CN114433877A - 一种零件成形方法、终端设备及激光选区熔化成形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种零件成形方法、终端设备及激光选区熔化成形系统，涉及激光选区熔化成形技术领域，无需对变形位置进行添加余量以补偿变形，省去了对变形位置进行机加工的工序，降低零件的成形难度，缩短零件的成形周期。零件成形方法包括：获取零件的初始结构信息；根据初始结构信息确定零件的成形方向；结合成形方向及初始结构信息确定零件的非对称结构；在初始结构信息中构建与非对称结构相对成形方向对称的对称结构，获得零件的加工结构信息；根据加工结构信息，控制成形设备进行零件的加工成形；后续处理，获得零件。终端设备包括处理模块和通信模块，激光选区熔化成形系统包括成形设备以及上述的终端设备。

Description

一种零件成形方法、终端设备及激光选区熔化成形系统

技术领域

本发明涉及激光选区熔化成形技术领域，尤其涉及一种零件成形方法、终端设备及激光选区熔化成形系统。

背景技术

激光选区熔化成形基于快速成形的基本思想，采用逐层熔覆的增材制造方式，将零件的三维模型按一定的厚度切片分层，随后在数控系统的控制下，用激光通过振镜控制熔化的金属粉末，直接成形为具有特定几何形状的零件。激光选区熔化成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，成形的零件具有致密性好，组织性能高等特点，且能够成形高精度复杂异型金属零件。

随着激光选区熔化成形技术日渐成熟，其应用领域越来越广泛，越来越多采用传统工艺无法实现的零件被激光选区熔化成形技术制造出来。而对于具有非对称结构的零件，在采用激光选区熔化成形方式进行制造的过程中较易发生形变。为了改变这一现象，现有技术中，一般采用为非对称结构添加支撑，后期再将所添加的支撑去除的方式。方法是：1)建立三维模型；2)添加支撑；3)用模拟软件对添加了支撑的模型进行模拟；4)根据模拟结果，对变形位置进行添加余量以补偿变形，且余量添加值大于模拟的变形量；7)激光选区熔化成形；8)去除支撑；9)对变形位置进行机械加工，使该位置满足原始设计模型。

采用上述方法加工具有非对称结构的零件时，除了需要添加支撑并去除外，还需对变形位置进行添加余量以补偿变形，且要保证余量添加值大于模拟的变形量，最终以机械加工的方式对变形位置进行加工处理，机加工难度较大，增大了零件的成形难度，导致零件的成形周期延长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种零件成形方法、终端设备及激光选区熔化成形系统，无需对变形位置进行添加余量以补偿变形，省去了对变形位置进行机加工的工序，降低零件的成形难度，缩短零件的成形周期。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种零件成形方法，应用于激光选区熔化成形系统，激光选区熔化成形系统包括成形设备。零件成形方法包括：获取零件的初始结构信息；根据初始结构信息确定零件的成形方向；结合成形方向及初始结构信息确定零件的非对称结构；在初始结构信息中构建与非对称结构相对成形方向对称的对称结构，获得零件的加工结构信息；根据加工结构信息，控制成形设备进行零件的加工成形；后续处理，获得零件。

采用上述技术方案时，应用于具有成形设备的激光选区熔化成形系统。具体实施时，在零件的加工成形过程中，首先获取零件的初始结构信息，然后根据初始结构信息确定零件的成形方向，之后结合零件的成形方向及初始结构信息确定零件的非对称结构。再然后，在初始结构信息中构建与非对称结构相对成形方向对称的对称结构，从而获得零件的加工结构信息。其次，根据零件的加工结构信息，控制成形设备进行零件的加工成形。最后经过处理后，获得零件。在本发明提供的零件成形方法中，在初始结构信息中构建与非对称结构相对成形方向对称的对称结构，规避了在采用激光选区熔化成形系统进行加工成形零件的过程中，由于非对称结构的存在使得零件发生形变，使零件的精度降低的现象，因此，无需对变形位置进行添加余量以补偿变形，省去了对变形位置进行机加工的工序，降低了零件的成形难度，缩短零件的成形周期。

第二方面，本发明还提供一种终端设备，应用于具有成形设备的激光选区熔化成形系统，包括处理模块和通信模块。处理模块设置有存储上述零件成形方法的存储介质，通信模块与处理模块连接，用于与成形设备通信连接。

