一種slm制造金屬零件易去除支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種SLM制造金屬零件易去除支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于激光選區(qū)熔化SLM技術(shù)制造金屬零件過(guò)程中的懸空平面、曲面等結(jié)構(gòu)的支撐設(shè)計(jì)，以保證該面能夠成形、該面以上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及成形質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。該方法設(shè)計(jì)了網(wǎng)格狀薄壁結(jié)構(gòu)支撐，并且在支撐和實(shí)體連接部分設(shè)計(jì)了鋸齒狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格狀薄壁結(jié)構(gòu)目的是：1、減小支撐的重量甚至用粉量；2、滿足支撐懸面成型的強(qiáng)度并且很容易用機(jī)械方法去除；3、加快了支撐的加工時(shí)間，提高效率。鋸齒狀目的是：減小支撐和實(shí)體的連接部分強(qiáng)度，去除后不因?yàn)橹芜^(guò)多而影響成型面的表面質(zhì)量。支撐結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)和生成，并且在后處理的過(guò)程中容易去除并將支撐面的表面粗糙度降到最小，適合大量生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種SLM制造金屬零件易去除支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出一種在SLM制造金屬零件過(guò)程中應(yīng)用的易去除的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，主要用于選取熔化制造過(guò)程中懸空平面曲面的支撐，以保證面的成形及面以上結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性達(dá)到成形質(zhì)量和技術(shù)要求，屬于激光先進(jìn)制造中的快速成型領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，3D打印技術(shù)非常火熱成為先進(jìn)制造的發(fā)展趨勢(shì)，而實(shí)際上其屬于快速成型技術(shù)的范疇，快速成型技術(shù)就是直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱。它集成了 CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。
[0003]快速成型技術(shù)正向直接制造金屬零件的方向發(fā)展，選區(qū)激光熔化(SLM)便是新出現(xiàn)的一種能直接成型高致密、高精度金屬零件的快速成型技術(shù)。其主要原理示意圖如圖6所示，在制造過(guò)程中，供粉倉(cāng)20中的平臺(tái)按設(shè)定的層厚的粉量上升一定高度，刮刀夾具15水平運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刮刀21將金屬粉末均勻地鋪設(shè)在成形倉(cāng)19的基板上；激光在振鏡14控制下對(duì)需要熔化的區(qū)域進(jìn)行掃描熔化；然后，基板下降一個(gè)層厚，重復(fù)下層的加工，如此往復(fù)，金屬零件17 —層層地被加工完成，收粉倉(cāng)18可以回收未利用的粉末。
[0004]相對(duì)于目前其他常用成型金屬件的快速成形技術(shù)，選區(qū)激光熔化技術(shù)克服了其他燒結(jié)技術(shù)不能采用純金屬粉末、成型致密性及力學(xué)性能差、后處理工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，原型的快速設(shè)計(jì)和自動(dòng)制造保證了工具的快速制造。無(wú)需數(shù)控銑削，無(wú)需電火花加工，無(wú)需任何專用工裝和工具，直接根據(jù)原型而將復(fù)雜的工具和型腔制造出來(lái)，一般來(lái)說(shuō)，采用選區(qū)激光熔化快速成形技術(shù)，模具的制造時(shí)間和成本均為傳統(tǒng)傳技術(shù)的1/3。采用的材料能擴(kuò)展到多種純金屬或合金材料(如不銹鋼、工具鋼、鐵合金等)成型件相對(duì)密度接近或達(dá)到100%，總體力學(xué)性能比采用鑄造方法制成的金屬件更為優(yōu)異，如圖7所示，采用SLM制造的鋁合金樣件具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，整體性能要高于采用傳統(tǒng)方法制造的樣件。并且尺寸精度及表面粗糙度好，僅需或元需簡(jiǎn)單后處理(如噴砂、拋光等)即可直接投入實(shí)際使用。
[0005]新技術(shù)的發(fā)展有許多瓶頸，由于激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)是融合了 CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，是多學(xué)科交匯的產(chǎn)物，所要解決成形工藝問(wèn)題也是多方面的，主要集中在材料的制備，工藝的優(yōu)化，成型的后處理以及精度的控制等。
