CN104827155A - 一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法 - Google Patents

一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法，该方法包括以下步骤：建立金属零件CAD几何模型，然后提取STL模型，利用分层切片软件以分层厚度为单位对STL模型进行合理分层并提取各层的轮廓信息，由计算机根据这些轮廓信息生成控制指令；通过切割装置用该层对应的数控指令沿该层的轮廓轨迹切割该层板料；按照各层的排列次序通过焊料依次将各层板料进行粘合，以此完成整个零件的粘合处理；粘合处理后的整个零件进行加热，以实现固熔复合熔接成形，以此方式，完成复杂零件的增材成形。本发明与现有技术相比，具有成型效率高、成型精度高、成本低、材料利用率高、适用性广等优点。

Description

一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法
技术领域
本发明属于零件增材成形技术领域，更具体地，涉及一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM，亦称3D打印、快速原型制造)技术，起源于20世纪80年代末，由于其原理的独特之处和工艺上的优势，已从初试时功能验证的塑料、石蜡、纸等非金属原型快速成形技术，到直接或间接制备各种模具的快速制造技术，再到目前的金属零件或模具的快速制造技术，AM技术取得了快速的发展和实际的应用。现有的金属增材制造方法，主要有基于高能束以熔化粉末、丝材的熔融增材成形方法和基于其它能量的固态增材成形方法。
熔融增材成形方法，主要包括激光快速成型技术，如选区激光熔融(Selective Laser Melting，SLM)、直接金属激光烧结(Direct Metal LaserSintering，DMLS)和激光近形制造(Laser Engineering Net Shaping，LENS)；电子束快速成形技术，如电子束熔融(Electron Beam Melting，EBM)和电子束实体自由成形(Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF)；等离子熔积快速成形技术，如等离子熔积直接制造(Plasma PowderDeposition Manufacturing，PPDM)；电弧熔积快速成形技术，如电弧制造技术(Arc Rapid Prototyping Manufacturing，ARPM)。不同的熔融增材方法各有优劣，如激光快速成形技术，由于全部材料都要经过固-液-固相变过程，导致体积变化大，残余应力和变形大且需要大功率激光器设备，成本较高，熔积效率低；电子束快速成形技术，由于电子束对粉末的冲击大，不利于成形，而且成形过程须在真空室内进行，对硬件的要求高，运行成本高；激光束、等离子束、电弧成形的零件无支撑，复杂度受限；此外，由于制造精度不高且有弧光辐射，因此，限制了其工业化应用范围。
固态增材成形方法，主要有德国Fabrisonic公司开发的“超声波增材制造(UAM)”方法，该方法利用超声波的振动能量使两个需连接表面摩擦，形成分子间融合的增材制造工艺，具有变形小、精度高等优势，但其仍然存在以下问题：当制备的零件需达到高精度的要求时，其除了需要超声波成形装置外，还需要设置三轴数控铣床以在超声波增材成形之后对零件进行机械加工，如此增加了设备重量、制造周期和成本，目前该方法只能用于低熔点金属的增材成形。
现有的金属叠层实体制造快速成形方法，其先以大于零件最大尺寸的板料整体铺出而后利用激光切割***剔除大部分废料，材料利用率低，且大面积铺料会使电极与板料的接触面积大而致使电阻焊合电流功率密度较小，可焊合厚度很小、质量不高。而申请公布号CN103350321A，公布日2013年10月16日的专利文献公开了一种基于轮廓特征的金属零件增材制造方法，该方法虽然采用了分层的思想对金属零件的模型进行分层切片处理，但其依然存在以下问题：该方法通过控制指令控制板料的送料轨迹，板料分层送进，机械的完成零件各层的叠加焊合，其只能对板料的送料路径进行控制，而无法对各层板料的内外轮廓进行精确加工，加工精度低，零件成形质量差，因而并不适用于具有复杂内外轮廓的零件的成形。