CN115945700A - 一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，属于利用金属粉末的增材制造技术领域，用以解决现有现有技术中采用增材制造成形复杂构件在成形后内部结构的形貌难以再次改变、成形尺寸受装备限制的问题。方法包括设计毛坯模型，毛坯模型上设有预置空位；沿拉制方向，预置空位的宽度小于最终构件的孔洞的宽度；沿垂直于拉制方向，预置空位的宽度大于最终构件孔洞的宽度；采用增材制造的方式制得毛坯，位于下一层的扫描策略与位于上一层的扫描策略相同，毛坯包括毛坯主体、夹持部、加强件和变形辅助杆；对毛坯进行拉制成形，使得预置空位变形为最终构件的孔洞。本发明可用于复杂构件的复合增材制造。

Description

一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法

技术领域

本发明属于利用金属粉末的增材制造技术领域，尤其涉及一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法。

背景技术

增材制造技术，又称“3D打印技术”，是利用逐层叠加的方式实现复杂结构成形的一种制造技术，该技术可实现零件的“净近成形”，可实现传统加工方法对结构形状的限制。

采用现有增材制造技术成形复杂结构，通常是在模型设计阶段进行结构设计，成形后内部结构的形貌难以再次改变，且成形零件尺寸受限于成形装备的尺寸限制，无法成形超过装备最大成形尺寸的零件，更大尺寸的零件只能通过更大成形尺寸的装备实现制造，增加了设备投入成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，用以解决现有现有技术中采用增材制造成形复杂结构构件在成形后内部结构的形貌难以再次改变、成形尺寸受装备限制的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，包括如下步骤：

步骤1：设计毛坯模型，毛坯模型上设有预置空位，并在毛坯模型的两端设置夹持部；

沿拉制方向，预置空位的宽度小于最终构件的孔洞的宽度；沿垂直于拉制方向，预置空位的宽度大于最终构件孔洞的宽度；

步骤2：采用增材制造的方式制得与毛坯模型一致的毛坯，相邻两层中，位于下一层的扫描策略与位于上一层的扫描策略相同；所述毛坯的包括毛坯主体以及沿拉制方向设于毛坯主体两端的夹持部；沿垂直于拉制方向，所述夹持部的两端凸出毛坯主体形成凸台；所述夹持部和毛坯主体的材料不同，使得夹持部的强度大于毛坯主体的强度；夹持部朝向毛坯主体的一侧设有加强件，加强件包括依次连接的第一加强段、第二加强段、第三加强段和第四加强段，第一加强段与夹持部一体成型，第一加强段和第三加强段均垂直于夹持部，且第一加强段的长度大于第三加强段的长度，第二加强段和第四加强段均平行于夹持部，且第二加强段的长度大于第四加强段的长度，第一加强段、第二加强段、第三加强段和第四加强段形成螺旋形的加强件，毛坯主体的材料填充在第一加强段、第二加强段、第三加强段和第四加强段之间；毛坯还包括变形辅助杆，变形辅助杆的一端与其中一个夹持部形成的凸台固定连接，变形辅助杆的另一端与另一个夹持部形成的凸台固定连接，沿逐渐远离毛坯主体横向中心线的方向，变形辅助杆的直径逐渐增大；

步骤3：对毛坯进行拉制成形；毛坯在拉制过程中，沿拉制方向，预置空位的宽度增大，沿垂直于拉制方向，预置空位的宽度减小，使得预置空位变形为最终构件的孔洞，完成各向异性构件的复合增材制造。

进一步地，步骤2中，增材制造的方式为激光选区熔化沉积、电子束选区熔化、激光熔融沉积、电子束熔丝沉积、电弧熔丝沉积和激光熔丝沉积中的一种。

进一步地，步骤2中，采用激光选区熔融进行毛坯的制造，扫描策略包括激光角度、成形功率、扫描速度和层厚。

进一步地，相邻两层中，位于下一层的激光角度与位于上一层的激光角度相同，位于下一层的成形功率与位于上一层的成形功率相同，相邻两层中，位于下一层的扫描速度与位于上一层的扫描速度相同，位于下一层的层厚与位于上一层的层厚相同。