[0006]激光選取熔化的成型工藝的優(yōu)化主要是加工參數(shù)的優(yōu)化和成型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在加工參數(shù)優(yōu)化主要是既保證實(shí)體部分致密度接近100%，盡可能少的出現(xiàn)孔洞，表面粗糙度盡可能小，又要不能出現(xiàn)過(guò)燒導(dǎo)致熔瘤產(chǎn)生等。成型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要體現(xiàn)在成型的質(zhì)量和尺寸精確度的保證等，既要保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適合于SLM，又要對(duì)于某些零件結(jié)構(gòu)的輔助成型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等。
[0007]雖然SLM技術(shù)原理上可以成型任意復(fù)雜形狀的金屬零件，但不能完美地成型所有的幾何特征，包括薄板、尖角、特別是懸垂面結(jié)構(gòu)等，懸垂面結(jié)構(gòu)使SLM成型零件的局部形狀精度、尺寸精度不能達(dá)到要求，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致加工件報(bào)廢，或者成型過(guò)程失敗。針對(duì)懸垂面的加工，目前主要是通過(guò)添加大量的金屬支撐保證成型過(guò)程穩(wěn)定，再除去支撐和表面打磨方法保證成型面。也有少部分情況下是SLM成型結(jié)束后，通過(guò)機(jī)加工方式獲得懸垂面。但是當(dāng)加工件精細(xì)而復(fù)雜、或者懸垂面在零件內(nèi)部時(shí)，添加支撐或者后續(xù)機(jī)加工都不再合適。所以，在成型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以盡量不添加支撐情況下將懸垂面順利成型完成，或者在設(shè)計(jì)階段避免或盡量減少懸垂面，但是，對(duì)于某些懸垂面在結(jié)構(gòu)上不能通過(guò)設(shè)計(jì)改變而必須存在時(shí)就需要設(shè)計(jì)添加支撐來(lái)保證成型的質(zhì)量和穩(wěn)定性。
[0008]圖7是任意曲面零件分層后的示意圖。其中，a?b段與c?d段在SLM成型過(guò)程中將遇到懸垂結(jié)構(gòu)成型，在分層切片時(shí)會(huì)形成沒(méi)有自我支撐的懸空部分，層與層之間懸空部分的長(zhǎng)度S=HXCtge，其中H為切片厚度，傾斜角Θ為切片層輪廓與水平面所成的夾角。在SLM成型中，S值越大越容易造成懸垂物與翹曲變形，對(duì)成型很不利。S值大小與層厚h和傾斜角Θ密切相關(guān)，h值越大，或者Θ越小，將使S增大。目前SLM使用的工藝層厚一般由材料的粉末粒徑確定，優(yōu)化的層厚范圍為20?50μπι。所以S值大小主要與傾斜角Θ相關(guān)。a?b段傾斜角Θ I明顯大于c?d段傾斜角Θ 2，所以c?d段成型更容易發(fā)生缺陷。在SLM成型過(guò)程中，存在一個(gè)極限傾斜角度。所謂極限傾斜角度，即傾斜角小于某一值時(shí)，懸垂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塌陷，影響連續(xù)加工。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)可得出極限傾斜角度是40到45度，零件面與水平面夾角大于這個(gè)傾斜角度的自身可以支撐自己而不需要輔助支撐，小于這個(gè)角度的必須加支撐防止產(chǎn)生懸垂物和發(fā)生翹曲變形兩種缺陷。
[0009]如圖8和圖9所示為SLM加工時(shí)遇到的典型圓孔式懸垂結(jié)構(gòu)和方孔式懸垂結(jié)構(gòu)示意圖。圖8中(hl+h2)區(qū)域?qū)儆诜€(wěn)定成型區(qū)域，自身可作為自身的支撐而成形良好,而h3區(qū)域在直徑超過(guò)6mm的圓孔成型時(shí)需要在此區(qū)域下方添加輔助支撐以保證面的成型。SLM成型圓孔式懸垂結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是如何判斷h2與h3的位置界限，主要依據(jù)是界限處的切線角度α與圖7中討論的臨界成型角度是一致。圖9中的方孔式懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)都需要在31面下方加支撐。
[0010]支撐的添加和支撐添加后易去除性決定成型面的表面質(zhì)量和后續(xù)加工的簡(jiǎn)易性，同時(shí)又要能保證去除支撐不會(huì)對(duì)成型件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，所以在激光選區(qū)熔化該加支撐結(jié)構(gòu)易去除設(shè)計(jì)對(duì)SLM工藝的提升和應(yīng)用范圍拓展具有很大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種易去除的支撐設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到激光選區(qū)熔化金屬零件制造的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，使零件取出后能夠很容易的去除支撐從而表面質(zhì)量影響降到最小。
[0012]一種SLM制造金屬零件易去除支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于:設(shè)計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)包括:支撐網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)和支撐網(wǎng)格薄壁邊緣上的鋸齒連接結(jié)構(gòu)，形成多個(gè)通孔連成一體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；支撐網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)格尺寸依據(jù)所需強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)，包括X方向長(zhǎng)度和Y方向長(zhǎng)度；另外薄壁的方向與Y方向呈一定的角度a，角度a為30-45度；薄壁的厚度為
