一种激光选区熔化成形薄壁零件的随形支撑变形控制方法

摘要

本发明涉及一种激光选区熔化成形薄壁零件的随形支撑变形控制方法，其在现有的激光选区熔化成形支撑添加的基础上，分析、预测大型薄壁结构件在成形过程中的应力变形行为，根据型面结构特征，在不同位置处添加不同随形支撑的设计方法，通过随形添加支撑结构的手段控制底部等不同位置处激光选区熔化成形过程中的开裂、变形等问题，有效的提高了成形过程的稳定性，保证了成形结构件质量的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光选区熔化成形薄壁零件的随形支撑变形控制方法，属于薄壁零件成形技术领域。

背景技术

随着我国大型运输机、先进战机、高推重比发动机等航空航天国家重大武器装备项目相继立项，许多关键结构均大量采用复杂型腔薄壁构件，利用传统技术加工时制造周期长，严重滞碍型号的严峻研制任务；更甚者，面对飞行器越来越严苛的各项性能要求，许多新型复杂零部件根本无法利用传统工艺加工，因此无法满足飞机器的性能或功能要求。

激光选区熔化成形技术是一种基于离散堆积成形思想的先进制造技术，该技术主要通过专用软件对零件3D模型进行分层，获得各截面的扫描数据后，利用激光高能束逐层选择性熔化预置金属粉末，直接制造出任意复杂形状的三维实体零件。激光选区熔化成形技术可实现复杂型腔、空间点阵及其它异型结构的无模、快速响应制造，可大幅减少制造工序、缩短生产周期，尤其在金属复杂结构件的成形方面占有明显优势，可实现材料－结构－功能一体化设计和制造，提供了一种快速响应和精确制造的快速验证先进技术，在航空航天、核工业、兵器等现役型号技术升级具有广阔的应用前景。

复杂薄壁结构的激光选区熔化成形技术成形是较多3D打印结构件中的重要组成部分，然而，因薄壁结构的特殊性及加工过程的典型性，在较大规格的薄壁结构的激光选区熔化成形过程中极易发生底部开裂、形面扭曲变形等问题，如何解决加工过程中的开裂变形问题，成为制约复杂薄壁结构成形成功与否的重要问题。

经文献检索分析及大量试验研究发现，采用添加辅助支撑结构的方式可以有效的控制成形过程中的开裂及变形问题，在工程实践中，对于大尺寸薄壁结构，如何根据其结构的特点，添加合适的支撑结构，从而既能保证成形过程中开裂及变形的控制，又能最简化后续支撑的去除，是大型复杂金属薄壁结构激光选区熔化成形支撑的设计的主要所在。

近年来，激光选区熔化成形技术迅速发展，成为航空航天等领域的研究热点，目前，小型简易结构件的激光选区熔化成形已日渐成熟，但对于较大尺寸结构的制造过程，仍面临着如下难点和问题：

（1）由于激光选区熔化成形是一个热量不断积累的过程，在大尺寸薄壁结构的激光选区熔化成形加工过程中极易发生局部应力集中，尤其是在底部区域，随着成形过程的进行，底部出现发生开裂现象，严重时会导致成形过程的中断。

（2）在预置粉末时，铺粉刮刀对粉末起到压实作用的同时，还可去除成形零件的局部微凸起，当去除局部微凸起时，刮板对已成形的结构件会有较大程度的作用，对于厚度较小的薄壁结构会发生严重变形，使得本层已熔化的截面严重偏离原定范围，因此在下一层的熔化成形时会出现扫描截面层与上层成形截面位置偏差较大的现象，在此称之为挫层现象。

（3）对于大型直板型薄壁结构在成形过程中，由于其结构过于简单化，随着成形高度的增加，隐于成形舱室粉末内部已成形的薄壁结构容易因为堆积粉末力的作用的不均匀性而发生累积的位移偏差，从而导致成形的薄壁结构存在型面扭曲变形现象。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明是在现有的激光选区熔化成形支撑添加的基础上，分析、预测大型薄壁结构件在成形过程中的应力变形行为，通过随形添加支撑结构的手段控制底部等不同位置处激光选区熔化成形过程中的开裂、变形等问题，有效的提高了成形过程的稳定性，保证了成形结构件质量的可靠性。本发明属于一种大型薄壁结构采用激光选区熔化成形增材制造技术手段加工时，为释放制造过程应力、提高零件散热、控制成形过程变形的支撑添加方法，该方法可适用大型薄壁结构的激光选区熔化成形，同时也可用于大型薄壁结构电子束选区熔化成形。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下方案实现：

