CN114473137A - 一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：S1、通过电弧增材薄墙体获取电弧增材各个方向的弹性模量及泊松比等物理参数；S2、对结构基于电弧增材各向异性参数进行拓扑优化；S3、将得到的拓扑优化模型按照不同材料方向进行分区及路径规划；S4、根据路径规划，保持变位机水平且焊枪竖直，或者变位机水平而焊枪转动，或者变位机转动而焊枪竖直，或者变位机转动且焊枪也转动，对不同区域依次进行电弧增材制造，并保证增材方向与拓扑结构材料方向一致；S5、完成各向异性拓扑优化结构的无支撑拓扑结构电弧增材制造。该方法有利于实现无支撑的电弧增材制造，保证拓扑优化结构的设计自由度，并提高材料的利用率。
Description
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，具体涉及一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法。
背景技术
拓扑优化是指通过合理的分配各种材料、确定最优传力路径去寻求在满足零件高性能的前提下实现轻量化以及多功能创新结构的设计方法。与尺寸优化、形状优化不同，其具有更高的设计自由度，结构往往是十分具有新颖性的。然而拓扑优化的构件往往具有复杂的形状，传统的增材方式很难甚至无法进行加工，因此需要利用增材技术将复杂零件一层层堆积增材出来。
拓扑结构的增材制造主要包括激光增材制造、电子束增材制造以及电弧增材制造。目前，主要是采用基于激光的增材制造技术对拓扑优化构件进行制造，使用电弧增材来成形拓扑优化构件的很少。电弧增材制造技术做为增材技术的一种，是通过熔化焊丝实现增材制造。相较于激光增材、电子束增材，具有成本低、效率高、不受结构尺寸限制等优点。增材的结构已经被证明具有明显的各向异性，若对结构进行拓扑时将增材的各向异性考虑在内，能够在保持原有性能的前提下提高材料的利用率，节约成本。但是，考虑方向的拓扑结构的电弧增材有时会出现某个特定的材料方向无法进行电弧增材等问题，从而限制了电弧增材在拓扑结构领域的应用。除此之外，由于拓扑结构的复杂程度较高，会出现需要增材部位因为焊枪干涉问题无法抵达等难题。
专利CN111444640A提出一种考虑增材制造倾角约束的拓扑方法，其虽然能应用于电弧增材领域，但并未考虑增材材料的各向异性，也并未提供一种适用于实际电弧增材的方法。专利CN107457469B、CN102962547B提出了一些结构增材制造方法，但结构简单，通过保持焊枪固定姿态即可实现结构增材，且未考虑各向异性增材。专利CN107470620B提出一种制作法兰的电弧增材制造方法，但结构简单，且通过增材后的热处理解决Z方向强度不足的问题，未考虑通过增材本身的方式解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，该方法有利于实现无支撑的电弧增材制造，保证拓扑优化结构的设计自由度，并提高材料的利用率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：
步骤S1、通过电弧增材薄墙体获取电弧增材各个方向的弹性模量及泊松比等物理参数；
步骤S2、对结构基于电弧增材各向异性参数进行拓扑优化；
步骤S3、将得到的拓扑优化模型按照不同材料方向进行分区及路径规划；
步骤S4、根据路径规划，保持变位机水平且焊枪竖直，或者变位机水平而焊枪转动，或者变位机转动而焊枪竖直，或者变位机转动且焊枪也转动，对不同区域依次进行电弧增材制造，并保证增材方向与拓扑结构材料方向一致；
步骤S5、完成各向异性拓扑优化结构的无支撑拓扑结构电弧增材制造。
进一步地，所述步骤S3中，如果出现某一部分完全无法增材的情况，则将此部分的材料方向更改为强度更高、且便于增材的材料方向。
进一步地，所述步骤S3中，如果出现某一部分无法增材，且此部分的材料方向即为强度最高的材料方向，或者比此部分材料方向强度更强的材料方向也无法增材的情况，则将此部分材料方向更改为便于增材的材料方向，且对此部分进行适当加粗补强。
