CN112496343B - 一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法，属于增材制造技术领域。本发明包括：根据目标零件的实际设计尺寸，进行余量补偿优化三维模型，构建适用于激光选区熔化成型的三维实体模型；根据所得三维实体模型，设计适用于目标零件的支撑结构并切片；支撑结构的设计完成后进行工艺排布，形成模型文件，将所得模型文件进行切片处理；设置激光选区熔化成型技术的工艺参数，进行一体打印成型；其中，目标零件具有空腔薄壁结构。通过所述成型方法，能够有效解决具有空腔薄壁结构的零件在一体成型过程中，容易因热应力与刮刀刮蹭容产生的缺陷，提高合格率。

Description

一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法。

背景技术

随着快速成型生产技术的需求增加和应用发展，越来越多的工业制件期以应用于快速成型生产技术中。其中，激光选区熔化成型技术(Selective Laser Melting，SLM)由于能够很好地应用于金属零件的激光3D打印技术受到高度关注，其具有加工精度高、后续几乎不需要机械加工的特点，能够用于制造出各种复杂精密金属零件，实现了结构功能一体化、轻量化，在航空航天领域有广泛应用。此外，激光选区熔化成型技术作为增材制造技术的代表，可以将多个零件一体成型，具有生产周期短、成本低等优势。

针对燃油喷嘴零件，其为具有空腔薄壁结构的复杂结构零件，该燃油喷嘴若采用传统制造方式生产，其喷嘴本体需通过长流程的锻造而成，隔热罩压型成型后需焊接到喷嘴本体上。该生产流程存在工艺流程长，生产成本高，合格率低下等缺点。但是由于上述燃油喷嘴存在空腔薄壁结构，在成型的过程中因热应力与刮刀刮蹭容易产生缺陷，容易造成生产制件废品率，降低生产效率，提高成本投入。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法。通过所述成型方法，能够有效解决具有空腔薄壁结构的零件在一体成型过程中，容易因热应力与刮刀刮蹭容产生的缺陷，提高合格率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法，包括：

1)根据目标零件的实际设计尺寸，进行余量补偿优化三维模型，构建适用于激光选区熔化成型的三维实体模型；2)根据所得三维实体模型，设计适用于目标零件的支撑结构并切片；3)支撑结构的设计完成后进行工艺排布，形成模型文件，将所得模型文件进行切片处理；设置激光选区熔化成型技术的工艺参数，进行一体打印成型；其中，目标零件具有空腔薄壁结构。

优选地，步骤2)具体包括以下步骤：

a)设计安装板部分的第一支撑结构，第一支撑结构包括网格支撑和锥形支撑；

b)设计用于防止空腔薄壁结构变形的第二支撑结构，第二支撑结构为齿状肋板；

c)设计目标零件的头部尾端与基板之间的第三支撑结构，第三支撑结构包括第一部分和第二部分；其中，第一部分为与基板连接的环形实体支撑，第二部分为与环形实体支撑及头部尾端平面相连的体型支撑；

d)设计保证空腔薄壁结构稳固的第四支撑结构，第四支撑结构为由若干个十二面体组成的结构体支撑。

进一步优选地，步骤a)中，网格支撑的网格为边长为0.8±0.1mm的正方形，锥形支撑为Ф0.5±0.1mm的圆柱。

进一步优选地，步骤b)中，齿状肋板的齿间距为0.5±0.1mm。

进一步优选地，步骤c)中，环形实体支撑的顶部具有盖板，环形实体支撑的底部具有出粉孔；体型支撑由网格支撑与锥形支撑组成。

其中，环形实体支撑的圆环厚度为1.5±0.5mm，内部为镂空设计；环形实体支撑顶部的盖板的厚度为0.5±0.2mm，盖板与基板呈60°±15°夹角，盖板最高点距基板150mm；出粉孔为半径为1.5±0.2mm的半圆型。

