CN115229211A - 一种零件成形方法、终端设备和增材制造*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种零件成形方法、终端设备和增材制造***，涉及增材制造技术领域，用于在增材成形的过程中及时调整增材策略，修补增材过程中出现的缺陷，提升零件增材效果。零件成形方法包括：获取零件的目标结构信息；根据目标结构信息，确定并预先存储第一增材策略；根据第一增材策略，控制成形设备进行零件的增材成形；获取零件的增材位置在增材成形过程中的成形参数；结合成形参数和目标结构信息，得到第二增材策略；根据第二增材策略控制成形设备进行零件的增材成形。终端设备包括控制模块和通信及数据处理模块。增材制造***，包括成形设备以及终端设备，成形设备与终端设备通信连接，终端设备控制成形设备成形零件。

Description

一种零件成形方法、终端设备和增材制造***

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种零件成形方法、终端设备和增材制造***。

背景技术

由于大型结构件尺寸较大，形状复杂，散热条件差异大，增材成形过程中会产生很大的热应力，导致成形的零件发生形变。不仅如此，大型结构件在增材成形过程中局部区域会存在一定塌陷，“边堆积、边塌陷”导致增材位置的尺寸误差累积，如果预设的增材程序不能及时做出调整，容易造成塌陷处的气孔、未熔合等缺陷，影响零件增材效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种零件成形方法、终端设备和增材制造***，用于在增材成形的过程中及时调整增材策略，修补增材过程中出现的缺陷，提升零件增材效果。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种零件成形方法，应用于增材制造***，增材制造***包括成形设备。零件成形方法包括：获取零件的目标结构信息；根据目标结构信息，确定并预先存储第一增材策略；根据第一增材策略，控制成形设备进行零件的增材成形；获取零件的增材位置在增材成形过程中的成形参数；结合成形参数和目标结构信息，得到第二增材策略；根据第二增材策略控制成形设备进行零件的增材成形。

采用上述技术方案时，本发明提供的零件成形方法应用于增材制造***。具体实施时，在零件的成形过程中，首先获取零件的目标结构信息，然后根据目标结构信息，确定并预先存储第一增材策略。之后，根据第一增材策略，控制成形设备进行零件的增材成形。在零件的成形过程中获取零件的增材位置的成形参数。结合成形参数和目标结构信息，得到第二增材策略。最后，根据第二增材策略控制成形设备进行零件的增材成形。如此，在零件的增材成形过程中，及时调整增材策略，修补增材过程中出现的缺陷，提升零件增材效果。

第二方面，本发明还提供一种终端设备，应用于具有成形设备的增材制造***，包括控制模块和通信及数据处理模块。控制模块用于控制成形设备成形零件。通信及数据处理模块设置有存储上述零件成形方法的存储介质，通信及数据处理模块用于接收并处理终端设备的扫描仪和摄像机输出的成形参数信号。

第二方面提供的终端设备的有益效果与第一方面所描述的零件成形方法的有益效果相同，此处不做赘述。

第三方面，本发明还提供一种增材制造***，包括成形设备以及第二方面所描述的终端设备，成形设备与终端设备的控制模块通信连接，控制模块控制成形设备成形零件。

第三方面提供的增材制造***的有益效果与第二方面所描述的终端设备的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的零件成形方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的增材制造***的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的摄像机的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的叶片的目标结构的示意图；

图5为本发明实施例提供的叶片增材成形过程中的示意图；

图6为本发明实施例提供的缺损模型的示意图；

图7本发明实施例提供的增材制造***控制框图。

附图标记：

10—成形设备，11—支架，12—摄像机，13—扫描仪，131—固定孔，

132—指示灯，133—热源，134—送丝机构，135—扫描相机，20—叶片，

30—控制模块，40—通信及数据处理模块。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

金属丝材增材制造技术按热源类型可分为3类：激光丝材增材制造、电子束丝材增材制造和电弧丝材增材制造。在电弧丝材增材制造中，等离子弧丝材增材制造(RapidPlasma Deposition，以下简称RPD)与其它电弧增材制造(WAAM)技术相比，具有电弧直径小、温度高、能量集中、电弧稳定的优点。