进一步地，步骤2中，钛合金毛坯的成形功率为100~300W，扫描速度为300~1000mm/s，层厚为60~100μm。

进一步地，最终构件的孔洞形状为三角形，预置空位的形状为三角形。

进一步地，最终构件的孔洞形状为菱形，预置空位的形状为长方形。

进一步地，最终构件的孔洞形状为圆形，预置空位的形状为椭圆形。

进一步地，最终构件的材料为铝合金、钛合金和高温合金中的至少一种。

进一步地，步骤3中，拉制成形的变形率为10%以下，毛坯无需加热，直接进行拉制成形；或者，拉制成形的变形率超过10%，铝合金毛坯的拉制温度为200℃以上；钛合金毛坯的拉制温度为600℃以上；高温合金毛坯的拉制温度为600℃以上。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一。

A）本发明提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法具有自动化程度高、易操作、操作步骤简单、易于实现等特点，基于预置空位拉制成形的技术原理，通过逐层堆积的方法形成预置空位和毛坯整体结构的一体化打印，通过打印预置空位的方式，根据实现各种具有孔洞、不同形状、不同尺寸、不同结构和不同空间位置的复杂构件的成形，然后，利用增材制造特有的凝固特性导致的材料性能的各向异性，并通过特定的扫描策略，适当保留和扩大这种各向异性，将毛坯整体进行拉制成形得到最终构件。

B）本发明提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，能够提高材料和增材制造装备的利用率，实现绿色制造，满足轻量化复杂结构成形需求。

C）本发明提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，能够提高预置空位的设计性，实现更为复杂结构的构件的成形。

D）本发明提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，由于在最终构件成形之前可以通过拉制成形，能够脱离增材制造设备尺寸的限制，能够实现更大尺寸的构件的成形。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本发明实施例一提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法中毛坯的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法所制得的最终能构件的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法中毛坯主体、夹持部以及变形辅助杆的连接示意图。

附图标记：1-毛坯主体；2-夹持部；3-连接孔；4-预置空位；5-最终构件；6-孔洞；7-第一加强段；8-第二加强段；9-第三加强段；10-第四加强段；11-变形辅助杆。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在现有的增材制造过程中，为了减小构件的各向异性，保证构件整体性能的均一，通常相邻两层增材制造的过程中，位于下一层的激光扫描策略与位于上一层的激光扫描策略之间，采取激光角度偏转的方式来减少各向异性。

实施例一

本实施例提供了一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，参见图1，包括如下步骤：

步骤1：利用SolidWorks、UG等三维制图软件设计毛坯模型，毛坯模型上设有预置空位4，并在毛坯模型的毛坯主体1的两端设置夹持部2。其中，沿拉制方向，预置空位4的宽度小于最终构件5孔洞6的宽度；沿垂直于拉制方向，预置空位4的宽度大于最终构件5孔洞6的宽度；

步骤2：采用增材制造的方式制得与毛坯模型形状和结构一致的毛坯；

增材制造过程中，应针对应力集中部位、悬空等部位添加辅助支撑结构以确保构件的成形精度；

相邻两层中，位于下一层的扫描策略与位于上一层的扫描策略相同，示例性地，采用激光选区熔融进行毛坯的制造，扫描策略主要是指激光角度、成形功率、扫描速度和层厚，相邻两层中，位于下一层的激光角度与位于上一层的激光角度相同，位于下一层的成形功率与位于上一层的成形功率相同，位于下一层的扫描速度与位于上一层的扫描速度相同，位于下一层的层厚与位于上一层的层厚相同；

步骤3：将毛坯置于拉伸机或者热成形设备中，对毛坯进行拉制成形，毛坯在拉制过程中，沿拉制方向，预置空位4的宽度增大，沿垂直于拉制方向，预置空位4的宽度减小，使得预置空位4变形为最终构件5的孔洞6，完成各向异性构件的复合增材制造。