0.1-ο.3mm ;鋸齒連接結(jié)構(gòu)中支撐是有一部分伸進(jìn)實(shí)體的。
[0013]進(jìn)一步，鋸齒分為頂部和底部?jī)刹糠郑敳亢偷撞績(jī)刹糠址謩e為兩個(gè)共一個(gè)底邊的梯形，且在該的底邊寬度比所述兩個(gè)梯形的底邊都小。
[0014]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了網(wǎng)格狀薄壁結(jié)構(gòu)支撐，并且在支撐和實(shí)體連接部分設(shè)計(jì)成了鋸齒狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格狀薄壁結(jié)構(gòu)式一是為了盡量減小支撐的用粉量，二是為了讓其僅滿足支撐懸面成型的強(qiáng)度而又很容易用機(jī)械方法去除，同時(shí)也加快了支撐的加工時(shí)間，提高效率。鋸齒狀結(jié)構(gòu)是為了讓支撐和實(shí)體的連接部分強(qiáng)度盡量減小，去除后不因?yàn)橹芜^(guò)多而影響成型面的表面質(zhì)量。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所設(shè)計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)能夠在加工工程中很容易實(shí)現(xiàn)和生成，并且在后處理的過(guò)程中能夠很容易去除并將支撐面的表面粗糙度降到最小，方法簡(jiǎn)單實(shí)用、成本較低的特點(diǎn)，適合大量生產(chǎn)，具有很大經(jīng)濟(jì)效益。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1本發(fā)明SLM制造金屬零件易去除支撐外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2本發(fā)明SLM制造金屬零件易去除支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3本發(fā)明SLM制造金屬零件易去除支撐網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4本發(fā)明SLM制造金屬零件易去除支撐鋸齒狀連接部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖5本發(fā)明SLM制造金屬零件易去除支撐鋸齒狀連接局部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖6本發(fā)明SLM制造金屬零件成型工藝方法原理示意圖；
[0022]圖7本發(fā)明SLM制造鋁合金零件拉伸力學(xué)性能對(duì)比圖；
[0023]圖8本發(fā)明SLM制造金屬零件懸垂面分層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖9本發(fā)明SLM制造金屬零件圓孔懸垂面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖10本發(fā)明SLM制造金屬零件方孔懸垂面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖中:1、零件實(shí)體，2、支撐結(jié)構(gòu)，3、激光熔化區(qū)，4、支撐網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)，5、鋸齒連接結(jié)構(gòu)，6、零件實(shí)體局部，7、支撐結(jié)構(gòu)局部，8、斷點(diǎn)線長(zhǎng)度，9、伸進(jìn)實(shí)體長(zhǎng)度，10、齒頂部寬度，
11、齒底部寬度，12、齒頂部高度，13、齒底部高度，14、激光系統(tǒng)，15、刮粉系統(tǒng)，16、金屬粉，17、成型零件，18、收粉倉(cāng)，19、成型倉(cāng)，20、供粉倉(cāng)，21、刮刀，22、抗拉強(qiáng)度，23、屈服強(qiáng)度，24、延伸率，25、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度標(biāo)尺，26、延伸率標(biāo)尺，27、SLM制造樣件，28、鑄造樣件，29、時(shí)效后鑄造樣件，30、需要支撐的圓弧面，31、需要支撐的平面。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例。
[0028]本實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,舉了一個(gè)這樣具有懸垂面的例子,主要零件實(shí)體I有兩個(gè)凸臺(tái)，而且尺寸達(dá)到十幾毫米的量級(jí)，在這個(gè)量級(jí)必須加輔助成型結(jié)構(gòu)才能保證凸臺(tái)的成型質(zhì)量和尺寸精度等。所以就需要在凸臺(tái)懸面下面做必要的支撐以保證成型，如圖中2部分就是支撐結(jié)構(gòu)，SLM過(guò)程結(jié)束后將零件取出，然后將這樣的支撐去除就可以得到凸臺(tái)及懸垂面結(jié)構(gòu)。
[0029]為了增加支撐的易去除性，還設(shè)計(jì)了支撐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖2所示，I是零件實(shí)體，3是實(shí)體其中一個(gè)待加工的面，是激光作用熔化然后固化的面，4就是支撐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)，這樣既可以減少支撐的用粉量，又可以減小支撐的強(qiáng)度增加易去除性。如圖3所示，網(wǎng)格的尺寸可以依據(jù)所需強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)，如X方向長(zhǎng)度，Y方向長(zhǎng)度，增大長(zhǎng)度，網(wǎng)格變大，易去除性增加，但強(qiáng)度降低，根據(jù)實(shí)際零件的情況來(lái)確定。另外薄壁的方向與Y方向呈一定的角度a，這個(gè)角度也是可調(diào)的，范圍是30度到45度。這樣避免薄壁有一方向與零件某一邊平行使各方向上的薄壁力分布不均勻造成成形不良。薄壁的厚度可調(diào)范圍是0.1?0.3，調(diào)節(jié)薄壁的厚度可調(diào)節(jié)支撐的強(qiáng)度，使支撐的去除更加靈活。