以等离子弧为热源的增材制造具有以下优点：(1)组织致密，最终力学性能好；(2)电弧直径小，方向性强，更容易控制零件成形尺寸；(3)弧压稳定，飞溅少，成形外观较好。等离子弧丝材增材制造是最适合生产高性能大型结构制品的增材制造工艺，在未来航空、航天、核电、石化、船舶等领域中的关键大型构件的增材制造方面具有巨大应用潜力。近年来，随着产品质量和生产效率要求的不断提高，等离子弧丝材增材制造技术逐渐向自动化、智能化方向发展。

但是对于大型结构零件的增材成形过程中存在以下技术瓶颈，包括：

(1)大型结构件增材成形过程中温度不均匀易导致变形。

由于大型结构件的形状复杂散热条件差异大，成型过程中会产生很大的热应力，从而导致增材成形的零件变形。

(2)增材过程塌陷导致误差累积。大型结构件尺寸较大，抵抗变形能力弱，等离子弧增材热量高、速度快，在增材成形过程中局部区域会存在一定塌陷。“边堆积，边塌陷”造成将要堆积的增材位置尺寸误差累积，如果预设的程序不能及时做出调整，容易造成塌陷处的气孔、未熔合等缺陷。需要研究基于轨迹实际位置的在线快速检测与跟踪补偿技术，解决大型结构件在成型过程中因塌陷变形导致缺陷的问题。

(3)大型结构件缺陷和性能差异。大型结构件增材成形过程中由于每层增材时间长和产品尺寸的差异化，导致各处温度差异产生内应力。多层堆积过程中产生冷热交替的内应力循环产生较多的热裂纹，增材路径的变化和尺寸的不同以及散热过程复杂，严重影响零件的内部组织。增材成型过程中冷速较快会形成局部与整体组织偏析且不利于氧化物的浮动从而形成夹杂合金元素的烧损使元素组成改变，导致大型结构件各处性能差异大。

鉴于此，第一方面，本发明实施例提供一种零件成形方法，应用于增材制造***，增材制造***包括成形设备10。参见图1所示，本发明实施例提供的零件成形方法包括：

步骤S100：获取零件的目标结构信息；

步骤S200：根据目标结构信息，确定并预先存储第一增材策略；

步骤S300：根据第一增材策略，控制成形设备10进行零件的增材成形；

步骤S400：获取零件的增材位置在增材成形过程中的成形参数；

步骤S500：结合成形参数和目标结构信息，得到第二增材策略；

步骤S600：根据第二增材策略控制成形设备10进行零件的增材成形。

采用上述技术方案时，本发明实施例提供的零件成形方法应用于增材制造***。具体实施时，在零件的增材成形过程中，首先获取零件的目标结构信息，示例性的，零件的目标结构信息为零件三维模型。通过零件的三维模型能够较为直观的观察零件的结构，且便于后续的切片及加工成形。建立零件三维模型的方法有两种：一种是根据零件的实际尺寸信息，通过三维建模软件进行建模，另一种是通过扫描仪扫描实物获得。实际应用中，三维软件可以为UG、ProE等能够构建零件三维模型的软件，当然三维软件的选用根据实际情况进行选择，此处只是举例说明，不作具体限定。获得零件的目标结构信息后，根据目标结构信息，确定并预先存储第一增材策略。根据零件的目标结构信息使用切片软件对模型进行切片，确定第一增材策略，并转换为stl格式文件或3mf格式文件，然后，将stl格式文件或3mf格式文件导入通信及数据处理模块40中的存储介质进行存储。根据第一增材策略，控制模块30控制成形设备10进行零件的增材成形。在零件的增材成形过程中获取零件的增材位置的成形参数。结合成形参数和目标结构信息，得到第二增材策略。最后，根据第二增材策略控制模块30控制成形设备10进行零件的增材成形。如此，在零件的增材成形过程中，及时调整增材策略，以免在零件尤其是大型结构件出现缺陷时，及时修补增材过程中出现的缺陷，提升零件增材效果。

需要说明的是，在成形设备10进行增材成形零件的过程中，实时监测增材位置的成形参数，并将所监测到的成形参数反馈给通信及数据处理模块40，通信及数据处理模块40将所接收到的成形参数与目标结构信息相同位置的成形参数进行数据比对，并对第一增材策略进行更新，得到第二增材策略。具体实施时，由于是实时监测增材位置的成形参数，因此当一个增材位置出现了缺陷，那么通信及数据处理模块40更新第一增材策略，得到第二增材策略。当成形设备10根据第二增材策略控制成形设备10进行零件的增材成形的过程中，在另一个增材位置出现了缺陷，那么通信及数据处理模块40继续更新第二增材策略，得到第三增材策略，依此类推，每当所监测到的成形参数与目标结构信息相同位置的成形参数进行数据比对，通过对比显示该增材位置出现了缺陷时，那么通信及数据处理模块40将会更新当前的增材策略，如此，能够及时调整增材策略，修补增材过程中出现的缺陷，提升零件增材效果。