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法，其中根据复杂零件自身的内外轮廓特征，采用分层的方式逐层完成板料的内外轮廓的精确加工，并尤其能够对精确加工后的各层依次执行粘合处理，然后完成各层板料的固熔复合熔接成形，相应的能够实现具有复杂内外轮廓的零件的加工成型，具有成型精度高、成型效率高、成本低、材料利用率高、适用性广等优点；此外，还根据零件形状的复杂程度和精度要求，可进行分段粘合和熔接，以及根据零件的不同需求，各层可选用不同的材料进行加工，因而该方法尤其适用于具有复杂形状的零件的成型加工等场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建模与分层处理：根据成形零件的三维形状和尺寸建立零件CAD几何模型，提取零件的STL模型，然后根据零件的形状和尺寸选择分层厚度，利用分层切片软件以分层厚度为单位将所述的STL模型划分为多个层；
(2)对各层轮廓点的提取操作：对通过步骤(1)所划分的多个层分别提取其内外轮廓点，然后基于这些内外轮廓点分别执行填充处理，由此生成与各层加工相对应的数控指令；
(3)对零件各层的加工处理：选用厚度为各分层厚度的板料作为各层的加工对象，然后通过切割装置按照步骤(2)生成的与各层加工相对应的数控指令，分别对各个作为独立加工对象的各层板料进行切割处理，由此实现各层板料的内外轮廓的独立加工，从而实现零件各层的更为精细的加工与修整处理；
(4)粘合处理：将通过步骤(3)分别加工出来的各层按照其排列次序通过焊料彼此进行粘合，以此完成整个零件的粘合处理；
(5)固熔复合熔接成形：将通过步骤(4)获得的粘合处理后的整个零件以整体的形式进行加热，以实现零件的固溶复合熔接成形，以此方式，完成整个复杂零件的增材成形。
作为进一步优选地，所述焊料优选为钎料。
作为进一步优选地，所述的各层所选用的板料相同或不同。
作为进一步优选地，所述的各层的分层厚度相同或不同。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明方法基于离散/堆积成形及分层成形原理，根据零件的形状复杂度和精度的要求以及轮廓特征，分层完成零件的粘合和熔接成形，具有成型效率高、适用性广、成本低的优点。
2.本发明根据零件各层的STL模型制定各层相应的数控指令，实现各层板料轮廓的精确加工，逐层的完成零件各层的内外轮廓的精细加工，成形精度高，且成形过程中废料少，大大的提高了材料的利用率。
3.本发明为接近于固体成形，成形过程中零件不需要进行支撑，可实现各种具有复杂形状的零件的成形，本发明采用焊材的固熔复合熔接成形，具有变形小、成形性稳定、无弧光辐射污染、劳动条件好等优点。
附图说明
图1(a)-1(e)是实心圆柱体铝合金零件的成形过程；
图2(a)-2(e)是中间有孔洞的复杂金属零件的成形过程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
一种如图1所示的适用于实心圆柱体铝合金零件的固熔复合增材成形方法，其包括如下步骤：
(1)参见图1(a)根据目标实心圆柱体铝合金零件的三维形状和尺寸建立零件CAD几何模型，提取零件的STL模型，根据零件实际的成形形状和尺寸选择分层厚度为1.5mm；参见图1(b)根据STL模型以及分层厚度，由分层切片软件以1.5mm为单位将STL模型分为5个厚度均为1.5mm的层，在本实施例中第1-3层选用铝板，第4层选用绝缘板，第5层选用铜板；
(2)提取各层的STL模型的内外轮廓点，然后基于这些内外轮廓点分别执行填充处理，由计算机根据这些轮廓点生成与各层加工相对应的数控指令；
(3)选用厚度为1.5mm的并且材料与各层相对应的成形板料作为各层的加工对象，采用切割装置按照步骤(2)生成的与各层加工相对应的数控指令，沿各层的轮廓轨迹分别对各层板料进行切割处理，由此实现各层板料的内外轮廓的加工，从而实现各层的更为精细的修整处理，具体参见图1(c)；
(4)将通过步骤(3)分别加工出来的各层按照其排列次序通过钎料彼此进行粘合，如图1(c)所示，第1-3层均为铝板，各层依次粘合，然后在第三层的上表面粘合第四层的绝缘板，最后在第四层的上表面粘合第五层的铜板，直至完成整个零件的粘合处理；
