CN116689785A - 一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，包括：设计三维模型时，沿悬空面结构的底部边缘外侧添加外延辅助成形结构，随后在悬空面结构和外延辅助成形结构的下方设置支撑结构；将悬空面结构的打印模型文件、外延辅助成形结构的打印模型文件和支撑结构的打印模型文件，分别导入切片软件中，设置悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构三部分之间的打印顺序，进行扫描路径规划并切片，输出打印文件；将打印文件导入增材制造设备，并分别设置悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构的三维成形工艺参数，进行三维成形，得到目标工件。本公开在不改变打印工艺和预热工艺的前提下，有效解决了悬空面结构底部翘曲变形问题。
Description
技术领域
本公开实施例涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法。
背景技术
增材制造技术是将材料逐层增加以制造三维结构实体的智能制造技术，跟传统的减材制造（如机加工）和等材制造（如铸锻焊）相比，增材制造技术在复杂结构件的制造领域具有不可替代的优势。该技术首先通过计算机软件对所打印零件进行模型设计，生成打印文件。随后将文件导入增材制造设备中进行打印成形，打印过程中激光或电子束等高能热源根据零件截面信息对底板上的粉末进行选择性熔化，随后固结成层片，降低成形平台再铺置下一层粉末，重复上述过程，最终形成三维实体零件。
增材制造过程中，加热和冷却速度非常快，导致温度梯度较大，使得材料的热膨胀系数不一致，从而导致不均匀的热膨胀和收缩，在材料内部形成热应力，严重时会造成零件的翘曲变形。这一现象在打印悬空面结构的边缘位置时尤为明显，该类位置靠近粉床的一端，缺少对内部应力的限制因素，自由度高，支撑结构常常不足以承受内部先凝固部分拉应力的作用，导致翘曲变形的发生，相关示意图见图2所示。
实际生产过程中为了保证产品力学性能及内部质量的均一稳定，一般不允许通过调整打印工艺降低热输入来预防或减弱悬空面结构的翘曲变形现象。该类问题已成为实际生产过程中产品报废的重要原因，严重降低了产品的合格率。在不改变打印工艺的前提下，有效解决该类结构的翘曲变形是提升产品合格率的关键。
针对电子束增材制造过程中零件的翘曲变形现象。申请号为CN201611228772的中国专利，公开了一种减弱电子束选区烧结翘曲变形的工艺方法，具体通过对刚完成电子束烧结的轮廓内的部分进行大于电子束烧结速度的扫描，而后再接着已烧结处进行恒温工序段的烧结和整个粉末层的恒温扫描。此工艺方法对于熔化面不够光滑平整、存在飞溅颗粒等现象一定的改善作用，可以增强层与层之间的结合力，但是对于悬空面结构底部尖端部位或边缘位置因热应力引起的翘曲变形的改善效果不佳。该类翘曲变形程度较大，变形高度往往在1~3mm之间，继续对熔化面进行重熔，增加热输入，非但不能减弱翘曲变形现象，还会加剧变形的发生。此外，该工艺方法增加了单层熔化时间，大大降低了打印效率，不适用于产品的批量化生产。申请号为CN201910023514的中国专利，公开了一种电子束选区熔化成形预热扫描方法，具体是将需要进行电子束预热的圆形粉末床划分成不同半径的多个初始同心圆；以第一热输入依次对所述多个初始同心圆进行电子束扫描，且所述第一热输入随着所述多个初始同心圆半径的减小而减小。此工艺方法能够使粉末床在预热过程中获得较为均匀温度场，对零件区域的翘曲变形能起到一定的预防作用。但是对于悬空面结构底部尖端、边缘位置因热应力过大导致的翘曲变形现象无法完全消除。申请号为CN201810927924的中国专利，公开了一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法，具体通过将一个粉末层分为多个子部分，依次扫描每个子部分。由于扫描路径不断变化因此相邻子部分的热应力都不相同，从而整体上减小了翘曲变形量。此工艺方法是一种降低粉床整体热应力的预热方法，但是对于悬空面结构的翘曲变形现象无法起到有效消除作用。
上述方法只能在一定程度上对悬空面结构的翘曲变形现象起到预防、减弱作用，不能彻底消除翘曲变形现象，持续增加零件熔化区域的热输入还会加剧零件的翘曲变形。
因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。
需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开实施例提供的一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，该方法包括：