在一种可能的实现方式中，成形参数包括零件的增材位置的尺寸、形状、增材路径和熔池信息。增材位置的尺寸可以为增材位置的零件的宽度、高度等。增材路径决定了增材零件的形状。示例性地，熔池信息可以包括熔池的形状、大小和深度，应理解的是，在热源133的功率确定的情况下，热源距熔覆位置的距离以及熔覆材料确定后，那么熔池的形状、大小和深度是确定的。

通信及数据处理模块40将所接收到的成形参数中的增材位置的尺寸和形状与存储介质中所存储的目标结构信息相同位置的尺寸和形状相对比，有差异时，那么通信及数据处理模块40将信号输出至控制模块30，控制模块30控制成形设备10停止工作，通信及数据处理模块40更新当前增材策略。成形参数中的增材路径和熔池信息与预设不同时，那么将影响增材位置的尺寸和形状。当通信及数据处理模块40所接收到的成形参数中的增材路径和熔池信息与预设不同时，如图7所示，控制模块30控制成形设备10停止工作。通信及数据处理模块40对当前增材策略进行更新后，控制模块30按照更新后的增材策略控制成形设备10进行零件的增材成形。

在一种可选方式中，通过扫描仪13获取零件的增材位置的尺寸和形状。扫描仪13可以为高精度尺寸扫描仪。具体实施时，如图2和图3所示，扫描仪13通过扫描仪13上的两个固定孔131固定安装在支架11上，扫描仪13可随支架11做四维运动，扫描仪13的测量精度不低于0.3mm，扫描速度10s以内，数据采集覆盖率达到100％，数据采集实时获取率达到95％，可自动、快速、高精度的识别出增材位置的尺寸和形状。另外，扫描仪13上设置有指示灯132，以显示扫描仪13是否处于正常工作状态。扫描仪13包含两个扫描相机135，利于较为全面的获取零件的增材位置的尺寸和形状。参见图7所示，扫描仪13与通信及数据处理模块40通信连接，以将所获取的增材位置的尺寸和形状信号传送至通信及数据处理模块40。

在一些实施例中，通过摄像机12获取零件的增材位置的增材路径和熔池信息。摄像机12可以为CCD等高速摄像机。具体实施时，如图2和图3所示，在本发明提供的实施例中，摄像机12的数量为两个，且两个摄像机12分别安装在支架11的两侧，以全面的获取零件的增材位置的增材路径和熔池信息。如图7所示，摄像机12与通信及数据处理模块40通信连接，以将所获取的增材路径和熔池信息反馈给通信及数据处理模块40。当通信及数据处理模块40所接收到的成形参数中的增材路径和熔池信息与预设出现偏差时，通信及数据处理模块40将输出执行错误指令至控制模块30，由控制模块30控制成形设备10停止工作，即控制模块30控制支架11、热源133、送丝机构134等停止运行。同时，通信及数据处理模块40根据所接收到的增材路径和熔池信息，得到增材路径策略和增材功率策略，从而更新第一增材策略，得到第二增材策略。重新确定增材路径和增材功率的大小，得到第二增材策略，并存储至通信及数据处理模块40的存储介质。送丝机构134即在成形的过程中，热源133将送丝机构134所输送的丝材融化，层层堆积形成零件。实际情况下，摄像机12还能够获取未融合的丝材，并将出现未融合的丝材的信号传递给通信及数据处理模块40。之后，通信及数据处理模块40将接收到的未融合的丝材的信号输送至控制模块30，控制模块30控制送丝机构134停止输送丝材，控制模块30控制热源133继续提供热量，以将未融合的丝材彻底融化。之后，控制模块30控制成形设备继续成形零件。当然，送丝机构134也可以为送粉机构，在成形的过程中，热源133将送粉机构所输送的粉末融化，堆积形成零件。

