[發明專利]快速精鑄樹脂原型內腔尺寸優化設計方法

有效

• 申請號: 201310379365.5
• 申請日: 2013-08-27
• 公開（公告）號: CN103440379A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 朱繼宏;李清;谷小軍;張亞輝;侯杰;高歡歡;張衛紅
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及一種快速精鑄樹脂原型內腔尺寸優化設計方法。

背景技術

基于樹脂基快速原型的精密快速鑄造技術，在制造工程中不需要模具和工裝，大大降低了單件制造的成本和周期，而且獲得的鑄件尺寸精確度高，表面粗糙度低。在航空、航天、汽車等領域的復雜零部件制造方面具有顯著的優勢?？焖勹T造技術也存在著如樹脂成本高、燒蝕難度大等問題，其中亟待解決的是樹脂受熱膨脹導致的型殼開裂問題。

參照圖1。文獻1“Hague,R.,D’Costa,G.and?Dickens,P.M.(2001),Structural?design?and?resin?drainage?characteristics?of?QuickCast2.0,Rapid?Prototyping?Journal,Vol.7No.2,pp.66-72”公開了一種基于光固化快速成型的精密鑄造樹脂內腔設計方法。由于快速成型中的樹脂既不同于消失模中的塑料汽化模，又不同于熔模鑄造中的蠟模。光固化樹脂原型材料比一般模料強度高、剛性好，熱膨脹系數比精鑄的型殼1材料高一個量級，在焙燒過程中極易導致型殼的脹裂。所以文獻1將樹脂原型外殼2抽殼，樹脂原型內腔3用規則蜂窩結構填充，達到緩和型殼應力和保證樹脂原型剛度的目的，并給出了三種不同的內腔設計構型。

文獻2“Gu?X.J.,Zhu?J.H.,Zhang?W.H.,The?lattice?structure?configuration?design?for?stereolithography?investment?casting?pattern?using?topology?optimization.Rapid?Prototyping?Journal.2012,18(5):353-361”公開了一種應用拓撲優化實現樹脂原型內腔創新構型優化設計方法，同時考慮樹脂原型對型殼產生的應力和樹脂原型本身的剛度，達到應力和剛度設計的最佳匹配，能更好地保證型殼的尺寸精確度。

文獻1公開的方法通過改變不同的內腔填充樣式的（如三角形，四邊形），來達到降低型殼應力的目的，該方法雖然認識到改變樹脂原型內腔可以緩和型殼應力，但是該方法并沒有針對不同的樹脂原型的形狀，提供不同的解決方案，即該方法沒有考慮樹脂原型的形狀；文獻2公開的方法雖然考慮了模型的形狀，即根據不同的樹脂原型形狀，定義拓撲優化問題，最終設計出獨特的內腔填充結構，但是該方法的局限性在于其拓撲優化過程過于復雜，適應性不強，優化的結果需要CAD重構；其方法也不能應用現有快速成型模型處理軟件中的填充樣式；其內腔填充結構非單胞形式，現有軟件不宜處理。

發明內容

為了克服現有精鑄樹脂原型內腔尺寸優化設計方法設計的型殼尺寸精確度差的不足，本發明提供一種快速精鑄樹脂原型內腔尺寸優化設計方法。該方法通過建立幾何模型、有限元模型以及尺寸優化模型，進行尺寸優化迭代。根據樹脂原型內腔尺寸優化結果，重構CAD模型，形成內腔構型，再用光固化快速成型機直接制作樹脂原型。該方法以現有的單胞填充樣式為基礎，將組成單胞的結構的尺寸根據不同的模型進行尺寸優化，使得該模型的型殼應力最小。通過尺寸優化方法，可以針對于每一種不同的原型結構，設計不同的內腔構型。又能應用現有軟件中的單胞構型樣式進行處理。同時也考慮了樹脂模型的剛度，達到應力和剛度設計的最佳匹配，可以更好地保證型殼的尺寸精確度。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種快速精鑄樹脂原型內腔尺寸優化設計方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、先將樹脂原型的CAD模型抽殼，抽殼厚度為0.2mm-2mm；將抽殼之后的CAD模型內部使用單胞構型填充。單胞采用梁單元，將組成單胞的梁單元的截面半徑定義為設計變量。在樹脂原型模型的外表面建立厚度為6mm-10mm的型殼。

步驟二、將建好的幾何模型采用自由網格劃分有限元網格，定義為PartA。將樹脂原型的有限元單元復制，移動大于樹脂模型最大尺寸的距離，刪去型殼對應的有限元網格，定義為PartB。根據使用的材料類型，分別定義型殼材料和樹脂材料的楊氏模量、泊松比和熱膨脹系數。

在做好的樹脂原型表面要涂掛漿料和砂料，使PartB模型外表面承受均布的壓力載荷，然后對型殼進行焙燒，焙燒過程中，對PartA施加一個60℃的恒溫場。

步驟三、根據建立的有限元模型，樹脂原型內腔單胞梁單元的截面半徑為設計變量，將PartA和PartB中樹脂原型的梁單元一一對應，即：