需要说明的是，毛坯成形前，根据最终构件5成形需求进行预置空位4的尺寸、形状和位置的设计；增材制造前，根据拉制成形的方向，选取工艺参数，使该方向成形材料具有一定的塑性；拉制成形前，根据材料的特性、预置空位4尺寸和结构形式进行温度、时间和拉伸力等参数设计，但是，对于不同结构的构件所需要的各项参数均不同，在此不一一赘述。

与现有技术相比，本实施例提供的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法具有自动化程度高、易操作、操作步骤简单、易于实现等特点，基于预置空位4拉制成形的技术原理，通过逐层堆积的方法形成预置空位4和毛坯整体结构的一体化打印，通过打印预置空位4的方式，根据实现各种具有孔洞6、不同形状、不同尺寸、不同结构和不同空间位置的复杂构件的成形，然后，利用增材制造特有的凝固特性导致的材料性能的各向异性，并通过特定的扫描策略，适当保留和扩大这种各向异性，将毛坯整体进行拉制成形得到最终构件5，一方面，能够提高材料和增材制造装备的利用率，实现绿色制造，满足轻量化复杂结构成形需求，另一方面，能够提高预置空位4的设计性，实现更为复杂结构的构件的成形，再一方面，由于在最终构件5成形之前可以通过拉制成形，能够脱离增材制造设备尺寸的限制，能够实现更大尺寸的构件的成形。

在实际应用中，最终构件5的孔洞6的尺寸和形状可以不同，相应地，预置空位4的尺寸和形状也不同。

可以理解的是，预置空位4的形状需要根据最终构件5的孔洞6形状进行设计。示例性地，最终构件5的孔洞6形状为三角形，相应地，预置空位4的形状为三角形；最终构件5的孔洞6形状为菱形，相应地，预置空位4的形状为长方形，参见图2至图3；最终构件5的孔洞6形状为圆形，相应地，预置空位4的形状为椭圆形。

需要说明的是，上述构件的材料可以为铝合金、钛合金和高温合金中的至少一种。

在拉制成形过程中，根据构件的材料和塑性以及拉制的变形率，需要考虑拉制温度，示例性地，变形率为10%以下，毛坯无需加热，直接进行拉制即可；变形率超过10%，则毛坯需要在高温环境中进行拉制，温度选区范围为0.4~0.95Tm（Tm，合金材料的熔点），高温拉制成形环境可通过热电阻丝加热等方式实现。

其中，铝合金毛坯的拉制温度为200℃以上，例如，200~350℃；钛合金毛坯的拉制温度为600℃以上，例如，600~900℃；高温合金毛坯的拉制温度为600℃以上，例如，600~900℃。

为了能够利于后期拉制方向的性能要求，保证毛坯内部组织的致密度和各向异性，示例性地，钛合金毛坯的成形功率为100~300W，扫描速度为300~1000mm/s，层厚为60~100μm，相邻两层之间采用相同的激光扫描策略，从而能够保证拉制方向上柱状晶等组织的延续性生长，使后续拉制方向的材料具备更为优异的延伸率。

考虑到预置空位4需要经过拉制才能够获得最终构件5的孔洞6，为了避免在拉制过程中预置空位4发生开裂，上述预置空位4的拐角处设置圆弧倒角，圆弧倒角的半径为0.1~20mm。这样，通过圆弧倒角的设置，能够减少拐角处的应力集中，从而能够避免尖端开裂的情况发生。

示例性地，上述步骤2中，增材制造方式为激光选区熔化沉积、电子束选区熔化、激光熔融沉积、电子束熔丝沉积、电弧熔丝沉积和激光熔丝沉积中的一种。

具体来说，激光选区熔化沉积依次包括如下步骤：模型准备、粉末原材料及基板准备、设备准备、打印、取件、去应力退火、线切割、去支撑和打磨抛光。

其中，去应力退火的退火温度为200~1100℃，保温时间为0.5~20h，冷却方式为炉冷或空冷。

在去应力退火过程中，拉制方向的升温和降温速率小于垂直于拉制方向的升温和降温速率，升温速率之差为10~15℃/min，同样地，拉制方向的降温速率小于垂直于拉制方向的降温速率，降温速率之差为10~15℃/min。这是因为，通过进行有差别的升温和降温，能够进一步扩大毛坯的各向异性，从而促进拉制方向上的塑性变形。