作为一种可能的实现方式，在步骤S500：结合成形参数和目标结构信息，得到第二增材策略中包括：

S510：将零件中增材位置的至少一层的尺寸和形状与目标结构信息中的增材位置的尺寸和形状进行对比确定增材位置的缺陷位置和缺陷参数；

S520：根据缺陷位置和缺陷参数，构建缺陷位置的缺损模型；

S530：对缺损模型进行分层处理，确定缺损增材策略。

具体实施时，通信及数据处理模块40接收扫描仪13的信号，并将扫描仪13所获取的零件中增材位置的至少一层的尺寸和形状与目标结构信息中的增材位置的尺寸和形状进行对比，通过软件做布尔运算，精确确定增材位置的缺陷位置和缺陷参数。然后，根据缺陷位置和缺陷参数，构建缺陷位置的缺损模型，之后，根据缺损模型，使用切片软件对缺损模型进行切片，确定缺损增材策略，并转换为stl格式文件或3mf格式文件，然后，将stl格式文件或3mf格式文件存储并输送至控制模块30。需要说明的是，第二增材策略包括缺损增材策略和零件的待成形部分的第一增材策略。根据缺损增材策略，控制模块30控制成形设备10在缺陷位置进行缺损模型的增材成形，之后，控制模块30控制成形设备10根据第一增材策略，进行零件的待成形部分的增材成形。

作为一种可选方式，将对零件中增材位置的5层至8层的尺寸和形状与目标结构信息中的增材位置的尺寸和形状进行对比，确定缺陷位置和缺陷参数，以缩短增材成形的时间，提升零件成形的效率。

第二方面，本发明实施例还提供一种终端设备，应用于具有成形设备10的增材制造***，包括控制模块30和通信及数据处理模块40。控制模块30用于控制成形设备10成形零件。通信及数据处理模块40设置有存储上述零件成形方法的存储介质，通信及数据处理模块40用于接收并处理终端设备的扫描仪13和摄像机12输出的成形参数信号。

实际情况下，通信及数据处理模块40将所接收到的成形参数中的增材位置的尺寸和形状与目标结构信息相同位置的尺寸和形状相对比，通过软件做布尔运算，精确提取出缺陷位置和缺陷参数，构建缺陷位置的缺损模型，并确定缺损增材策略，同时更新当前增材策略，并将更新后的增材策略存储至存储介质并输送至控制模块30，由控制模块30控制成形设备的增材工作。

第二方面提供的终端设备的有益效果与第一方面所描述的零件成形方法的有益效果相同，此处不做赘述。

第三方面，本发明还提供一种增材制造***，包括成形设备10以及第二方面所描述的终端设备，成形设备10与终端设备的控制模块通信连接，控制模块控制成形设备10成形零件。

第三方面提供的增材制造***的有益效果与第二方面所描述的终端设备的有益效果相同，此处不做赘述。

下面以使用本发明实施例提供的增材制造***增材成形如图4所示的叶片20为例，对本发明进行详细的说明，当然，此处只是举例说明，不作为具体限定。

首先，获取如图4所示的叶片20的目标结构信息，根据目标结构信息，使用切片软件对叶片20的模型进行切片，确定第一增材策略，并转换为stl格式文件或3mf格式文件，然后，将stl格式文件或3mf格式文件导入通信及数据处理模块40中的存储介质进行存储。之后，根据第一增材策略，控制模块30控制成形设备10进行叶片20的增材成形。在叶片20的增材成形过程中，通过扫描仪13和摄像机12获取叶片20的增材位置的成形参数，并将成形参数输送至通信及数据处理模块40。其中，成形参数包括零件的增材位置的尺寸、形状、增材路径和熔池信息，以及未融合的丝材。通信及数据处理模块40将所接收到的成形参数中的增材位置的尺寸和形状与目标结构信息相同位置的尺寸和形状相对比，有差异时，如图5和图6所示，那么通信及数据处理模块40将差异信号输送至控制模块30，控制模块30控制成形设备10停止工作。通信及数据处理模块40将扫描仪13和摄像机12采集到的云点数据转化为曲面图形，同时将所接收到的成形参数中的增材位置的尺寸和形状与目标结构信息相同位置的尺寸和形状相对比，通过软件做布尔运算，精确得出缺陷位置和缺陷参数(尺寸和形状)，根据缺陷位置和缺陷参数，构建缺陷位置的缺损模型，如图6所示。之后，根据缺损模型，使用切片软件对缺损模型进行切片，确定缺损增材策略，并转换为stl格式文件或3mf格式文件，然后，将stl格式文件或3mf格式文件导入通信及数据处理模块40。根据缺损增材策略，控制模块30控制成形设备10在缺陷位置进行缺损模型的增材成形，之后，控制模块30控制成形设备10根据第一增材策略，进行叶片20的待成形部分的增材成形。