第二方面提供的终端设备的有益效果与第一方面所描述的零件成形方法的有益效果相同，此处不做赘述。

第三方面，本发明还提供一种激光选区熔化成形系统，包括成形设备以及第二方面所描述的终端设备，成形设备与终端设备通信连接，终端设备控制成形设备加工成形零件。

第三方面提供的激光选区熔化成形系统的有益效果与第二方面所描述的终端设备的有益效果相同，此处不做赘述。

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。在附图中：

图1为本发明实施例提供的零件的结构示意图；

图2为在图1中的零件中为非对称结构构建对称结构后的结构示意图；

图3为在图2中为非对称结构构建第一支撑结构和为对称结构构建第二支撑结构后的零件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的零件成形方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的激光选区熔化成形系统的控制框图。

附图标记：

110—处理模块，120—通信模块，200—成形设备，210—基板，

300—热处理设备，410—非对称结构，420—对称结构，430—第一支撑结构，

440—第二支撑结构，441—支撑板，442—支撑网。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

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。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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。

激光选区熔化成形(简称SLM)基于快速成形的基本思想，采用逐层熔覆的增材制造方式，将零件的三维模型按一定的厚度切片分层，随后在数控系统的控制下，用激光通过振镜控制熔化的金属粉末，直接成形为具有特定几何形状的零件。激光选区熔化成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，成形的零件具有致密性好，组织性能高等特点，且能够成形高精度复杂异型金属零件。

随着激光选区熔化成形技术日渐成熟，其应用领域越来越广泛，越来越多采用传统工艺无法实现的零件被激光选区熔化成形技术制造出来。对于具有非对称结构的零件，采用激光选区熔化成形方式进行制造时，在制造的过程中特别容易发生变形，变形的特点具体表现在：①、结构不同时变形量不同；②、结构相同，但尺寸不同时，变形量不同；③、变形不规则；④、变形量难以量化；⑤、结构相同，采用不同的成形设备加工成形时，变形量不同。在使用激光选区熔化成形技术加工成形的过程中产生的变形造成的影响较大，例如：①、成形后的零件不符合设计要求，导致零件报废，造成资源的浪费，进一步增加生产成本；②、需要添加较多余量来补偿变形，后期以机加工的方式将多余的余量去除，增加了成形难度；③、若在成形过程中，突然发生变形，则成形难以继续下去，不仅耽误生产周期，而且造成成本增加。

为了改变上述现象，现有技术中，一般采用为非对称结构410添加支撑，后期再将所添加的支撑去除的方式。方法是：1)建立三维模型；2)添加支撑；3)用模拟软件对添加了支撑的模型进行模拟；4)根据模拟结果，对变形位置添加余量以补偿变形，且余量添加值大于模拟的变形量；7)激光选区熔化成形；8)去除支撑；9)对变形位置进行机械加工，使该位置满足原始设计模型。

采用上述方法加工具有非对称结构410的零件时，除了需要添加支撑并去除外，还需对变形位置添加余量以补偿变形，且要保证余量添加值大于模拟的变形量，最终以机加工的方式对变形位置进行加工处理，机加工难度较大，增大了零件的成形难度，导致零件的成形周期延长。

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种零件成形方法，应用于激光选区熔化成形系统，激光选区熔化成形系统包括成形设备200。值得注意的是，为了便于理解，以使用激光选区熔化成形系统成形如图1所示的零件为例，对本发明实施例提供的零件成形方法进行详细的说明。

如图4所示，零件成形方法包括：

步骤S100：获取零件的初始结构信息。

作为一种可能的实现方式，参见图1，零件的初始结构信息为零件三维模型。根据零件的实际尺寸信息，在三维软件中构建零件的三维模型。零件的三维模型，能够较为直观的观察零件的结构，便于后续的加工成形。实际应用中，三维软件可以为UG、ProE等能够构建零件三维模型的软件，当然三维软件的选用根据实际情况进行选择，此处只是举例说明，不作具体限定。

步骤S200：根据初始结构信息确定零件的成形方向。

根据零件的自身结构特点，按照零件的初始结构信息，确定零件的成形方向。具体实施时，零件的成形方向即成形过程中沉积时的增高方向。在本发明提供的实施例中，可以以基板210作为成形平台，选用激光作为能量源，按照零件的成形方向，在平台上进行逐层扫描，扫描过的金属粉末经过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得符合零件三维模型的零件。零件的成形方向的选择以稳定、支撑少、成形时间短为基本原则。

步骤S300：结合成形方向及初始结构信息确定零件的非对称结构410。

如图1所示，在零件的成形方向确定后，沿着成形方向判断非对称的、单侧突然出现的结构，定义为零件的非对称结构410。

步骤S400：在初始结构信息中构建与非对称结构410相对成形方向对称的对称结构420，获得零件的加工结构信息。

如图2和图3所示，对称结构420和非对称结构410相对成形方向对称设置，以减小由非对称结构410对于零件成形过程中造成的影响，降低零件的形变量。

步骤S500：在初始结构信息中构建用于支撑非对称结构410的第一支撑结构430和用于支撑对称结构420的第二支撑结构440，参见图2和图3，以增强零件成形过程中的稳定性，降低零件在成形过程中的变形量。

