一种基于SLM工艺的带有薄壁结构的零件的增材制造方法

摘要

本发明涉及一种基于SLM工艺的带有薄壁结构的零件的增材制造方法，属于激光先进增材制造技术领域。本发明的方法能够解决现有增材制造工艺方法打印铝合金或钛合金薄壁结构组件难成形、易变形、应力大易断裂的问题；本发明的方法能够降低增材制造成本，保证增材制造铝合金薄壁组件的成功，为增材制造铝合金或钛合金薄壁组件提供一种切实可靠的工艺支撑设计方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SLM工艺的带有薄壁结构的零件的增材制造方法，属于激光先进增材制造技术领域，所述的零件中薄壁结构的倾角不小于45°，薄壁结构的壁厚为1-3mm；薄壁结构部分的最大外包络的长至少为薄壁结构部分的壁厚的10倍，薄壁结构部分的最大外包络的宽至少为薄壁结构部分的壁厚的10倍。

背景技术

增材制造中薄壁结构是组成零件的一种典型的单元，是航空、航天器结构中常用的结构形式，例如很多大型卫星负载的连接支架多采用铝合金薄壁结构特征零件。这些复杂薄壁次承力结构件，主要特点包括：薄壁结构、外形复杂，种类多样，尺寸稳定性和力学性能要求高，产品安装面及空间角度等尺寸精度要求高。

目前，这种薄壁件多采用棒或块状原材料通过机械加工的手段制造，但这样做不仅加工成本高、周期长，而且材料的浪费较大。对于一些复杂精密零件，机加工本身所存在的加工限制(如刀具限制等因素)，这就反过来为零件的设计工作增加了限制。

通过增材制造不仅释放了很多设计约束，且减少了薄壁零件制造过程中消耗的原材料，但由于增材制造是一种激光加工技术，在薄壁零件制造过程中易产生变形，甚至错层。传统的解决方法是将薄壁零件增厚，后期再进行机加工减薄处理，该方法存在的问题是后处理工序繁琐、成本高、耗时长。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于SLM工艺的带有薄壁结构的零件的增材制造方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于SLM工艺的带有薄壁结构的零件的增材制造方法，该方法的步骤包括：

(1)对带有薄壁结构的零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑，得到带有薄壁结构的零件的工艺模型；

(2)对步骤(1)得到的带有薄壁结构的零件的工艺模型采用SLM工艺增材制造方法进行制造；

(3)对步骤(2)得到的零件进行后处理，后处理包括工艺支撑的去除、表面处理等工序，得到产品。

所述的步骤(1)中，添加工艺支撑是指：带有薄壁结构的零件中的薄壁结构部分的每一层分层切片(即切片层)的烧结形状形成半闭合形状或闭合形状，半闭合形状为U形、L形、N形、M形或Z形；闭合形状为D形、O形或矩形；

所述的带有薄壁结构的零件的材料为铝合金或钛合金。

有益效果

(1)本发明的方法能够解决现有增材制造工艺方法打印铝合金或钛合金薄壁结构组件难成形、易变形、应力大易断裂的问题；

(2)本发明的方法能够降低增材制造成本，保证增材制造铝合金薄壁组件的成功，为增材制造铝合金或钛合金薄壁组件提供一种切实可靠的工艺支撑设计方法；

(3)本发明的方法是将三维转化为二维，以二维稳定性为基础，将三维的薄壁零件转化为无数个二维稳定的平面图形，进而保证零件的整体制造成功率及尺寸稳定性。这样做的结果是，组成整个带工艺支撑的薄壁结构的每一个打印层都是稳定的，进而保证这个结构的稳定性，同时这种支撑添加方式有助于快速去除支撑结构，为零件的后处理带来便利。

(4)本发明采用工艺支撑设计优化方法优化铝合金或钛合金薄壁结构组件，再将其利用SLM技术进行增材制造。其核心技术为：(1)增材制造的铝合金薄壁结构组件工艺支撑优化设计；(2)将增材制造铝合金或钛合金薄壁结构组件在2D(二维)结构上设计为稳定结构再利用SLM技术进行打印。

(5)本发明所采用的工艺支撑设计优化方法能够降低增材制造成本、提高打印速度，实现铝合金薄壁结构组件的轻量化，能够实现不规则几何形状铝合金或钛合金薄壁结构组件的打印，为增材制造铝合金或钛合金薄壁结构组件提供一种切实可靠的工艺支撑设计方法，有效提高增材制造铝合金或钛合金薄壁结构组件的成功率；本发明工艺设计方法简单、可靠、易操作，为增材制造开辟一条新的道路；本发明的工艺支撑设计方法能够有效解决增材制造不规则铝合金或钛合金薄壁结构组件难成形、易变形、应力大易断裂的问题。