进一步优选地，步骤b)和步骤c)中，齿状肋板与第三支撑结构和空腔薄壁结构相连接。

进一步优选地，步骤d)中，十二面体的每个面均为菱形，菱形边长为1.5±0.5mm，菱形锐角为30°±10°，菱形钝角为120°±10°。

优选地，步骤3)中，工艺排布为一板放置6个目标零件；切片处理的切片厚度为0.04mm。

优选地，步骤3)中，激光选区熔化成型技术的工艺参数包括：激光扫描功率为285W，扫描速度为960mm/s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法，通过进行余量补偿优化三维模型得到准确的适用于激光选区熔化成型的三维实体模型，通过对所得三维实体模型进行支撑结构的设计，能够提高具有空腔薄壁结构的目标零件的加工稳定性，避免因热应力与刮刀刮蹭容产生的缺陷，通过工艺排布和切片处理，提高生产效率。因此，本发明提供了一种能够应用于具有空腔薄壁结构的一体成型方法，具有合格率高、便于操作的特点。

进一步地，本发明通过设计第一支撑结构，能够使喷嘴的安装板稳固，使零件能稳定成型，通过设计第二支撑结构，能够使喷嘴的空腔薄壁底端成型，通过设计第三支撑结构，能够使喷嘴头部尾端成型，同时减少了粉末使用量，提高了粉末利用率，通过设计第四支撑结构，能够使喷嘴的空腔薄壁结构稳定成型，防止零件因刮刀剐蹭产生孔隙、裂纹等缺陷。因此，本发明具有使空腔薄壁类零件稳定成型，减少孔隙、裂纹缺陷产生。

进一步地，本发明通过第四支撑结构镂空结构的选择，能够达到使支撑结构便于去除，提高粉末利用率的作用。

进一步地，本发明通过在第三支撑结构设计出粉孔，能够使环形实体支撑中的残留粉末便于清除，减少了粉末清除时间。

附图说明

图1是实施例中目标零件燃油喷嘴的结构示意图；

图2是实施例中网格支撑与锥形支撑的示意图；

图3是实施例中目标零件燃油喷嘴的支撑设计示意图；

图4是实施例中结构体支撑的十二面体示意图。

其中：1-空腔薄壁结构；2-齿状肋板；3-环形实体支撑；4-出粉孔；5-结构体支撑；6-体型支撑；7-盖板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

将本发明用于激光选区熔化成型技术的成型方法用于燃油喷嘴的一体化成型打印制备中，其具体实施步骤如下：

(1)根据目标零件燃油喷嘴的设计图要求，使用UG进行余量补偿，优化三维模型，构建出适用于激光选区熔化成型的三维实体模型。

(2)根据目标零件燃油喷嘴的三维实体模型中的零件结构与典型特征，设计目标零件燃油喷嘴的的支撑结构。

其中，所述设计目标零件燃油喷嘴的的支撑结构，具体包括：

a)根据目标零件燃油喷嘴的三维实体模型，设计零件的安装板部分的第一支撑结构，采用网格支撑与锥形支撑的辅助成型结构；其中，该网格支撑的网格为边长为0.8±0.1mm的正方形，锥形支撑为Ф0.5±0.1mm的圆柱，如图2所示。

b)根据目标零件燃油喷嘴的三维实体模型，设计零件的安装板部分的第二支撑结构，由于零件的杆部为空腔薄壁结构1，在激光选区熔化过程中易因热应力与刮刀刮蹭产生缺陷，因此设计了一种齿状肋板2(第二支撑结构)防止零件变形；其中，齿状肋板2如图3所示，其齿间距为0.5±0.1mm。

c)根据目标零件燃油喷嘴的三维实体模型，设计零件的安装板部分的第三支撑结构，由于喷嘴头部尾端与基板的距离约为160mm，第三支撑结构包括第一部分和第二部分。第一部分为与基板连接的支撑，此处支撑设计为环形实体支撑3；其中，环形实体支撑3的圆环厚度1.5±0.5mm，环形实体支撑3的内部为镂空设计，环形实体支撑3的顶部有一盖板7，厚0.5±0.2mm，盖板7与基板平面呈60°±15°夹角，盖板7最高点距基板平面150mm，环形实体支撑3的底部有一半圆型的出粉孔4，其半径为1.5±0.2mm。第二部分为与环形实体支撑3及头部尾端平面相连的体型支撑6，该体型支撑6由网格支撑与锥形支撑组成，如图3所示。

