
确定所述目标零件的成形方向；
对所述目标零件从上到下进行投影，测量投影的第一尺寸和第二尺寸，所述第一尺寸所在的方向平行于所述第一边长，所述第二尺寸所在的方向平行于所述第二边长；
根据所述第一尺寸和第二尺寸以及所述第一边长和第二边长，确定在所述基板上沿所述基板的第一边长和第二边长方向上分别成形的所述目标零件的数量。
采用上述方案的有益效果，根据目标零件的结构特点，确定目标零件在基板上的成形方向，通过规划目标零件的成形方向，可以尽可能多的排列三维零件模型，提高对基板上打印空间的利用程度，提高了加工效率。
在一种实现方式中，所述目标零件的两个端面与所述基板之间通过所述支撑体固定连接，包括：当所述目标零件存在与所述基板夹角小于45°的壳体表面时，对该壳体表面与所述基板之间添加多个块状支撑，多个所述块状支撑沿所述目标零件的长度方向等间距分布。
采用上述方案的有益效果，对目标零件中存在与水平方向夹角小于45°的面添加块状支撑，可进一步提升薄壁零件的壳体可靠性，减少壳体的变形量，提高目标零件的产品合格率。
在一种实现方式中，所述确定基板的相邻两条边的边长方向上分别成形的所述目标零件的数量，包括：
计算所述第一边长与所述第一尺寸的比值以及所述第二边长与所述第二尺寸的第一比值，将所述第一比值中的整数部分作为所述基板每行每列上成形所述目标零件的数量；或，
计算所述第一边长与所述第二尺寸的比值以及所述第二边长与所述第一尺寸的第二比值，将所述第二比值中的整数部分作为所述基板每行每列上成形所述目标零件的数量。
采用上述方案的有益效果，根据实际目标零件的尺寸选择将多个目标零件沿自身长度方向上平行于基板的长边或短边排列，以实现尽可能多的排列目标零件的数量。
在一种实现方式中，所述在基板上成形所述目标零件和支撑体，包括：
在惰性气体的保护下成形所述目标零件和所述支撑体，成形过程中氧含量小于1000ppm。
采用上述方案的有益效果，惰性气体可对易燃易爆的材料在加工过程进行保护，氧含量小于1000ppm既不影响零件的打印制造，又能保证加工过程的设备安全。
在一种实现方式中，对所述目标零件和所述支撑体进行加工处理，得到所需的所述目标零件，包括：
对所述目标零件和所述支撑体清除浮粉，去除所述基板和所述支撑体，得到多个所述目标零件。
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，构成本发明的一部分，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。
图1为本发明一种增材制造方法的流程框架图；
图2为本发明一种增材制造方法的俯视图；
图3为本发明一种增材制造方法局部结构示意图。
图中：
1-目标零件；2-支撑体；3-基板；4-块状支撑。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
图1所示，发明实施例公开了一种增材制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建具有薄壁的形状不规则的目标零件的三维模型，三维模型设置有多个，且多个三维模型平行间隔布置。使用建模软件UG或者Pro/engineer建立薄壁、形状不规则的目标零件三维模型，采用一次构建多个目标零件的方式，用于多个零件的同时制造，可提高生产效率，将多个目标零件平行间隔的布置，例如矩阵排布，彼此间隔均匀便于后续加工处理。
步骤S2：对三维模型添加支撑体，且多个三维模型通过支撑体相互连接。由于所要制造的目标零件为薄壁、不规则形状，本发明通过添加支撑体不仅对单个目标零件起到支撑作用，防止薄壁壳体制造过程中的变形，还能够将多个支撑体相互连接，提高在制造过程中整体结构的稳定性。
步骤S3：并对添加支撑体后的三维模型进行切片处理。切片处理即根据零件的三维模型，将三维模型按一定的厚度切片分层，转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控制造设备的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，逐层成形零件的形状，直至堆积成形具有特定几何形状的零件。
步骤S4：将切片处理后的三维模型导入制造设备，在基板上成形目标零件和支撑体。制造设备可以是激光选区熔化成形设备，特别适用于制造具有复杂结构的难加工钛合金、高温合金等零件。
步骤S5：对目标零件和支撑体进行加工处理，得到所需目标零件。