设计待打印件的三维模型，所述三维模型包括对悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构三个部分进行设计，将所述将悬空面结构、所述外延辅助成形结构及所述支撑结构分别存为相互独立的打印模型文件；其中，设计所述三维模型时，沿所述悬空面结构的底部边缘外侧添加所述外延辅助成形结构，随后在所述悬空面结构和所述外延辅助成形结构的下方设置所述支撑结构；
将所述悬空面结构的打印模型文件、所述外延辅助成形结构的打印模型文件和所述支撑结构的打印模型文件，分别导入切片软件中，设置所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构三部分之间的打印顺序，进行扫描路径规划并进行切片处理，输出打印文件；
将所述打印文件导入增材制造设备，并分别设置所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构的三维成形工艺参数，进行三维成形，得到目标工件。
本公开的一实施例中，所述外延辅助成形结构为薄片状。
本公开的一实施例中，所述外延辅助成形结构的外延长度为2.5~15mm，所述外延辅助成形结构的外延厚度为0.1~1mm。
本公开的一实施例中，沿所述悬空面结构的底部边缘外侧添加所述外延辅助成形结构时，所述外延辅助成形结构与所述悬空面结构的底部所在平面之间具有预设角度。
本公开的一实施例中，所述预设角度为0°~45°。
本公开的一实施例中，所述打印顺序依次为：所述支撑结构、所述外延辅助成形结构和所述悬空面结构。
本公开的一实施例中，进行三维成形时，所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构的能量密度大小为：所述悬空面结构的能量密度大于所述外延辅助成形结构的能量密度，所述外延辅助成形结构的能量密度大于等于所述支撑结构的能量密度。
本公开的一实施例中，所述外延辅助成形结构的能量密度小于25J/mm3，所述悬空面结构的能量密度大于30J/mm3。
本公开的一实施例中，所述进行三维成形，得到目标工件的步骤中，包括：
对成形基板进行预热；
将金属粉末均匀铺设至预热后的所述成形基板上，并对所述金属粉末进行加热；
对加热后的所述金属粉末进行悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构的选区熔化；
重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成所述目标工件。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开的实施例中，通过上述方法，设计三维模型时，沿悬空面结构的底部边缘外侧添加外延辅助成形结构，随后在悬空面结构和外延辅助成形结构的下方设置支撑结构。而且在进行路径规划时，设置了悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构三部分之间的打印顺序。通过上述方法，可以在不改变打印工艺和预热工艺的前提下，有效解决悬空面结构底部翘曲变形问题，适合给定工艺下的批量化生产。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本公开示例性实施例中一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法的步骤流程图；
图2示出本公开示例性实施例中悬空面结构翘曲变形的示意图；
图3示出本公开示例性实施例中添加的外延辅助成形结构的示意图；
图4示出本公开示例性实施例中三维成形的步骤流程图；
图5示出相关技术中改进前臼杯模型的示意图；
图6示出本公开示例性实施例1中改进后臼杯模型的示意图；
图7示出本公开示例性实施例中改进后臼杯打印顺序的示意图；
图8示出相关技术中改进前带有支撑结构的臼杯产品的示意图；
图9示出本公开示例性实施例1中改进后去掉支撑结构的臼杯产品的示意图；
图10示出本公开示例性实施例2中改进后臼杯模型的示意图；
图11示出本公开示例性实施例2中改进后带有支撑结构的臼杯产品的示意图；
图12示出本公开示例性实施例2中改进后去掉支撑结构的臼杯产品的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
本示例实施方式中提供了一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法。参考图1中所示，该方法可以包括：步骤S101至步骤S103。
其中，步骤S101：设计待打印件的三维模型，所述三维模型包括对悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构三个部分进行设计，将所述将悬空面结构、所述外延辅助成形结构及所述支撑结构分别存为相互独立的打印模型文件；其中，设计所述三维模型时，沿所述悬空面结构的底部边缘外侧添加所述外延辅助成形结构，随后在所述悬空面结构和所述外延辅助成形结构的下方设置所述支撑结构。