其中，齿状肋板2与c)中所述第三支撑结构与空腔薄壁结构1相连接。

d)为保证目标零件燃油喷嘴杆部的空腔薄壁结构1稳固，防止被刮刀刮蹭产生缺陷，因此设计了一种结构体支撑5作为第四支撑结构。结构体支撑5由数个十二面体堆砌而成，十二面体每个面均为菱形，菱形边长1.5±0.5mm，菱形锐角30°±10°，菱形钝角120°±10°，如图4所示。

(3)目标零件燃油喷嘴的支撑设计完成后，进行工艺排布，一板放置6个零件，形成模型文件。

(4)将设计完支撑的模型文件进行切片处理，每层厚度为0.04mm。

(5)在专用软件中选择激光选区熔化成型技术的打印工艺参数，目标零件实体的激光扫描功率为285W，扫描速度为960mm/s。参数选择完成后，生成打印程序。

(6)将打印程序导入激光选区熔化成型设备，使用激光选区熔化成型设备将上述零件一体打印成型。

具体地，在本发明上述具体实施例中，通过上述成型方法制造X5CC型燃油喷嘴的目标零件燃油喷嘴(其具体结构如图1所示，具有双油路与空腔薄壁结构1)，减少模具7套，生产成本降低20％，毛坯零件减重30％，生产周期缩短50％。

本方法适用于所有激光选区熔化成型设备及专业软件，具体地，在本发明的某一具体实施例中所使用的设备是德国的EOS公司生产的M290设备。

支撑对于零件的成型至关重要，它有承托粉末、减少热应力、防止零件变形等作用，具体地，在本发明的具体实施例中，不同零件及其结构需要选用的支撑不同，对应的支撑也需要一定的配适尺寸，因此，在实际应用中需要针对支撑所起到的作用不同选用的不同的参数值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于激光选区熔化成型技术的成型方法，其特征在于，包括：

1)根据目标零件的实际设计尺寸，进行余量补偿优化三维模型，构建适用于激光选区熔化成型的三维实体模型；

2)根据所得三维实体模型，设计适用于目标零件的支撑结构并切片；

3)支撑结构的设计完成后进行工艺排布，形成模型文件，将所得模型文件进行切片处理；设置激光选区熔化成型技术的工艺参数，进行一体打印成型；

其中，目标零件具有空腔薄壁结构；

步骤2)具体包括以下步骤：

a)设计安装板部分的第一支撑结构，第一支撑结构包括网格支撑和锥形支撑；

b)设计用于防止空腔薄壁结构变形的第二支撑结构，第二支撑结构为齿状肋板；

c)设计目标零件的头部尾端与基板之间的第三支撑结构，第三支撑结构包括第一部分和第二部分；其中，第一部分为与基板连接的环形实体支撑，第二部分为与环形实体支撑及头部尾端平面相连的体型支撑；

步骤c)中，环形实体支撑的顶部具有盖板，环形实体支撑的底部具有出粉孔；体型支撑由网格支撑与锥形支撑组成；

d)设计保证空腔薄壁结构稳固的第四支撑结构，第四支撑结构为由若干个十二面体组成的结构体支撑；

步骤d)中，十二面体的每个面均为菱形，菱形边长为1.5±0.5mm，菱形锐角为30°±10°，菱形钝角为120°±10°。

2.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化成型技术的成型方法，其特征在于，步骤a)中，网格支撑的网格为边长为0.8±0.1mm的正方形，锥形支撑为Ф0.5±0.1mm的圆柱。

3.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化成型技术的成型方法，其特征在于，步骤b)中，齿状肋板的齿间距为0.5±0.1mm。

4.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化成型技术的成型方法，其特征在于，环形实体支撑的圆环厚度为1.5±0.5mm，内部为镂空设计；环形实体支撑顶部的盖板的厚度为0.5±0.2mm，盖板与基板呈60°±15°夹角，盖板最高点距基板150mm；出粉孔为半径为1.5±0.2mm的半圆型。

5.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化成型技术的成型方法，其特征在于，步骤b)和步骤c)中，齿状肋板与第三支撑结构和空腔薄壁结构相连接。

6.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化成型技术的成型方法，其特征在于，步骤3)中，工艺排布为一板放置6个目标零件；切片处理的切片厚度为0.04mm。

7.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化成型技术的成型方法，其特征在于，步骤3)中，激光选区熔化成型技术的工艺参数包括：激光扫描功率为285W，扫描速度为960mm/s。

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