本发明采用的增材制造方法，主要用于制造具有薄壁、形状不规则的零件，通过对三维模型添加支撑体，可将成形制造过程目标零件的形变量控制在0.2mm以内，不会发生宏观成分偏析，不同壁厚、不同部位组织结构无显著差别，组织结构致密，晶粒细小，力学性能优良，使用性能大幅提高；整个过程中无需设计复杂的刀具或夹具、无需采用铸造/锻造+机械加工+焊接等多道工序，只需通过三维模型即可直接增材制造出零件，实现了具有薄壁的形状不规则的零件的一体化成形，提升可靠性的同时极大地缩短了制造周期。
图2所示，为本实施例中目标零件1在基板3上的一种排列方式，目标零件1通过支撑体2互相连接，同时目标零件1与支撑体2均成形且固定连接在基板3上。
示例性地，基板3一般选择矩形板，基板3的材料为钢或铸铁，基板通过采用轧制或铸造的方法生产出来。
在一个实施例中，上述步骤S2之前，包括：确定目标零件的摆放状态，在该状态下目标零件的高度低低于在其它状态下的高度。在此情况下，可根据目标零件的结构特点确定成形状态，使有利于加工制造，优选为目标零件的高度最低，即选择三维模型的最高点与最低点在距离上最小时的摆放状态，从而使目标零件制造出的高度最低，有利于目标零件的整体结构平稳，并利于提高打印效率。
在一个实施例中，如图3所示，上述步骤S4包括：确定在基板上成形的目标零件的数量，目标零件的两个端面与基板之间通过支撑体固定连接。在此情况下，确定目标零件的数量用于尽可能多的在基板上成形出目标零件，相对于制造单个目标零件，可提高生产效率缩短制造周期；通过支撑体设置在目标零件的端面，便于实现多个目标零件的相互连接，共用实体支撑，降低目标零件的变形量和支撑体数量，保证了制造出的零件的尺寸精度、节约了原材料，降低了成本。
在一个实施例中，上述确定在基板上成形的目标零件的数量，包括以下步骤：
步骤S401：测量基板相邻的第一边长和第二边长。基板优先采用矩形板，方便测量边长尺寸，也便于将目标零件在基板上按矩阵排布，且方便计算目标零件沿长边和短边的设置数量。
步骤S402：确定目标零件的成形方向。根据目标零件的结构特点，确定目标零件在基板上的成形方向，通过规划目标零件的成形方向，可以尽可能多的排列三维零件模型，提高对基板上打印空间的利用程度，提高了加工效率。
步骤S403：对目标零件从上到下进行投影，测量投影的第一尺寸和第二尺寸，第一尺寸所在的方向平行于第一边长，第二尺寸所在的方向平行于第二边长。为了便于测量和计算，采用投影的方式，测量目标零件在确定好处于最低高度的摆放状态下的投影面的长度尺寸和宽度尺寸。
步骤S404：根据第一尺寸和第二尺寸以及第一边长和第二边长，确定在基板上沿基板的第一边长和第二边长方向上分别成形的目标零件的数量。
在一个实施例中，目标零件的两个端面与基板之间通过支撑体固定连接，包括：当目标零件存在与基板夹角小于45°的壳体表面时，对该壳体表面与基板之间添加多个块状支撑4，块状支撑4可为厚度2mm的片状结构，多个块状支撑4沿目标零件的长度方向等间距分布。在此情况下，对目标零件中存在与水平方向夹角小于45°的面添加块状支撑，多个块状支撑沿目标零件的长度方向等间距分布，用于从多个点位共同作用在薄壁壳体上，进一步提升薄壁零件的壳体可靠性，减少制造过程的形变量，降低制造难度，提高加工精度。
在一个实施例中，上述步骤S404，包括：
计算第一边长与第一尺寸的比值以及第二边长与第二尺寸的第一比值，将第一比值中的整数部分作为基板每行每列上成形目标零件的数量；或，
计算第一边长与第二尺寸的比值以及第二边长与第一尺寸的第二比值，将第二比值中的整数部分作为基板每行每列上成形目标零件的数量。
在此情况下，根据实际目标零件的尺寸选择将多个目标零件平行于基板的长边或短边排列，以尽可能多的排列目标零件的数量。
在本实施例中，在基板上成形目标零件和支撑体，包括：
在惰性气体如氩气的保护下成形目标零件和支撑体，成形过程中氧含量小于1000ppm。惰性气体可对易燃易爆的材料在加工过程进行保护，氧含量小于1000ppm既不影响零件的打印制造，又能保证加工过程的设备安全。
示例性的，上述步骤5，包括：对目标零件和支撑体清除浮粉，去除基板和支撑体，得到多个目标零件。
在本实施例中，清理浮粉首先采用超声振动平台，将目标零件和支撑体上的残余粉末震动下来，再用0.6～0.8MPa的压缩空气对目标零件表面和内部流道进行吹除；去除基板和实体支撑体采用线切割，线切割为高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度25～40us，脉冲间隔为110～170us，波形为矩形脉冲。
示例性的，对目标零件去除基板和支撑体之后，还包括：对目标零件进行表面光整处理；表面光整处理包括打磨和喷砂，保证目标零件表面光滑一致。