步骤S102：将所述悬空面结构的打印模型文件、所述外延辅助成形结构的打印模型文件和所述支撑结构的打印模型文件，分别导入切片软件中，设置所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构三部分之间的打印顺序，进行扫描路径规划并进行切片处理，输出打印文件。
步骤S103：将所述打印文件导入增材制造设备，并分别设置所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构的三维成形工艺参数，进行三维成形，得到目标工件。
通过上述方法，设计三维模型时，沿悬空面结构的底部边缘外侧添加外延辅助成形结构，随后在悬空面结构和外延辅助成形结构的下方设置支撑结构。而且在进行路径规划时，设置了悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构三部分之间的打印顺序。通过上述方法，可以在不改变打印工艺和预热工艺的前提下，有效解决悬空面结构底部翘曲变形问题，适合给定工艺下的批量化生产。
下面，将参考图1至图3对本示例实施方式中的上述方法的各个部分进行更详细的说明。
在步骤S101中，利用三维建模软件进行待打印件的三维模型的设计，待打印件的三维模型主要分三部分进行设计：包括对悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构进行设计。进一步的，在设计待打印件的三维模型时，利用三维建模软件沿悬空面结构的底部边缘外侧添加外延辅助成形结构，也即沿悬空面结构的底部外轮廓添加外延辅助成形结构，使外延辅助成形结构与悬空面结构的底部边缘紧密相接。随后在悬空面结构及外延辅助成形结构下方设置支撑结构，并将悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构这三部分，分别存为相互独立的打印模型文件。
需要理解的是，外延辅助成形结构为薄片状，且外延辅助成形结构与支撑结构一起配合，实现对悬空面结构的支撑，便于悬空面结构的成形。
在步骤S102中，将待打印件的三维模型设计完成后，需要进行扫描路径规划。进一步的，需要将悬空面结构的打印模型文件、外延辅助成形结构的打印模型文件和支撑结构的打印模型文件，分别导入切片软件中，以便设置悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构三部分之间的打印顺序。然后进行扫描路径规划并进行切片处理，最终输出打印文件。
在步骤S103中，输出打印文件后，需要将打印文件导入增材制造设备，并对支撑结构、外延辅助成形结构及悬空面结构进行特定的三维成形工艺设置，即分别设置悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构的三维成形工艺参数，以进行三维成形。在三维成形时，通过计算机读取打印文件，并控制电子束能量或激光束能量，在金属粉末表面进行选择性熔化成形，随后降低成形平台再铺置下一层粉末重复上述过程，最终形成悬空面结构的三维实体零件，也即目标工件。
在一个实施例中，所述外延辅助成形结构的外延长度为2.5~15mm，所述外延辅助成形结构的外延厚度为0.1~1mm。
具体的，外延辅助成形结构的外延长度为2.5~15mm，外延辅助成形结构的外延厚度为0.1~1mm。如此设置外延辅助成形结构的参数，便于外延辅助成形结构与悬空面结构的底部边缘紧密相接，更好地与支撑结构一起对悬空面结构实现支撑作用，有效地解决了悬空面结构翘曲变形的问题。其中，外延辅助成形结构的外延长度可以为2.5mm、3.0mm、3.5mm、4mm、4.6mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或15mm，外延辅助成形结构的外延厚度可以为0.1mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm或1.0mm。具体外延辅助成形结构的外延长度和外延厚度，可根据实际情况选择，本公开对此不做限制。
在一个实施例中，沿所述悬空面结构的底部边缘外侧添加所述外延辅助成形结构时，所述外延辅助成形结构与所述悬空面结构的底部所在平面之间具有预设角度。
具体的，在沿悬空面结构的底部外轮廓添加外延辅助成形结构时，按照外延辅助成形结构所在平面与悬空面结构的底部所在平面之间的预设角度，将外延辅助成形结构添加至悬空面结构的底部边缘外侧。
