CN114619048A - 一种薄壁悬臂骨架类结构及激光选区熔化成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄壁悬臂骨架类结构及激光选区熔化成形方法，包括如下步骤：建立骨架结构的三维模型；根据薄壁悬臂骨架类结构的结构特征，确定成形方向；对骨架悬垂区域适应性修改；添加防变形支撑和网格支撑；采用相应的激光选区熔化成形工艺参数及跳跃光栅式扫描方式对带有支撑的三维模型进行切片处理，在惰性气氛采用软刮刀、低速铺粉模式进行成形；对带基板骨架结构进行去应力热处理；线切割分离基板和骨架结构。采用本发明方法能快速成形出薄壁悬臂骨架类结构，大幅度提高制造薄壁悬臂骨架类的材料利用率、提高产品质量且缩短制造周期。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种薄壁悬臂骨架类结构及激光选区熔化成形方法。
背景技术
骨架类结构主要是用来包覆热机元件，一般为薄壁件，厚度范围为0.5-2mm，传统加工需采用棒料机械加工制造，存在材料利用率极低、加工周期长、变形大等问题，激光选区熔化成形技术可依据零件三维CAD模型，通过材料逐层堆积出产品原型或零部件，不受制于零件结构的限制，且制造周期短、材料利用率高，非常适用于薄壁悬臂骨架类结构的生产制造。
由于激光选区熔化成形采用高能激光束作为能量源，成形过程中较高的冷却速率会引起较大的热应力，导致骨架类结构发生变形，甚至开裂。
发明内容
本发明解决的技术问题是：一种薄壁悬臂骨架类结构及激光选区熔化成形方法，能够实现薄壁悬臂结构的高效率、高质量成形，解决了薄壁悬臂结构成形时容易发生变形开裂，尺寸精度较差的问题。
本发明提供的技术解决方案如下：
第一方面，
一种薄壁悬臂骨架类结构，包括：主体、悬臂和悬垂连接段；
所述主体为由横梁和竖梁组成的框架结构，框架结构中设置有多个镂空区域；
所述悬臂的上设置有多处悬垂连接段，悬臂和主体之间通过悬垂连接段连接；悬臂沿竖直方向设置。
优选地，所述主体和悬臂的材料均为钛合金。
优选地，镂空区域的形状为矩形。
优选地，悬垂连接段与水平面之间的夹角低于30°。
优选地，所述主体和悬臂的壁厚范围为0.5-2mm。
第二方面，
一种对第一方面所述的一种薄壁悬臂骨架类结构进行激光选区熔化成形的方法，包括如下步骤：
1)建立薄壁悬臂骨架类结构的三维模型；
2)根据薄壁悬臂骨架类结构的结构特征，选择悬臂与基板水平面呈45°以上角度的方向作为成形方向；
3)对横梁下端面进行修改，使横梁下端面与水平面之间的夹角大于或等于45°，进一步可以采用尖顶形镂空结构，实现悬垂区域的自支撑成形。得到薄壁悬臂骨架结构优化三维模型；
4)在所述悬垂连接段的下端面向下添加网格支撑，在所述框架结构中沿水平方向设置防变形支撑，获得添加有网格支撑及防变形支撑的三维模型；
5)将添加有网格支撑及防变形支撑的三维模型进行切片处理，设置激光选区熔化成形工艺参数，选用精度较高的小激光功率、大扫描间距、高扫描速度工艺参数和跳跃光栅式扫描策略，得到加工程序文件；
6)将加工程序文件导入设备，在处于惰性气氛中的钛合金基板上进行激光选区熔化成形，得到带有基板、网格支撑及防变形支撑的薄壁悬臂骨架类结构；
7)将带有基板、网格支撑及防变形支撑的薄壁悬臂骨架类结构，进行热处理；
8)分离基板及薄壁悬臂骨架类结构，去除步骤4)中添加的网格支撑和防变形支撑，得到薄壁悬臂骨架结构。
优选地，所述步骤4)还包括：预先采用仿真模拟软件对激光选区熔化成形、热处理、线切割后的变形情况进行模拟，对主体上尺寸变形超出GB6414-CT6精度要求范围的区域，添加防变形支撑，用于防止骨架结构变形，防变形支撑厚度2mm。
优选地，所述步骤4)中，网格支撑包括多个网格阵列，网格阵列中的每个网格尺寸不大于0.6mm×0.6mm，网格阵列的边长取值范围不小于4mm×4mm；两相邻网格阵列之间的间隙宽度不大于0.8mm。
优选地，所述网格支撑和悬垂连接段的下端面之间通过齿牙连接，所述齿牙高度不大于1mm。
优选地，所述步骤5)中，防变形支撑、主体、悬臂和悬垂连接段的激光选区熔化成形工艺参数，具体如下：
激光功率：180～220W，扫描速度：1100～1300mm/s，扫描间距：0.08～0.12mm，光斑直径：90～110μm，铺粉层厚：0.03～0.06mm。
优选地，所述步骤5)中，网格支撑的激光选区熔化成形工艺参数，具体如下：
激光功率：360～380W，扫描速度：2500～2900mm/s，扫描间距：0.08～0.12mm，光斑直径：120～140μm，每铺粉两层扫描一次。