本实施例中，打磨过程具体为：
①先用60#砂轮磨头对目标零件的整体表面进行粗磨，去掉突出的点和面，整体下量，单次去量0.02mm～0.03mm，打磨时应对整个面往复均匀下量，不能对局部长时间打磨，边打磨边用测厚仪进行测量，粗磨至出现金属光泽为止，此时应下量0.1mm以内；
②用百叶砂布轮进行精磨，先用80目百叶砂布轮整体打磨一遍，去量0.03mm～0.05mm，不能对局部长时间打磨，边打磨边用测厚仪进行测量；
③再用120目百叶砂布轮整体打磨一遍，打磨时应对整个面往复均匀下量，去量0.03m～0.05mm，使表面粗糙度优于6.3um，整体均匀一致。
在一个实施例中喷砂时，采用粒度为80目～180目的白刚玉砂，吹砂时间为3～5min。喷砂就是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂等)高速喷射到需处理零件表面，使零件表面的外表或形状发生变化，由于磨料对零件表面的冲击和切削作用，使零件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，提高表面质量。本实施例采用80目～180目的白刚玉砂，可对目标零件进行精度更高的表面加工，满足精度需求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建具有薄壁的形状不规则的目标零件的三维模型，所述三维模型设置有多个，且多个所述三维模型平行间隔布置；
确定所述目标零件的摆放状态，在该状态下所述目标零件的高度低于在其它状态下的高度；
对所述三维模型添加支撑体，且多个所述三维模型通过所述支撑体相互连接；所述目标零件的两个端面与所述基板之间通过所述支撑体固定连接；
对添加所述支撑体后的所述三维模型进行切片处理；
将切片处理后的三维模型导入制造设备，在基板上成形所述目标零件和所述支撑体；
对所述目标零件和所述支撑体进行加工处理，得到所需的所述目标零件。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述将切片处理后的三维模型导入制造设备，在基板上成形所述目标零件和所述支撑体，包括：确定在所述基板上成形的所述目标零件的数量，所述目标零件的两个端面与所述基板之间通过所述支撑体固定连接。
3.据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述确定在所述基板上成形的所述目标零件的数量，包括以下步骤：
测量所述基板相邻的第一边长和第二边长；
确定所述目标零件的成形方向；
对所述目标零件从上到下进行投影，测量投影的第一尺寸和第二尺寸，所述第一尺寸所在的方向平行于所述第一边长，所述第二尺寸所在的方向平行于所述第二边长；
根据所述第一尺寸和第二尺寸以及所述第一边长和第二边长，确定在所述基板上沿所述基板的第一边长和第二边长方向上分别成形的所述目标零件的数量。
4.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述目标零件的两个端面与所述基板之间通过所述支撑体固定连接，包括：当所述目标零件存在与所述基板夹角小于45°的壳体表面时，对该壳体表面与所述基板之间添加多个块状支撑，多个所述块状支撑沿所述目标零件的长度方向等间距分布。
5.根据权利要求3所述的增材制造方法，其特征在于，所述确定基板的相邻两条边的边长方向上分别成形的所述目标零件的数量，包括：
计算所述第一边长与所述第一尺寸的比值以及所述第二边长与所述第二尺寸的第一比值，将所述第一比值中的整数部分作为所述基板每行每列上成形所述目标零件的数量；或，
计算所述第一边长与所述第二尺寸的比值以及所述第二边长与所述第一尺寸的第二比值，将所述第二比值中的整数部分作为所述基板每行每列上成形所述目标零件的数量。
6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述在基板上成形所述目标零件和支撑体，包括：
在惰性气体的保护下成形所述目标零件和所述支撑体，成形过程中氧含量小于1000ppm。
7.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，对所述目标零件和所述支撑体进行加工处理，得到所需的所述目标零件，包括：
对所述目标零件和所述支撑体清除浮粉，去除所述基板和所述支撑体，得到多个所述目标零件。
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