附图说明

图1为实施例1中产品的结构示意图及薄壁结构的最大包络尺寸；

图2为实施例1中工艺模型的结构示意图；

图3为实施例1中产品中薄壁结构的切片层示意图；

图4为实施例1中工艺模型中薄壁结构的切片层示意图

图5为实施例2中产品的结构示意图及薄壁结构的最大包络尺寸；

图6为实施例2中工艺模型的结构示意图；

图7为实施例2中产品中薄壁结构的切片层示意图；

图8为实施例2中工艺模型中薄壁结构的切片层示意图；

图9为实施例3中产品的结构示意图及薄壁结构的最大包络尺寸；

图10为实施例3中工艺模型的结构示意图；

图11为实施例3中产品中薄壁结构的切片层示意图；

图12为实施例3中工艺模型中薄壁结构的切片层示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

带有薄壁结构的零件经过优化放置后，其结构示意图如图1所示，此产品为连接角盒，作用是固定、连接两个独立的其他零件，整个零件尺寸为170mm×163mm×132mm，其中的薄壁结构与水平面夹角为60°，技术难点在于其3mm厚的薄壁结构难以成型、成型过程中易变形；零件为铝合金材料；

该零件采用SLM工艺的增材制造方法制造，该方法的步骤包括：

(1)对带有薄壁结构的零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑，添加工艺支撑后，薄壁结构部分的切片层发生改变，由图3中的I型切片层变为图4中的U型切片层，得到带有薄壁结构的零件的工艺模型；

(2)对步骤(1)得到的带有薄壁结构的零件的工艺模型采用SLM工艺增材制造方法进行制造；

(3)对步骤(2)得到的零件进行后处理，后处理包括残余粉末的清理、工艺支撑的去除、表面的喷砂打磨、安装孔及高精度要求面的机加、表面氧化处理工序，得到产品。

通过三维扫描测量反求产品得到数字模型，与原始模型对比，结果显示薄壁结构平面度满足要求，误差在1％以内。

实施例2

带有薄壁结构的零件经过优化放置后，其结构示意图如图5所示，此产品为翅片向内的扇叶，作用是利用高速旋转产生压气作用提高气体压力，整个零件尺寸为其中的薄壁结构与水平面夹角为77°到45°渐变过度，技术难点在于其0.5到1mm渐变厚度的薄壁结构难以成型、成型过程中易变形；零件为钛合金材料；

该零件采用SLM工艺的增材制造方法制造，该方法的步骤包括：

(1)对带有薄壁结构的零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑，添加工艺支撑后，薄壁结构部分的切片层发生改变，由图7中的I型切片层变为图8中的连续矩形切片层，得到带有薄壁结构的零件的工艺模型；

(2)对步骤(1)得到的带有薄壁结构的零件的工艺模型采用SLM工艺增材制造方法进行制造；

(3)对步骤(2)得到的零件进行后处理，后处理包括残余粉末的清理、工艺支撑的去除、表面的喷砂打磨、安装孔及高精度要求面的机加、表面氧化处理工序，得到产品。

通过三维扫描测量反求产品得到数字模型，与原始模型对比，结果显示薄壁结构满足要求，尺寸偏差在1％以内。

实施例3

带有薄壁结构的零件经过优化放置后，其结构示意图如图9所示，此产品为翅片向外的扇叶，作用是利用高速旋转产生压气作用提高气体压力，整个零件尺寸为其中的薄壁结构与水平面夹角为77°到45°渐变过度，技术难点在于其0.5到1mm渐变厚度的薄壁结构难以成型、成型过程中易变形；零件为钛合金材料；

该零件采用SLM工艺的增材制造方法制造，该方法的步骤包括：

(1)对带有薄壁结构的零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑，添加工艺支撑后，薄壁结构部分的切片层发生改变，由图11中的I型切片层变为图12中的连续矩形切片层，得到带有薄壁结构的零件的工艺模型；

(2)对步骤(1)得到的带有薄壁结构的零件的工艺模型采用SLM工艺增材制造方法进行制造；

(3)对步骤(2)得到的零件进行后处理，后处理包括残余粉末的清理、工艺支撑的去除、表面的喷砂打磨、安装孔及高精度要求面的机加、表面氧化处理工序，得到产品。

通过三维扫描测量反求产品得到数字模型，与原始模型对比，结果显示薄壁结构满足要求，尺寸偏差在1％以内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。