优选地，铺粉速度不超过50mm/s；激光选区熔化成形的铺粉过程中采用橡胶刮刀。
优选地，所述步骤7)中，热处理温度范围为750～850℃，保温时间范围为3-5h，热处理中的冷却气体为氩气。
优选地，所述步骤8)中，采用电火花线切割分离基板和薄壁悬臂骨架结构，并去除防变形支撑。
优选地，所述步骤8)中，采用打磨的方法去除网格支撑。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明通过建立骨架结构的三维模型即可成形，设计自由度高，与传统棒料机械加工+线切割工艺相比，加工周期短、材料利用率高，且变形较小、尺寸精度较高。
2)本发明采用跳跃光栅式扫描策略，增加已烧结区域的冷却时间，减少热量聚集，降低应力，控制变形。
3)本发明通过对骨架主体结构进行修改设计，并添加防变形支撑控制主体结构变形，实现主体结构的无支撑高精度成形。
附图说明
图1为本发明薄壁悬臂骨架结构及成形方向示意图；
图2(a)(b)为本发明薄壁悬臂骨架结构的适应性修改后三维模型示意图；
图3为本发明防变形支撑示意图；
图4为本发明网格支撑的结构示意图；
图5为本发明方法流程图。
具体实施方式
本发明中通过对骨架结构进行适应性修改并调整激光选区熔化成形工艺方案，减小成形应力，提高薄壁悬臂骨架类结构的尺寸精度。
结合附图对本发明进行说明。
如图1所示，本发明一种薄壁悬臂骨架类结构，包括：主体1、悬臂2和悬垂连接段3。所述主体1为由横梁和竖梁组成的框架结构，框架结构中设置有多个镂空区域；所述悬臂2的上设置有多处悬垂连接段3，悬臂2和主体1之间通过悬垂连接段3连接。所述主体1和悬臂2的材料均为钛合金。镂空区域的形状为矩形。悬垂连接段3与水平面之间的夹角低于30°。
本发明提供了一种激光选区熔化成形及变形控制方法，如图5所示，包括如下步骤：
(1)使用建模软件如UG或Pro/E建立薄壁悬臂骨架结构的三维模型，壁厚1.5mm，悬臂长度58mm，如图1所示。
(2)根据零件的结构特征，选择图1所示悬臂2与基板水平面成90°方向作为成形方向，以保证悬臂2的无支撑成形。悬臂2结构无需添加支撑。
(3)对薄壁悬臂骨架结构进行适应性修改，将主体1中的悬垂区域改为尖顶形镂空结构，如图2(a)或图2(b)结构，对三角形顶端进行圆滑过渡，获得最终的薄壁悬臂骨架结构三维模型，再将模型导出为STL格式，导出精度不小于0.008mm。其中，悬垂区域与水平面之间的夹角低于30°，在加工过程中无法自支撑成形。
(4)采用仿真模拟软件，对图2中三维模型激光选区熔化成形、热处理、线切割后的变形情况进行模拟，对尺寸变形超出GB6414-CT6精度要求范围的区域，添加如图3所示的防变形支撑用于防止骨架结构变形。网格支撑样式如图4所示。网格尺寸为0.6mm×0.6mm，旋转角度45°，切割为5mm×5mm，间隙宽度0.6mm，上齿高度0.8mm，齿顶宽0.2mm，齿根宽0.6mm，齿间隔0.1mm，
(5)骨架结构常采用较轻的钛合金材料，激光选区熔化成形的参数为：激光功率180～220W，扫描速度1100～1300mm/s，扫描间距0.08～0.12mm，光斑直径90～110μm，铺粉层厚0.03～0.06mm，相位角67°；防变形支撑加工参数与零件加工参数相同。
网格支撑加工参数：激光功率360～380W，扫描速度2500～2900mm/s，光斑直径120～140μm，扫描间距0.08～0.12mm，每间隔1层扫描一次。
扫描策略采用：跳跃光栅式扫描策略，可以增加已烧结区域的冷却时间，减小热应力。激光选区熔化成形铺粉过程中采用橡胶刮刀，可以降低铺粉机构与零件之间的变形抗力，避免对零件结构造成破坏。采用低速铺粉模式，可降低铺粉机构对零件的切向作用，减小零件变形和振动。
(6)将带有基板的薄壁悬臂骨架结构进行热处理，热处理制度为：800℃，保温4h，充氩气冷却。
(7)采用电火花线切割分离基板和薄壁悬臂骨架结构构件及去除防变形支撑，脉冲波形为矩形脉冲，脉冲宽度设定为20～45μs，脉冲间隔为150～200μs，电流为5～7A；之后采用手工打磨的方法去除网格支撑，对线切割面进行打磨，保证型面光滑，得到薄壁悬臂骨架结构。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (15)
1.一种薄壁悬臂骨架类结构，其特征在于，包括：主体(1)、悬臂(2)和悬垂连接段(3)；
所述主体(1)为由横梁和竖梁组成的框架结构，框架结构中设置有多个镂空区域；