需要理解的是，如图2和图3所示，悬空面结构的底部边缘位置在选区熔化成形过程中，主要受沿激光束或电子束热源移动方向的水平拉应力σx作用，同时受少量沿成形Z方向的拉应力σz作用，Z方向的拉应力σz很大程度上来源于零件形变引起的应力变化。由于σx>σz，热应力对边缘位置的综合作用力与水平方向的预设角度范围为0°~45°。外延辅助成形结构的添加目的，在于在悬空面结构的底部边缘外侧添加限制结构，对悬空面结构的成形过程中施加与综合作用力反方向的拉应力抑制翘曲变形的发生，其中，与综合作用力反方向的拉应力主要包括与水平拉应力σx反方向的拉应力σx’，和与Z方向的拉应力σz反方向的拉应力σZ’。因此，将外延辅助成形结构所在平面与悬空面结构的底部所在平面的预设角度范围设置为0°≤θ≤45°，便于更好地解决悬空面结构的翘曲变形问题。其中，预设角度可以为0°、5°、8°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°，具体可根据实际情况选择，本公开对此不做限制。
在一个实施例中，所述打印顺序依次为：所述支撑结构、所述外延辅助成形结构和所述悬空面结构。
具体的，将悬空面结构的打印模型文件、外延辅助成形结构的打印模型文件和支撑结构的打印模型文件，分别导入切片软件后，设置撑结构、外延辅助成形结构和悬空面结构这三部分之间的打印顺序，进一步的，外延辅助成形结构先于悬空面结构成形，悬空面结构的底部边缘区域熔化时与外延辅助成形结构相连接，受到已凝固的外延辅助成形结构的拉应力作用，与悬空面结构内部的拉应力相平衡，可有效抑制底部边缘的翘曲变形。因此，打印顺序依次为：支撑结构→外延辅助成形结构→悬空面结构。
在一个实施例中，进行三维成形时，所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构的能量密度大小为：所述悬空面结构的能量密度大于所述外延辅助成形结构的能量密度，所述外延辅助成形结构的能量密度大于等于所述支撑结构的能量密度。
具体的，不同模型打印工艺的能量密度大小顺序为：支撑结构≤外延辅助成形结构＜悬空面结构，其中，外延辅助成形结构采用低体能量密度工艺成形，E外小于25J/mm3，强度较低，便于后续去除，从而不影响目标工件外貌和生产效率。悬空面结构使用高体能量密度工艺，E悬大于30J/mm3，保证零件（即目标工件）的成形质量和力学性能。
需要说明的是，E外表示外延辅助成形结构的能量密度，E悬表示悬空面结构的能量密度。
在一个实施例中，所述进行三维成形，得到目标工件的步骤中，包括：
步骤S201：对成形基板进行预热；
步骤S202：将金属粉末均匀铺设至预热后的所述成形基板上，并对所述金属粉末进行加热；
步骤S203：对加热后的所述金属粉末进行悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构的选区熔化；
步骤S204：重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成所述目标工件。
如图4所示，进行三维成形，得到目标工件的步骤包括：步骤S201至步骤S204。
在步骤S201中，对成形基板进行预热。具体的，利用电子束或激光束对成形基板进行加热，可实现对成形基板的预热。其中，成形基板为不锈钢成形基板或钼成形基板。
在步骤S202中，将金属粉末均匀铺设至预热后的所述成形基板上，并对所述金属粉末进行加热。具体的，取粉器将金属粉末均匀地铺设在加热好的成形基板上，并对铺设好的金属粉末进行加热。
在步骤S203中，对加热后的所述金属粉末进行悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构的选区熔化。具体的，增材制造设备对粉末进行悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构的选区熔化。熔化使用热源为电子束或激光束。
在步骤S204中，重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成所述目标工件。具体的，重复铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺过程可以得到高质量的目标工件，该三维成形工艺主要针对粉末床三维成形方法，通过成形基板预热、粉末床加热、区域熔化，提高了目标工件的三维成形质量和加工效率。
下面通过实施例对本公开做进一步阐述。
实施例1
本实施例采用电子束增材制造方法制备TC4钛合金髋臼杯零件，材料选用45～106μm的TC4钛合金粉末。髋臼杯产品在实际生产中通过逐层堆叠的方式进行批量化打印，其中第二层往上臼杯底部处于悬空状态，为悬空面结构。在传统工艺方法中，在臼杯底部直接生成悬空支撑进行打印，容易造成底部边缘翘曲变形，造成零件报废。本发明方法首先在悬空面结构的底部边缘外侧添加外延辅助成形结构，在此实施例中，外延辅助成形结构为薄片圆环结构，并在该外延辅助成形结构和悬空面结构的下方添加支撑结构。打印过程中打印顺序为支撑结构→外延辅助成形结构→悬空面结构，其中，外延辅助成形结构和支撑结构使用低体能量密度工艺打印，便于后续去除，悬空面结构使用高体能量密度工艺打印，保证零件成形质量。通过本发明方法可以实现臼杯多层堆垛打印无翘曲变形发生，大大提升了产品的合格率。