作为一种可能的实现方式，第一支撑结构430与第二支撑结构440相对成形方向对称设置，以免设置的支撑结构给零件造成不必要的变形影响，提高零件的成形精度。

如图3所示，在一种可选方式中，第一支撑结构430和第二支撑结构440均包括支撑板441和支撑网442。其中，支撑板441与成形方向具有夹角α，0°＜α＜90°，支撑网442支撑于支撑板441与非对称结构410之间及支撑于支撑板441与对称结构420之间。具体实施时，α的大小根据实际情况进行设置，举例说明，α可以为30°、45°、50°等，此处不作具体限定。支撑板441为实体支撑，能够为对称结构420以及非对称结构410提供稳定的支撑力，防止零件变形。支撑网442为网格状支撑，节约零件原材料投入成本。需注意，如图3所示，第一支撑结构430和第二支撑结构440相对于对称结构420和非对称结构410均位于靠近基板210的位置处，以便在成形的过程中给予对称结构420和非对称结构410提供支撑力，防止零件发生形变。

需要说明的是，零件的加工结构信息包括上述的初始结构信息、对称结构420、第一支撑结构430以及第二支撑结构440，即在使用成形设备200进行零件的成形过程中，构建的对称结构420、第一支撑结构430以及第二支撑结构440均随着零件的初始结构一起成形。除此之外，零件的加工结构信息还包括沿零件的成形方向对零件进行切片分层处理的信息，以便在成形时按照成形方向逐层熔覆成形零件。

步骤S600：根据加工结构信息，将零件进行切片、分层，然后导入终端设备，终端设备控制成形设备200进行零件的加工成形，获得具有对称结构420、第一支撑结构430以及第二支撑结构440的零件。

步骤S700：后续处理，获得零件。

作为一种可能的实现方式，在步骤S700中，后续处理包括：

步骤S700-1：去除残留粉末。

具体实施时，待零件成形结束并冷却一定时间后，取出基板210及零件。可以采用压缩空气及振动平台清理基板210及成形后零件上的残留粉末。使用压缩空气清理基板210及成形后零件表面的粉末，采用振动平台对基板210及成形后零件内部残留的粉末进行清理。

步骤S700-2：对根据加工结构信息，控制成形设备200进行加工成形的零件进行热处理。

采用上述技术方案的情况下，可以优化零件的内部结构组织，改善零件的力学性能。

步骤S700-3：去除对称结构420、第一支撑结构430和第二支撑结构440。

作为一种可能的实现方式，在本发明提供的实施例中，采用线切割方式去除对称结构420以及第一支撑结构430和第二支撑结构440包含的支撑板441，操作人员无需借助工具可以徒手将支撑网442去除，降低了零件的加工难度，极大的提高工作效率。同样的，使用线切割方式将零件和基板210分离，获得最终的零件。

本发明实施例提供的零件成形方法，应用于具有成形设备200的激光选区熔化成形系统。具体实施时，在零件的加工成形过程中，首先获取零件的初始结构信息，然后根据初始结构信息确定零件的成形方向，之后结合零件的成形方向及初始结构信息确定零件的非对称结构410。再然后，在初始结构信息中构建与非对称结构410相对成形方向对称的对称结构420，从而获得零件的加工结构信息。其次，根据零件的加工结构信息，控制成形设备200进行零件的加工成形。最后经过处理后，获得零件。在本发明提供的零件成形方法中，在初始结构信息中构建与非对称结构410相对成形方向对称的对称结构420，规避了在采用激光选区熔化成形系统进行加工成形零件的过程中，由于非对称结构410的存在使得零件发生形变，使零件的精度降低的现象，因此，无需对变形位置进行添加余量以补偿变形，省去了对变形位置进行机加工的工序，降低了零件的成形难度，缩短零件的成形周期。

第二方面，本发明实施例还提供一种终端设备，应用于具有成形设备200的激光选区熔化成形系统，终端设备包括处理模块110和通信模块120。处理模块110设置有存储上述零件成形方法的存储介质，通信模块120与处理模块110连接，用于与成形设备200通信连接。

第二方面提供的终端设备的有益效果与第一方面所描述的零件成形方法的有益效果相同，此处不做赘述。

第三方面，本发明实施例还提供一种激光选区熔化成形系统，包括成形设备200以及第二方面所描述的终端设备，成形设备200与终端设备通信连接，终端设备控制成形设备200加工成形零件。

