一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法转让专利
申请号 : CN202310990242.9
文献号 : CN116689785B
文献日 : 2023-10-17
发明人 : 王一帆 , 王新锋 , 金园园 , 赵锦红 , 弋阳 , 程康康 , 李会霞 , 贺卫卫 , 向长淑
申请人 : 西安赛隆增材技术股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
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;
所述外延辅助成形结构为薄片状,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;
~
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,所述预设角度为0°45°;
~
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;其中,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;
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,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。
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
3 3
延辅助成形结构的能量密度小于25J/mm,所述悬空面结构的能量密度大于30J/mm。
4.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。
说明书 :
一种解决悬空面结构翘曲变形的增材制造方法
技术领域
背景技术
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。
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。
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。
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
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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。
发明内容
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;
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;
辅助成形结构的外延厚度为0.1 1mm。
~
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。
面结构的能量密度大于30J/mm。
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
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。
具体实施方式
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
成形结构的外延厚度为0.1 1mm。
~
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。
加至悬空面结构的底部边缘外侧。
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。
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。
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。
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/mm ,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
3
度工艺,E悬大于30J/mm,保证零件(即目标工件)的成形质量和力学性能。
的金属粉末进行加热。
支撑结构的选区熔化。熔化使用热源为电子束或激光束。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
3
能量密度为17.5J/mm。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
3
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/mm 。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
3
能量密度为17.5J/mm。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
3
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/mm 。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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。