需要说明的是，低体能量密度小于高体能量密度，即悬空面结构的能量密度大于外延辅助成形结构的能量密度，外延辅助成形结构和支撑结构均采用低体能量密度打印，可设计外延辅助成形结构的能量密度大于等于支撑结构的能量密度。
具体实施过程包括三维模型设计，路径规划及切片处理，工艺设置和三维成形三个过程。
步骤一，三维模型设计：利用三维建模软件建立髋臼杯批量生产的三维模型。第一，在臼杯（即悬空面结构）的底部外侧添加外延辅助成形结构，具体为薄片圆环状，与臼杯的底部所在平面平行，外延辅助成形结构所在平面与臼杯的底部所在平面之间具有预设角度，预设角度θ=0°。第二，将臼杯和外延辅助成形结构视为一个整体，并在其下方添加支撑结构。第三，将添加支撑结构后的臼杯在高度方向进行叠加堆垛，随后根据成形基板的成形区域大小进行合适的阵列处理，将臼杯、外延辅助成形结构和支撑结构分别存为相互独立的打印模型文件。
步骤二，路径规划及切片：分别将臼杯的打印模型文件模型、外延辅助成形结构的打印模型文件和支撑结构的打印模型文件，导入切片软件中，设置中臼杯、外延辅助成形结构及支撑结构这三部分的打印顺序，进行扫描路径规划并进行切片处理，生成打印文件。
步骤三，工艺设置和三维成形：将打印文件导入增材制造设备，并设置臼杯、外延辅助成形结构及支撑结构的三维成形工艺参数。其中，支撑结构和外延辅助成形结构使用同一种低体能量密度的工艺打印，可降低该部位的强度便于后续去除。臼杯设置为高体能量密度的打印工艺，可保证力学性能及成形质量。
在三维成形过程中，首先对成形室进行抽真空并充入惰性保护气体，随后开启高压电源通过电子束对成形基板扫描预热至给定温度，取粉器铺粉后，电子束根据每一层截面的路径规划信息对成形基板上的金属粉末进行选择性扫描熔化，使成形区域内金属粉末固结为一个层片，随后降低成形基板再铺置下一层金属粉末重复上述过程，最后所有层片逐层叠加，即得到三维零件（即目标工件）。其中，每层打印过程都包含了铺粉→粉末预烧结→选区熔化→铺粉前热补偿→下一层铺粉整个循环过程，铺粉前预烧结和铺粉后热补偿，是指电子束在给定的电流和扫描速度下，对整个成形区域进行均匀的扫描加热过程，可以有效减小变形、降低应力以及预防吹粉的发生。
在步骤一中，相关技术中改进前臼杯模型的示意图如图5所示，支撑结构紧贴臼杯的底部外边缘添加。本发明中在原始臼杯的底部外侧添加了外延辅助成形结构，外延辅助成形结构的形状具体为薄片圆环状，具体如图6所示。其中，薄片圆环状的外延辅助成形结构内径与臼杯的底部外径相同，薄片圆环状的外延辅助成形结构的外径和内径的差值（即外延长度）为2.5mm，外延厚度为0.1mm。
步骤二中，打印顺序依次为支撑结构→外延辅助成形结构→臼杯，详情如图7所示。
步骤三中，支撑结构的打印工艺与外延辅助成形结构的打印工艺相同，为低体能量密度工艺，低体能量密度的扫描电流为3.2mA，低体能量密度的扫描速度为2.2m/s，低体能量密度为17.5J/mm3。臼杯的打印工艺为高体能量密度工艺，高体能量密度的扫描电流为15.2mA，高体能量密度的扫描速度为5m/s，高体能量密度为36.5J/mm3。使用低体能量密度工艺打印支撑结构和外延辅助成形结构，可方便后续去除，减少后续处理难度，使用高体能量密度工艺打印臼杯，可保证成形质量和力学性能。
在三维成形过程中，首先对成形仓进行抽真空，开启高压电源并充入惰性保护气体，通过电子束扫描对成形基板进行预热，随后取粉器进行铺粉。电子束对所铺成形区域内的金属粉末进行加热，增强金属粉末之间的粘合力，预防吹粉。计算机读取扫描路径，并控制电子束熔化臼杯截面区域的金属粉末，使金属粉末固结成层片，并与前一个相邻层片之间固结在一起。之后继续对整个粉床进行加热保温，去除应力。最后重复铺粉→粉末预烧结→选区熔化→加热保温过程，直至所有层面加工完毕即得到成形臼杯。
实施例1工艺方法实施前后臼杯产品的对比图片分别如图8和9所示，图8为相关技术中改进前带有支撑结构的臼杯产品的示意图，图9为本公开示例性实施例1中改进后去掉支撑结构的臼杯产品的示意图，工艺改进后臼杯产品底部翘曲变形现象得到明显改善，彻底解决了因该问题导致产品报废的问题，大大提升了产品合格率，降低了生产成本。
实施例2
本实施例采用电子束增材制造方法制备TC4钛合金髋臼杯零件，材料选用45～106μm的TC4钛合金粉末。髋臼杯产品在实际生产中通过逐层堆叠的方式进行批量化打印，其中第二层往上臼杯底部处于悬空状态，为悬空面结构。在传统工艺方法中，在臼杯底部直接生成悬空支撑进行打印，容易造成底部边缘翘曲变形，造成零件报废。本发明方法首先在悬空面结构的底部边缘外侧添加外延辅助成形结构，在此实施例中，外延辅助成形结构为薄片圆环结构，并在该外延辅助成形结构和悬空面结构的下方添加支撑结构。打印过程中打印顺序为支撑结构→外延辅助成形结构→悬空面结构，其中，外延辅助成形结构和支撑结构使用低体能量密度工艺打印，便于后续去除，悬空面结构使用高体能量密度工艺打印，保证零件成形质量。通过本发明方法可以实现臼杯多层堆垛打印无翘曲变形发生，大大提升了产品的合格率。