具体实施时，本发明实施例提供的激光选区熔化成形系还包括热处理设备300，热处理设备300与终端设备通信连接，热处理设备300可以对零件进行热处理。

本发明实施例提供的成形设备200和热处理设备300均通过终端设备所具有的通信模块120与处理模块110通信连接。本发明实施例中的通信连接方式可以无线通信，也可以是有线通信。无线通信可以基于wifi、zigbee等联网技术进行通信。有线通信可以基于数据线或电力线载波实现通信连接。通信接口可以为标准通信接口。该标准通信接口可以为串行接口，也可以为并行接口。例如，终端设备可以采用I2C(Inter-Integrated Circuit)总线通信，也可以采用电力线载波通信技术实现与成形设备200和热处理设备300通信连接。

处理模块110可以是处理器或控制器，例如可以是中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)，通用处理器，数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的逻辑方框，模块和电路。处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。通信模块120可以是收发器、收发电路或通信接口等。存储介质可以是存储器。

第三方面提供的激光选区熔化成形系统的有益效果与第二方面所描述的终端设备的有益效果相同，此处不做赘述。

下面，以使用激光选区熔化成形系统成形如图1所示的零件为例，对本发明实施例提供的零件成形方法、终端设备以及激光选区熔化成形系统进行详细的说明。当然此处只是举例说明，不用于具体限定。

如图1至图5所示，首先在UG软件中建立如图1所示的零件的三维模型，确定零件的成形方向。结合成形方向及零件的三维模型确定零件的非对称结构410，在UG软件中构建与非对称结构410相对成形方向对称的对称结构420。然后，在UG软件中添加支撑板441，并导出模型文件如STL格式文件，导出时零件的三角公差和相邻公差均设置为0.0025。之后将零件的模型文件如STL格式文件导入增材制造辅助软件如Magics软件中，在Magics软件中构建支撑网442。沿零件成形方向对零件进行分层、切片，之后，将以上信息导入处理模块110中的存储介质，处理模块110通过通信模块120控制成形设备200以基板210为成形平台，沿着成形方向，逐层熔覆成形零件，应注意，基板210属于激光选区熔化成形设备200的自带结构。完成后，从成形设备200中取出零件，去除残留粉末，将零件放入热处理设备300，终端设备所具有的处理模块110通过通信模块120控制热处理设备300对零件进行热处理。最后，使用线切割方式将支撑板441去除，去除支撑网442。同样的，使用线切割方式将零件与基板210分离，最终得到零件。

在上述实施方式的描述中，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。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种零件成形方法，其特征在于，应用于激光选区熔化成形系统，所述激光选区熔化成形系统包括成形设备；所述零件成形方法包括：

获取零件的初始结构信息；

根据所述初始结构信息确定所述零件的成形方向；

结合所述成形方向及所述初始结构信息确定所述零件的非对称结构；

在所述初始结构信息中构建与所述非对称结构相对所述成形方向对称的对称结构，获得所述零件的加工结构信息；

根据所述加工结构信息，控制所述成形设备进行所述零件的加工成形；

后续处理，获得所述零件。

2.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，所述零件的初始结构信息为零件三维模型。

3.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，在所述初始结构信息中构建与所述非对称结构相对所述成形方向对称的对称结构后，所述零件成形方法还包括在所述初始结构信息中构建用于支撑所述非对称结构的第一支撑结构和用于支撑所述对称结构的第二支撑结构。

4.根据权利要求3所述的零件成形方法，其特征在于，所述第一支撑结构与所述第二支撑结构相对所述成形方向对称设置。

5.根据权利要求3所述的零件成形方法，其特征在于，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构均包括：

支撑板，与所述成形方向具有夹角α，0°＜α＜90°；

支撑网，支撑于所述支撑板与所述非对称结构之间及支撑于所述支撑板与所述对称结构之间。

6.根据权利要求3所述的零件成形方法，其特征在于，所述后续处理包括去除所述对称结构、所述第一支撑结构和所述第二支撑结构。

7.根据权利要求6所述的零件成形方法，其特征在于，采用线切割方式去除所述对称结构、所述第一支撑结构和所述第二支撑结构。

8.根据权利要求6所述的零件成形方法，其特征在于，在所述去除所述对称结构、所述第一支撑结构和所述第二支撑结构之前，还包括：

去除残留粉末；

对根据所述加工结构信息，控制所述成形设备进行加工成形的所述零件进行热处理。

9.一种终端设备，其特征在于，应用于具有成形设备的激光选区熔化成形系统，所述终端设备包括：

处理模块，设置有存储如权利要求1-8任一项所述的零件成形方法的存储介质；

通信模块，与所述处理模块连接，用于与所述成形设备通信连接。

10.一种激光选区熔化成形系统，其特征在于，包括：

如权利要求9所述的终端设备；

成形设备，与所述终端设备通信连接，所述终端设备控制所述成形设备加工成形所述零件。

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