进一步地，所述步骤S3中，对更改完成后的拓扑结构进行校核，若满足要求则进行电弧增材制造；若不满足要求则继续对材料方向及厚度进行更改，直至满足要求。
进一步地，所述步骤S4中，通过调整变位机与焊枪角度保证电弧增材方向与拓扑结构材料方向一致。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将电弧增材技术适用于拓扑优化结构件，填补了电弧增材制造拓扑优化结构的空白。相较于传统设计的结构件，拓扑优化的构件往往形状复杂，难以进行机加工等传统制造，电弧增材制造技术与拓扑优化技术的结合能在保证原有性能的前提下大大提高材料的利用率，保证了所需拓扑优化结构的设计自由度。
2、本发明在电弧增材制造的同时考虑电弧增材材料的各向异性，使增材方向与拓扑结构材料方向基本一致。对于完全无法增材制造的拓扑结构部位，创新性的将此部位的大小与材料方向更改，同时保证原有的使用需求。电弧增材的结构件往往具有各向异性，考虑各向异性的拓扑优化结构相较于人为忽略各向异性的拓扑结构更加符合使用需求，同时进一步减少材料的消耗。
3、本发明对各向异性拓扑优化结构采用分区先后增材制造的方式，配合不同的弧焊工艺参数、熔敷层堆积方式、焊枪姿态及变位机等，能基本实现无支撑条件下的电弧增材制造。
附图说明
图1为本发明实施例的方法实现流程图；
图2为本发明实施例中各向异性拓扑优化结构及其材料方向图；
图3为本发明实施例中更改后符合电弧增材的各向异性拓扑优化结构及材料方向图；
图4为本发明实施例中拓扑优化结构1的电弧增材示意图；
图5为本发明实施例中拓扑优化结构2、3、7、8、59的电弧增材示意图；
图6为本发明实施例中拓扑优化结构5、54的电弧增材示意图；
图7为本发明实施例中拓扑优化结构56的电弧增材示意图；
图8为本发明实施例中拓扑优化结构10的电弧增材示意图。
具体实施方式
为更清楚地理解本申请的上述目的、特征及优点，下面结合具体结构及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，包括如下步骤：
步骤S1、通过电弧增材薄墙体获取电弧增材各个方向的弹性模量及泊松比等物理参数。
步骤S2、对所需拓扑优化的结构基于电弧增材各向异性参数进行拓扑优化，其结果如图2所示。
步骤S3、将得到的拓扑优化模型按照不同材料方向进行分区及路径规划。如果出现某一部分完全无法增材的情况，则将此部分的材料方向更改为强度更高、且便于增材的材料方向，对更改完成后的拓扑结构进行校核，若满足要求则进行电弧增材制造；若不满足要求则继续对材料方向及厚度进行更改，直至满足要求。本实施例中，将6部分水平的材料方向更改为强度更高的竖直方向，得到56部分。当拓扑结构旋转90°时即可实现水平增材。如果出现某一部分无法增材，且此部分的材料方向即为强度最高的材料方向，或者比此部分材料方向强度更强的材料方向也无法增材的情况，则将此部分材料方向更改为便于增材的材料方向，且对此部分进行适当加粗补强。本实施例中，将4、9倾斜的材料方向更改为强度较低便于增材的水平方向，并对4、9部分进行适当的加粗补强，得到54、59部分。拓扑结构水平时焊枪垂直即可增材9部分水平的材料方向，拓扑结构旋转时，焊枪对应旋转即可增材倾斜的材料方向。得到的各向异性拓扑优化结构及材料方向如图3所示。
步骤S4、根据路径规划，保持变位机水平且焊枪竖直，或者变位机水平而焊枪转动，或者变位机转动而焊枪竖直，或者变位机转动且焊枪也转动，对不同区域依次进行电弧增材制造，并保证增材方向与拓扑结构材料方向一致。具体包括以下步骤：
步骤S41、保持变位机水平，焊枪竖直增材1部分，保证增材方向与拓扑结构材料方向一致，如图4所示。
步骤S42、保持变位机水平，焊枪转动-60°、33°、-28°、-33°、60°，在1部分的基础上对2、3、59、8、7部分同时进行电弧增材制造，保证增材方向与拓扑结构材料方向一致，如图5所示。