具体实施过程包括三维模型设计，路径规划及切片，工艺设置和三维成形三个过程。
步骤一，三维模型设计：利用三维建模软件建立髋臼杯批量生产的三维模型。第一，在臼杯（即悬空面结构）的底部外侧添加外延辅助成形结构，具体为薄片圆环状，与臼杯的底部所在平面平行，外延辅助成形结构所在平面与臼杯的底部所在平面之间具有预设角度，预设角度θ=45°。第二，将臼杯和外延辅助成形结构视为一个整体，并在其下方添加支撑结构。第三，将添加支撑结构后的臼杯在高度方向进行叠加堆垛，随后根据成形基板的成形区域大小进行合适的阵列处理，将臼杯、外延辅助成形结构和支撑结构分别存为相互独立的打印模型文件。
步骤二，路径规划及切片：分别将臼杯的打印模型文件模型、外延辅助成形结构的打印模型文件和支撑结构的打印模型文件，导入切片软件中，设置中臼杯、外延辅助成形结构及支撑结构这三部分的打印顺序，进行扫描路径规划并进行切片处理，生成打印文件。
步骤三，工艺设置和三维成形：将打印文件导入增材制造设备，并设置臼杯、外延辅助成形结构及支撑结构的三维成形工艺参数。其中，支撑结构和外延辅助成形结构使用同一种低体能量密度的工艺打印，可降低该部位的强度便于后续去除。臼杯设置为高体能量密度的打印工艺，可保证力学性能及成形质量。
在三维成形过程中，首先对成形室进行抽真空并充入惰性保护气体，随后开启高压电源通过电子束对成形基板扫描预热至给定温度，取粉器铺粉后，电子束根据每一层截面的路径规划信息对成形基板上的金属粉末进行选择性扫描熔化，使成形区域内金属粉末固结为一个层片，随后降低成形基板再铺置下一层金属粉末重复上述过程，最后所有层片逐层叠加，即得到三维零件（即目标工件）。其中，每层打印过程都包含了铺粉→粉末预烧结→选区熔化→铺粉前热补偿→下一层铺粉整个循环过程，铺粉前预烧结和铺粉后热补偿，是指电子束在给定的电流和扫描速度下，对整个成形区域进行均匀的扫描加热过程，可以有效减小变形、降低应力以及预防吹粉的发生。
在步骤一中，相关技术中改进前臼杯模型的示意图如图5所示，支撑结构紧贴臼杯的底部外边缘添加。本发明中在原始臼杯的底部外侧添加了外延辅助成形结构，外延辅助成形结构的形状具体为薄片圆环状，具体如图10所示。其中，薄片圆环状的外延辅助成形结构内径与臼杯的底部外径相同，薄片圆环状的外延辅助成形结构的外径和内径的差值（也即外延长度）为2.5mm，外延厚度为0.1mm。
步骤二中，打印顺序依次为支撑结构→外延辅助成形结构→臼杯，详情如图7所示。
步骤三中，支撑结构的打印工艺与外延辅助成形结构的打印工艺相同，为低体能量密度工艺，低体能量密度的扫描电流为3.2mA，低体能量密度的扫描速度为2.2m/s，低体能量密度为17.5J/mm3。臼杯的打印工艺为高体能量密度工艺，高体能量密度的扫描电流为15.2mA，高体能量密度的扫描速度为5m/s，高体能量密度为36.5J/mm3。使用低体能量密度工艺打印支撑结构和外延辅助成形结构，可方便后续去除，减少后处理难度，使用高体能量密度工艺打印臼杯，可保证成形质量和力学性能。
在三维成形过程中，首先对成形仓进行抽真空，开启高压电源并充入惰性保护气体，通过电子束扫描对成形基板进行预热，随后取粉器进行铺粉。电子束对所铺成形区域内的金属粉末进行加热，增强金属粉末之间的粘合力，预防吹粉。计算机读取扫描路径，并控制电子束熔化臼杯截面区域的金属粉末，使金属粉末固结成层片，并与前一个相邻层片之间固结在一起。之后继续对整个粉床进行加热保温，去除应力。最后重复铺粉→粉末预烧结→选区熔化→加热保温过程，直至所有层面加工完毕即得到成形臼杯。
实施例2工艺方法实施前后臼杯产品的对比图片分别如图8和图11、图12所示，图8为相关技术中改进前带有支撑结构的臼杯产品的示意图，图11为本公开示例性实施例2中改进后带有支撑结构的臼杯产品的示意图，图12为本公开示例性实施例2中改进后去掉支撑结构的臼杯产品的示意图，工艺改进后臼杯产品底部翘曲变形现象得到明显改善，彻底解决了因该问题导致产品报废的问题，大大提升了产品合格率，降低了生产成本。
需要理解的是，本发明还能采用激光束打印含悬空面结构零件，其与上述使用电子束的实施例不同之处在于：打印过程中无粉末预烧结和后保温过程。
需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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公开实施例和简化描述，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公开实施例的限制。