一种激光选区熔化成形薄壁零件的随形支撑变形控制方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

（1）将设计薄壁结构零部件三维模型转化成所需格式的三维工艺数模；

（2）对薄壁结构进行成形性分析，对工艺数模进行包括成形摆放位置和成形摆放角度的成形方案设计；

（3）根据所设计的成形方案，对薄壁零件成形工艺数模进行工艺余量设计；

（4）根据薄壁零件的结构特点，对余量设计后的成形工艺数模进行局部支撑结构设计：

（5）将支撑结构设计后的工艺数模进行型面优化修复处理，确保所有型面结构平滑过渡；

（6）设计激光选区熔化成形工艺参数，将修复后的工艺模型进行切片分层、扫描路径填充设计处理，得到薄壁结构零件的成形工艺程序；

（7）将程序输入激光选区熔化成形设备，进行薄壁零件的激光选区熔化成形研制；

（8）对成形薄壁制件进行支撑结构去除及精加工处理，得到符合尺寸型面技术要求的薄壁零件。

在一个优选的技术方案中，所述步骤（4）的局部支撑结构设计包括：

（a）底部易开裂区域变形控制支撑结构设计，对于较大型的薄壁板类结构，根据成形薄壁零件的高度，相应加大薄壁板状结构与成形基板的接触面积；

（b）中上区域易发生形变区域变形控制支撑结构设计，分析薄壁板结构型面特征，贴合型面区域在薄壁板一侧或是两侧添加加强筋结构；

（c）边缘易发生形变区域变形控制支撑结构设计，边角区域添加固定筋条或是板条结构，减少边角的应力集中。

在一个优选的技术方案中，所述薄壁零件为薄壁板状结构时，其局部支撑结构设计具体包括：

（a）底部易开裂区域变形控制支撑结构设计，根据成形薄壁零件的高度，相应加大薄壁板状结构与成形基板的接触面积；

（b）中上区域易发生形变区域变形控制支撑结构设计，分析薄壁板状结构型面特征，贴合型面区域在薄壁板状结构一侧或是两侧添加加强筋结构；

（c）边缘易发生形变区域变形控制支撑结构设计，边角区域添加固定筋条或是板条结构，减少边角的应力集中。

本发明的技术效果如下：

（1）本发明首次提出了随形支撑的设计方式，在现有成熟支撑结构设计及添加的基础上，有效的利用型面特点柔性地添加支撑结构；

（2）提出了根据型面结构特征，在不同位置处添加不同随形支撑的设计方法，避免了支撑结构单一性而导致的支撑结构复杂难去除的问题，有效提高激光选区熔化的成形质量及效率。

附图说明

图1本发明实施的薄壁格栅结构；

图2薄壁格栅结构STL三维模型；

图3薄壁格栅结构加强底部连接区域面积结构示意图；

图4薄壁格栅结构的底部支撑变形控制结构示意图；

图5薄壁格栅结构的加强支撑控制结构示意图。

图中：1-小加强筋组合结构；2-单加强厚筋结构；3-外缘板外侧添加固定加强板条结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的一种激光选区熔化成形薄壁零件的随形支撑变形控制方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。

实施例1

本例以厚度为2mm~5mm的薄壁格栅结构为实施例，其具体的实现过程为：

1、选择外援板厚度为2mm~2.5mm的薄壁格栅，高度为240mm，格栅型面为大曲面平板，中间区域为格栅单元结构均匀填充结构，外缘结构为大曲面薄壁板结构，厚度为2mm，宽度为30mm~60mm，如图1所示；

2、将薄壁格栅结构三维模型转化为成形所需格式的STL三维工艺数模，如图2所示；

3、对薄壁格栅结构进行成形性分析，设计其最终成形方案，确定薄壁格栅零件的成形方式薄壁格栅结构竖直方向成形，摆放位置为斜对角方向，成形摆放角度与X轴方向夹角为45°；

4、根据激光选区熔化成形工艺特点，对薄壁格栅结构成形工艺数模进行工艺余量设计；

5、根据薄壁格栅结构件的结构特点，对余量设计后的成形工艺数模进行局部支撑结构变形控制设计：

（1）底部易开裂区域变形控制支撑结构设计，底部添加支撑结构，加大薄壁格栅结构件与成形基板的接触面积，如图3和图4所示，图中黑色区域和箭头指示区域为添加接触面支撑变形控制结构；

（2）对薄壁格栅件外缘薄壁板中上区域易发生形变区域进行变形控制支撑结构设计，对薄壁格栅结构件外缘板结构型面进行加强筋支撑变形控制结构，因薄壁格栅结构件高度为中等高度，在添加加强筋结构时，采用两种方式，如图5所示，其中1为小加强筋组合结构，2为单加强厚筋结构；

（3）对薄壁格栅外缘板边缘易发生形变区域进行变形控制支撑结构设计，为控制边角区域成形过程中的应力集中问题，在外缘板外侧添加固定加强板条结构，如图5中的3所示。

6、将支撑变形控制结构设计后的工艺数模进行型面优化修复处理，确保薄壁格栅结构外型面结构平滑过渡。

7、输入激光选区熔化成形工艺参数，将修复后的薄壁格栅三维工艺模型进行切片分层、扫描路径填充设计处理，得到薄壁结构零件的成形工艺程序。

8、将程序输入激光选区熔化成形设备，进行薄壁零件的激光选区熔化成形研制。

9、对成形薄壁制件进行支撑结构去除及精度加工处理，得到符合尺寸型面技术要求的薄壁零件。