电子束选区熔化依次包括如下步骤：模型准备、粉末原材料及基板准备、设备准备、打印、取件、去应力退火、去支撑和打磨抛光。

激光熔融沉积依次包括如下步骤：模型准备、粉末原材料及基板准备、设备准备、打印、取件、清理、去应力退火、去支撑和清理。

电子束熔丝沉积依次包括如下步骤：模型准备、焊丝原材料及基板准备、设备准备、打印、取件、清理、去应力退火、去支撑和打磨抛光。

电弧熔丝沉积依次包括如下步骤：模型准备、焊丝原材料及基板准备、设备准备、打印、取件、清理、去应力退后、去支撑和打磨抛光。

激光熔丝沉积依次包括如下步骤：模型准备、焊丝原材料及基板准备、设备准备、打印、取件、清理、去应力退火、去支撑和打磨抛光。

对于毛坯的结构，具体来说，其包括毛坯主体1以及沿拉制方向设于毛坯主体1两端的夹持部2。

对于夹持部2的结构，具体来说，可以采用如下两种方式：

其中一种方式，夹持部2上开设多个连接孔3，拉伸机的连接杆穿过连接口孔，从而实现拉伸机与夹持部2的连接。

另一种方式，沿垂直于拉制方向，夹持部2的两端凸出毛坯主体1，从而形成凸台。

在拉制过程中，由于夹持部2直接与拉伸机连接，会首先发生变形，而这部分变形是不利于毛坯主体1变形的，因此，上述夹持部2的强度（拉伸强度）大于毛坯主体1的强度。这样，通过适当增加夹持部2的强度，在拉制过程中能够减少夹持部2所发生的变形，使得变形主要集中在毛坯主体1上。

具体来说，可以通过选取不同的材料来实现夹持部2和毛坯主体1强度的差别，示例性地，夹持部的材料为钛合金或不锈钢，毛坯主体的材料为铝合金，相应地，对于激光选区融化沉积，夹持部成形铺设的粉末为钛合金粉末或不锈钢粉末，毛坯主体1铺设的粉末为铝合金粉末。

值得注意的，由于选取不同材料来形成夹持部2和毛坯主体1，不可避免的夹持部2和毛坯主体1的连接界面的强度会降低，为了避免在拉伸过程中夹持部2与毛坯主体1发生分离，夹持部2朝向毛坯主体1的一侧设有加强件，参见图4，加强件与夹持部2一体成型，具体来说，该加强件包括依次连接的第一加强段7、第二加强段8、第三加强段9和第四加强段10，第一加强段7与夹持部2一体成型，第一加强段7和第三加强段9均垂直于夹持部2，且第一加强段7的长度大于第三加强段9的长度，第二加强段8和第四加强段10均平行于夹持部2，且第二加强段8的长度大于第四加强段10的长度，从而能够形成螺旋形的加强件，毛坯主体1的材料填充在第一加强段7、第二加强段8、第三加强段9和第四加强段10支架。这样，由于加强件与夹持部2一体成型，两者的材质相同，强度均高于毛坯主体1的强度，通过加强件的设置，能够有效提高及夹持部2与毛坯主体1的连接界面的强度，基本上能够避免在拉伸过程中夹持部2与毛坯主体1发生分离。

为了能够进一步提高毛坯主体1的变形均匀性，上述毛坯还包括变形辅助杆11，参见图4，变形辅助杆11的一端与其中一个夹持部2形成的凸台固定连接，变形辅助杆11的另一端与另一个夹持部2形成的凸台固定连接，定义毛坯主体1垂直与拉制方向的中心线为横向中心线，沿逐渐远离毛坯主体1横向中心线的方向，变形辅助杆11的直径逐渐增大，也就是说，靠近毛坯主体1横向中心线的位置，变形辅助杆11的直径较小，远离毛坯主体1横向中心线的位置，变形辅助杆11的直径较大，通过变形辅助杆11的设置，相当于减小了毛坯主体1中心位置的截面尺寸，增大了毛坯主体1两端位置的截面尺寸，从而能够更有利于毛坯中心的变形，进一步提高毛坯主体1的变形均匀性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设计毛坯模型，所述毛坯模型上设有预置空位，并在毛坯模型的两端设置夹持部；