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。在本公开实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开实施例中，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公开中的具体含义。
在本公开实施例中，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。
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公开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结合和组合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (9)
1.一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，该方法包括：
设计待打印件的三维模型，所述三维模型包括对悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构三个部分进行设计，将所述将悬空面结构、所述外延辅助成形结构及所述支撑结构分别存为相互独立的打印模型文件；其中，设计所述三维模型时，沿所述悬空面结构的底部边缘外侧添加所述外延辅助成形结构，随后在所述悬空面结构和所述外延辅助成形结构的下方设置所述支撑结构；
将所述悬空面结构的打印模型文件、所述外延辅助成形结构的打印模型文件和所述支撑结构的打印模型文件，分别导入切片软件中，设置所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构三部分之间的打印顺序，进行扫描路径规划并进行切片处理，输出打印文件；
将所述打印文件导入增材制造设备，并分别设置所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构的三维成形工艺参数，进行三维成形，得到目标工件。
2.根据权利要求1所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，所述外延辅助成形结构为薄片状。
3.根据权利要求2所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，所述外延辅助成形结构的外延长度为2.5~15mm，所述外延辅助成形结构的外延厚度为0.1~1mm。
4.根据权利要求3所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，沿所述悬空面结构的底部边缘外侧添加所述外延辅助成形结构时，所述外延辅助成形结构与所述悬空面结构的底部所在平面之间具有预设角度。
5.根据权利要求4所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，所述预设角度为0°~45°。
6.根据权利要求1所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，所述打印顺序依次为：所述支撑结构、所述外延辅助成形结构和所述悬空面结构。
7.根据权利要求1所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，进行三维成形时，所述悬空面结构、所述外延辅助成形结构和所述支撑结构的能量密度大小为：所述悬空面结构的能量密度大于所述外延辅助成形结构的能量密度，所述外延辅助成形结构的能量密度大于等于所述支撑结构的能量密度。
8.根据权利要求7所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，所述外延辅助成形结构的能量密度小于25J/mm3，所述悬空面结构的能量密度大于30J/mm3。
9.根据权利要求1所述解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法，其特征在于，所述进行三维成形，得到目标工件的步骤中，包括：
对成形基板进行预热；
将金属粉末均匀铺设至预热后的所述成形基板上，并对所述金属粉末进行加热；
对加热后的所述金属粉末进行悬空面结构、外延辅助成形结构和支撑结构的选区熔化；
重复上述铺粉工艺、加热工艺和选区熔化工艺，逐层堆积打印成所述目标工件。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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