[0030]如圖4所示，5鋸齒狀連接結(jié)構(gòu)式在網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小支撐與實(shí)體連接的面積，進(jìn)一步增加支撐的易去除性，在鋸齒的作用下，第一層懸面能夠成形并且保證不被刮刀刮掉而影響下一層的成形，在圖5中顯示了支撐結(jié)構(gòu)和零件連接處局部放大圖，6為零件實(shí)體，7為支撐結(jié)構(gòu)，支撐是有一部分伸進(jìn)實(shí)體的，這個(gè)伸進(jìn)實(shí)體長(zhǎng)度為9所示，是可以設(shè)置數(shù)值改變支撐與實(shí)體在縱向上的結(jié)合強(qiáng)度，常用的設(shè)置范圍是0.05?0.3，。鋸齒分為頂部和底部?jī)刹糠郑敳繉挾?0和底部寬度11都是可調(diào)參數(shù)，常用設(shè)置范圍是0.1?
0.4，這兩數(shù)值分別改變齒與實(shí)體在橫向的結(jié)合強(qiáng)度和齒根部的強(qiáng)度，齒的頂部和底部高度也是可調(diào)參數(shù)，常用設(shè)置范圍是0.2?1.0，改變齒的高度可改變支撐去除的難易，齒高了則更容易去除，但齒的強(qiáng)度降低，齒短了則相反，8為斷點(diǎn)線長(zhǎng)度是指齒在頂部和底部中間有一處橫向截面收縮處，此處的線的長(zhǎng)度也是可調(diào)的，常用設(shè)置參數(shù)是0.1?0.2，由于此處尺寸變小，強(qiáng)度也最小，支撐與實(shí)體脫離斷裂也發(fā)生在此。通過(guò)調(diào)節(jié)齒底部寬度和齒高度來(lái)調(diào)節(jié)齒的強(qiáng)度，調(diào)節(jié)齒頂部寬度和伸進(jìn)實(shí)體長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)合強(qiáng)度，調(diào)接斷點(diǎn)線長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)齒斷裂強(qiáng)度支撐斷裂強(qiáng)度。
[0031]本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)柱狀支撐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和連接部位結(jié)構(gòu)，提出網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)和鋸齒狀連接結(jié)構(gòu)的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)和設(shè)定各部位的參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)支撐的強(qiáng)度和易去除性，根據(jù)不同零件的尺寸，不同懸垂面的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)，既簡(jiǎn)化支撐又保證強(qiáng)度，處理靈活，增加支撐的易去除性。去除后對(duì)零件表面做簡(jiǎn)單拋光處理即可保證表面質(zhì)量，減小支撐的影響。適合大量生產(chǎn)，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
【權(quán)利要求】
1.一種SLM制造金屬零件易去除支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于:設(shè)計(jì)的支撐結(jié)構(gòu)包括:支撐網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)和支撐網(wǎng)格薄壁邊緣上的鋸齒連接結(jié)構(gòu)，形成多個(gè)通孔連成一體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；支撐網(wǎng)格薄壁結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)格尺寸依據(jù)所需強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)，包括X方向長(zhǎng)度和Y方向長(zhǎng)度；另外薄壁的方向與Y方向呈一定的角度a，角度a為30-45度；薄壁的厚度為0.1-ο.3mm ;鋸齒連接結(jié)構(gòu)中支撐是有一部分伸進(jìn)實(shí)體的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種SLM制造金屬零件易去除支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于:鋸齒分為頂部和底部?jī)刹糠郑敳亢偷撞績(jī)刹糠址謩e為兩個(gè)共一個(gè)底邊的梯形，且在該的底邊寬度比所述兩個(gè)梯形的底邊都小。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK103920877SQ201410149416
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月12日
【發(fā)明者】張冬云, 李叢洋, 曹玄揚(yáng), 張暉峰 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)