沿拉制方向，所述预置空位的宽度小于最终构件的孔洞的宽度；沿垂直于拉制方向，所述预置空位的宽度大于最终构件孔洞的宽度；

步骤2：采用增材制造的方式制得与毛坯模型一致的毛坯，相邻两层中，位于下一层的扫描策略与位于上一层的扫描策略相同；

所述毛坯包括毛坯主体以及沿拉制方向设于毛坯主体两端的夹持部；沿垂直于拉制方向，所述夹持部的两端凸出毛坯主体形成凸台；所述夹持部和毛坯主体的材料不同，使得夹持部的强度大于毛坯主体的强度；所述夹持部朝向毛坯主体的一侧设有加强件，所述加强件包括依次连接的第一加强段、第二加强段、第三加强段和第四加强段，所述第一加强段与夹持部一体成型，所述第一加强段和第三加强段均垂直于夹持部，且第一加强段的长度大于第三加强段的长度，所述第二加强段和第四加强段均平行于夹持部，且第二加强段的长度大于第四加强段的长度，所述第一加强段、第二加强段、第三加强段和第四加强段形成螺旋形的加强件，所述毛坯主体的材料填充在第一加强段、第二加强段、第三加强段和第四加强段之间；所述毛坯还包括变形辅助杆，所述变形辅助杆的一端与其中一个夹持部形成的凸台固定连接，所述变形辅助杆的另一端与另一个夹持部形成的凸台固定连接，沿逐渐远离毛坯主体横向中心线的方向，所述变形辅助杆的直径逐渐增大；

步骤3：对毛坯进行拉制成形；所述毛坯在拉制过程中，沿拉制方向，所述预置空位的宽度增大，沿垂直于拉制方向，所述预置空位的宽度减小，使得预置空位变形为最终构件的孔洞，完成各向异性构件的复合增材制造。

2.根据权利要求1所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤2中，所述增材制造的方式为激光选区熔化沉积、电子束选区熔化、激光熔融沉积、电子束熔丝沉积、电弧熔丝沉积和激光熔丝沉积中的一种。

3.根据权利要求2所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤2中，采用激光选区熔融进行毛坯的制造，所述扫描策略包括激光角度、成形功率、扫描速度和层厚。

4.根据权利要求3所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述相邻两层中，位于下一层的激光角度与位于上一层的激光角度相同，位于下一层的成形功率与位于上一层的成形功率相同，相邻两层中，位于下一层的扫描速度与位于上一层的扫描速度相同，位于下一层的层厚与位于上一层的层厚相同。

5.根据权利要求4所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤2中，钛合金毛坯的成形功率为100~300W，扫描速度为300~1000mm/s，层厚为60~100μm。

6.根据权利要求1所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述最终构件的孔洞形状为三角形，所述预置空位的形状为三角形。

7.根据权利要求1所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述最终构件的孔洞形状为菱形，所述预置空位的形状为长方形。

8.根据权利要求1所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述最终构件的孔洞形状为圆形，所述预置空位的形状为椭圆形。

9.根据权利要求1所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述最终构件的材料为铝合金、钛合金和高温合金中的至少一种。

10.根据权利要求9所述的利用各向异性成形复杂构件的复合增材制造方法，其特征在于，所述步骤3中，所述拉制成形的变形率为10%以下，毛坯无需加热，直接进行拉制成形；

所述拉制成形的变形率超过10%，铝合金毛坯的拉制温度为200℃以上，钛合金毛坯的拉制温度为600℃以上，高温合金毛坯的拉制温度为600℃以上。

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