步骤S43、将变位机转动-55°，焊枪保持垂直，在2与3的搭接处开始对5部分进行电弧增材制造。同时，将焊枪倾斜-27°对54部分进行电弧增材，保证增材方向与拓扑结构材料方向一致，如图6所示。
步骤S44、将变位机转动-90°，焊枪倾斜30°，在5与54部分的搭接处对56部分进行电弧增材制造，保证增材方向与拓扑结构材料方向一致，如图7所示。
步骤S45、将变位机旋转55°保持10部分垂直，焊枪倾斜50°防止与56、59发生干涉，并保证增材方向与拓扑结构材料方向一致，如图8所示。
步骤S5、完成各向异性拓扑优化结构的无支撑拓扑结构电弧增材制造。
在本实施列中，基板选择Q550基板，焊丝选择ER70-G焊丝。气体采用氩气与二氧化碳混合气体，气体占比为4：1，气体总流量15L/min，即氩气12L/min，二氧化碳为4L/min，使用时需对二氧化碳气体加热。
在本实施列中，使用电弧增材获取各个方向的拉伸试样，进而获得各个方向的强度、泊松比、弹性模量等参数。方便后续材料方向的更改。
在本实施列中，为保证增材效率，同时进行2、3、59、8、7部分的电弧增材制造。为避免增材5部分时与54部分发生干涉，因此54部分不参与同时增材。
在本实施列中，由于5部分结构较大，所需工艺参数较大，但角度较小，若保持变位机水平，使用焊枪垂直增材时焊道受重力影响较大，会出现增材后的结构角度小于模型角度的情况，因此将变位机旋转-55°。
在本实施列中，为防止5部分与54部分发生干涉，增材时须同时增材。
在本实施列中，由于56、10部分夹角为118°，属于大夹角，56与10部分搭接时，属于大倾角的搭接时。调整变位机旋转-55°使10部分竖直，防止因热输入过大发生流淌。同时调整焊枪角度为50°，防止焊枪与已增材的部分发生干涉，同时实现10部分材料方向的增材制造。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、通过电弧增材薄墙体获取电弧增材各个方向的弹性模量及泊松比等物理参数；
步骤S2、对结构基于电弧增材各向异性参数进行拓扑优化；
步骤S3、将得到的拓扑优化模型按照不同材料方向进行分区及路径规划；
步骤S4、根据路径规划，保持变位机水平且焊枪竖直，或者变位机水平而焊枪转动，或者变位机转动而焊枪竖直，或者变位机转动且焊枪也转动，对不同区域依次进行电弧增材制造，并保证增材方向与拓扑结构材料方向一致；
步骤S5、完成各向异性拓扑优化结构的无支撑拓扑结构电弧增材制造。
2.根据权利要求1所述的一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，如果出现某一部分完全无法增材的情况，则将此部分的材料方向更改为强度更高、且便于增材的材料方向。
3.根据权利要求1所述的一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，如果出现某一部分无法增材，且此部分的材料方向即为强度最高的材料方向，或者比此部分材料方向强度更强的材料方向也无法增材的情况，则将此部分材料方向更改为便于增材的材料方向，且对此部分进行适当加粗补强。
4.根据权利要求2或3所述的一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，对更改完成后的拓扑结构进行校核，若满足要求则进行电弧增材制造；若不满足要求则继续对材料方向及厚度进行更改，直至满足要求。
5.根据权利要求1所述的一种各向异性拓扑优化结构件的电弧增材制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过调整变位机与焊枪角度保证电弧增材方向与拓扑结构材料方向一致。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220513 |
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