由此可见，本发明实施例提供的增材制造***以等离子弧为热源制造大型结构件为目标，通过信号采集、数据对比、特征提取、模型重建、分层处理和缺量修补以及大型构件的等离子弧增材制造工艺的研究与开发，提升工艺稳定性、可靠性以实现大型构件低成本、高效率、高质量地生产制造。

本发明实施例提供的增材制造***能显著降低生产费用，可比传统的机加工方法节省费用达70％，并且可以大幅缩短大、中型结构制品的交货时间，可将交货时间从一年以上缩短到几个星期，而且可以拥有比相同成分的锻造合金更好的力学性能。所以，通过本专利的技术成果成功攻克现有技术难题，实现增材制造技术和装备的升级，等离子弧丝材增材将会得到广泛应用，对我国航空航天、军工设备、船舶、能源等领域的发展具有划时代的意义。

另外，本发明实施例中的通信连接方式可以为现场总线和工业以太网。总线协议可以采用ProfinetSRT、EthernetIIP、ModbusTCP、SERCOS等方式。

控制模块30可以是处理器或控制器，例如可以是中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)，通用处理器，数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本发明公开内容所描述的逻辑方框，模块和电路。处理器也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等等。存储介质可以是存储器。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种零件成形方法，其特征在于，应用于增材制造***，所述增材制造***包括成形设备；所述零件成形方法包括：

获取零件的目标结构信息；

根据所述目标结构信息，确定并预先存储第一增材策略；

根据所述第一增材策略，控制所述成形设备进行所述零件的增材成形；

获取所述零件的增材位置在增材成形过程中的成形参数；

结合所述成形参数和所述目标结构信息，得到第二增材策略；

根据所述第二增材策略控制所述成形设备进行所述零件的增材成形。

2.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，所述成形参数包括所述零件的所述增材位置的尺寸、形状、增材路径和熔池信息。

3.根据权利要求2所述的零件成形方法，其特征在于，通过扫描仪获取所述零件的所述增材位置的所述尺寸和所述形状。

4.根据权利要求2所述的零件成形方法，其特征在于，通过摄像机获取所述零件的所述增材位置的所述增材路径和所述熔池信息。

5.根据权利要求2所述的零件成形方法，其特征在于，所述结合所述成形参数和所述目标结构信息，得到第二增材策略包括：

将所述零件中所述增材位置的至少一层的所述尺寸和所述形状与所述目标结构信息中的所述增材位置的尺寸和形状进行对比，确定所述增材位置的缺陷位置和缺陷参数；

根据所述缺陷位置和所述缺陷参数，构建所述缺陷位置的缺损模型；

对所述缺损模型进行分层处理，确定缺损增材策略。

6.根据权利要求5所述的零件成形方法，其特征在于，将对所述零件中所述增材位置的5层至8层的所述尺寸和所述形状与所述目标结构信息中的所述增材位置的尺寸和形状进行对比。

7.根据权利要求5所述的零件成形方法，其特征在于，将所述零件中所述增材位置的至少一层的所述尺寸和所述形状与所述目标结构信息中的所述增材位置的尺寸和形状进行对比后，通过软件做布尔运算，确定所述缺陷位置和所述缺陷参数。

8.根据权利要求5所述的零件成形方法，其特征在于，所述结合所述成形参数和所述目标结构信息，得到第二增材策略还包括：

根据所述增材路径和所述熔池信息，得到增材路径策略和增材功率策略。

9.根据权利要求1所述的零件成形方法，其特征在于，所述零件的目标结构信息为零件三维模型。

10.一种终端设备，其特征在于，应用于具有成形设备的增材制造***，所述终端设备包括：

控制模块，用于控制所述成形设备成形零件；

通信及数据处理模块，设置有存储如权利要求1-9任一项所述的零件成形方法的存储介质；所述通信及数据处理模块用于接收并处理所述终端设备的扫描仪和摄像机输出的成形参数信号。

11.一种增材制造***，其特征在于，包括：

如权利要求10所述的终端设备；

成形设备，与所述终端设备的控制模块通信连接，所述控制模块控制所述成形设备成形零件。

Images