所述悬臂(2)的上设置有多处悬垂连接段(3)，悬臂(2)和主体(1)之间通过悬垂连接段(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁悬臂骨架类结构，其特征在于，所述主体(1)和悬臂(2)的材料均为钛合金。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁悬臂骨架类结构，其特征在于，镂空区域的形状为矩形。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种薄壁悬臂骨架类结构，其特征在于，悬垂连接段(3)与水平面之间的夹角低于30°。
5.根据权利要求4所述的一种薄壁悬臂骨架类结构，其特征在于，所述主体(1)和悬臂(2)的壁厚范围为0.5-2mm。
6.一种对权利要求5所述的一种薄壁悬臂骨架类结构进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立薄壁悬臂骨架类结构的三维模型；
2)选择悬臂(2)与水平面呈45°以上角度的方向作为成形方向；
3)对横梁下端面进行修改，使横梁下端面与水平面之间的夹角大于或等于45°；
4)在所述悬垂连接段(3)的下端面向下添加网格支撑，在所述框架结构中沿水平方向设置防变形支撑，获得添加有网格支撑及防变形支撑的三维模型；
5)将添加有网格支撑及防变形支撑的三维模型进行切片处理，设置激光选区熔化成形工艺参数，得到加工程序文件；
6)将加工程序文件导入设备，在处于惰性气氛中的基板上进行激光选区熔化成形，得到带有基板、网格支撑及防变形支撑的薄壁悬臂骨架类结构；
7)将带有基板、网格支撑及防变形支撑的薄壁悬臂骨架类结构，进行热处理；
8)分离基板及薄壁悬臂骨架类结构，去除步骤4)中添加的网格支撑和防变形支撑，得到薄壁悬臂骨架结构。
7.根据权利要求6所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述步骤4)还包括：预先采用仿真模拟软件对激光选区熔化成形、热处理、线切割后的变形情况进行模拟，对主体(1)上尺寸变形超出GB6414-CT6精度要求范围的区域，添加防变形支撑。
8.根据权利要求7所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述步骤4)中，网格支撑包括多个网格阵列，网格阵列中的每个网格尺寸不大于0.6mm×0.6mm，网格阵列的边长取值范围不小于4mm×4mm；两相邻网格阵列之间的间隙宽度不大于0.8mm。
9.根据权利要求8所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述网格支撑和悬垂连接段(3)的下端面之间通过齿牙连接，所述齿牙高度不大于1mm。
10.根据权利要求9所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述步骤5)中，防变形支撑、主体(1)、悬臂(2)和悬垂连接段(3)的激光选区熔化成形工艺参数，具体如下：
激光功率：180～220W，扫描速度：1100～1300mm/s，扫描间距：0.08～0.12mm，光斑直径：90～110μm，铺粉层厚：0.03～0.06mm。
11.根据权利要求10所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述步骤5)中，网格支撑的激光选区熔化成形工艺参数，具体如下：
激光功率：360～380W，扫描速度：2500～2900mm/s，扫描间距：0.08～0.12mm，光斑直径：120～140μm，每铺粉两层扫描一次。
12.根据权利要求11所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述铺粉速度不超过50mm/s；激光选区熔化成形的铺粉过程中采用橡胶刮刀。
13.根据权利要求12所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述步骤7)中，热处理温度范围为750～850℃，保温时间范围为3-5h，热处理中的冷却气体为氩气。
14.根据权利要求13所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述步骤8)中，采用电火花线切割分离基板和薄壁悬臂骨架结构，并去除防变形支撑。
15.根据权利要求14所述的一种进行激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述步骤8)中，采用打磨的方法去除网格支撑。
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