(5)参见图1(d)将通过步骤(4)获得的粘合处理后的整个零件进行加热复合(该过程根据零件实际的加工需要，可加压或不加压)，得到如图1(e)所示的固熔复合钎焊成形的实心圆柱体铝合金零件。
实施例2：
一种如图2所示的适用于中间有孔洞复杂金属零件的固熔复合增材成形方法，其包括如下步骤：
(1)参见图2(a)，根据目标零件的三维形状和尺寸建立零件CAD几何模型，提取零件的STL模型，根据零件实际的成形形状和尺寸选择分层厚度，在实际操作过程中，该分层厚度可以根据实际需要进行选择，根据零件的形状和复杂程度，每层的分层厚度可以相同或不同，其由零件的加工工艺要求决定，操作人员可以根据需要进行合理的选择与划分，本实施例中，选择各层的分层厚度均为1mm；参见图2(b)根据STL模型以及分层厚度，由分层切片软件以1mm为单位将STL模型分为多个厚度均为1mm的层，各层选用的材料由零件工艺要求决定，本实施例中的各层选用同一种板料；
(2)提取各层的STL模型的内外轮廓点，然后基于这些内外轮廓点分别执行填充处理，由计算机根据这些轮廓点生成与各层加工相对应的数控指令；
(3)选用厚度为1mm的相同的成形板料作为各层的加工对象，采用切割装置按照步骤(2)生成的与各层加工相对应的数控指令，沿各层的轮廓轨迹分别对各层进行切割处理，由此实现对各层的内外轮廓的加工，从而实现各层的更为精细的修整处理，具体参见图2(c)；
(4)将通过步骤(3)分别加工出来的各层按照其排列次序通过钎料彼此进行粘合，如图2(c)所示，直至完成整个零件的粘合处理；
(5)如图2(d)所示将通过步骤(4)获得的粘合处理后的整个零件进行加热复合(该过程根据零件实际的加工需要，可加压也可不加压)，直至完成整个零件的钎焊成形，最终得到如图2(e)所示的满足条件的目标零件。
此外，考虑到复杂形状零件内部的多余钎料难以去除，可以将通过步骤(3)分别加工出来的各层按照其排列次序先依次粘合成为多个分段粘合体，上述多个分段粘合体组合在一起正好为整个零件；将获得的多个分段粘合体分别进行加压或无压钎焊(即加热复合)，逐段的完成零件的熔接成形，然后逐段去除每段内部的多余钎料；接着将各个分段粘合体按照其排列次序依次进行粘合以形成整个零件的完整粘合成形体，最后将该完整粘合成形体再次进行加压或无压钎焊(即加热复合)，直至完成整个零件的钎焊成形，最终得到满足条件的目标零件。在上述的各个分段粘合体进行钎焊后，若精度达不到要求，可在同工位上逐段的进行机械加工，以进一步提高零件的精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建模与分层处理：根据成形零件的三维形状和尺寸建立零件CAD几何模型，提取零件的STL模型，然后根据零件的形状和尺寸选择分层厚度，利用分层切片软件以分层厚度为单位将所述的STL模型划分为多个层；
(2)对各层轮廓点的提取操作：对通过步骤(1)所划分的多个层分别提取其内外轮廓点，然后基于这些内外轮廓点分别执行填充处理，由此生成与各层加工相对应的数控指令；
(3)对零件各层的加工处理：选用厚度为各分层厚度的板料作为各层的加工对象，然后通过切割装置按照步骤(2)生成的与各层加工相对应的数控指令，分别对各个作为独立加工对象的各层板料进行切割处理，由此实现各层板料的内外轮廓的独立加工，从而实现零件各层的更为精细的加工与修整处理；
(4)粘合处理：将通过步骤(3)分别加工出来的各层按照其排列次序通过焊料彼此进行粘合，以此完成整个零件的粘合处理；
(5)固熔复合熔接成形：将通过步骤(4)获得的粘合处理后的整个零件以整体的形式进行加热，以实现零件的固溶复合熔接成形，以此方式，完成整个复杂零件的增材成形。
2.如权利要求1所述的一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法，其特征在于，所述焊料优选为钎料。
3.如权利要求1或2所述的一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法，其特征在于，所述的各层所选用的板料相同或不同。
4.如权利要求3所述的一种适用于复杂零件的固熔复合增材成形方法，其特征在于，所述的各层的分层厚度相同或不同。
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