[發(fā)明專利]一種基于粉末床金屬微單元結(jié)構(gòu)特定選區(qū)熔化成形方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611184600.3
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN108372297B
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃柏穎;胡全棟;李懷學;蘇亞東
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空制造技術(shù)研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00;B22F3/105;B33Y10/00;B33Y50/02
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本發(fā)明公開了一種基于粉末床微單元結(jié)構(gòu)特定選區(qū)熔化成形方法，在基于粉末床的選區(qū)熔化增材制造成熟工藝基礎(chǔ)上，針對微單元結(jié)構(gòu)的特點，進行特殊選區(qū)熔化增材制造掃描路徑設(shè)計，采取“內(nèi)推輪廓掃描線”的掃描填充設(shè)計方式，對微單元結(jié)構(gòu)進行切片分層、掃描路徑處理；所述“內(nèi)推輪廓掃描線”的掃描填充設(shè)計方式，即根據(jù)輪廓線掃描路徑方式，在輪廓線內(nèi)部設(shè)定一定距離的掃描間距后，填充與輪廓線相同的掃描路徑，以此類推，直至在內(nèi)部無法再填充掃描線為止。本發(fā)明保證了成形過程無變形、內(nèi)部組織無缺陷，有效提高成形過程的穩(wěn)定性，提高整體結(jié)構(gòu)件的成形質(zhì)量，為該類結(jié)構(gòu)在航空航天武器裝備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于選區(qū)熔化增材制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于粉末床金屬微單元結(jié)構(gòu)特定選區(qū)熔化成形方法。

背景技術(shù)

在眾多復雜結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部往往含有較多微小結(jié)構(gòu)單元，以下統(tǒng)稱為“微單元結(jié)構(gòu)”，其掃描橫截面區(qū)域小于1mm×1mm，或是更小，該類結(jié)構(gòu)十分精細，可利用基于粉末床的選區(qū)熔化增材制造技術(shù)實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的成形研制。

基于粉末床的增材制造技術(shù)是一種基于離散堆積成形思想的先進制造技術(shù)，無需模具，通過把零件3D模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級薄層，以激光或電子束為熱源，根據(jù)每層輪廓信息逐層熔化金屬粉末，直接制造出任意復雜形狀的零件，其原理如圖1所示。

利用激光/電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)無模、快速響應(yīng)的制造技術(shù)特點，可實現(xiàn)復雜型腔、空間點陣及其它異型結(jié)構(gòu)成形研制，可大幅減少制造工序、縮短生產(chǎn)周期，尤其在金屬復雜結(jié)構(gòu)件的成形方面占有明顯優(yōu)勢，可實現(xiàn)材料－結(jié)構(gòu)－功能一體化設(shè)計和制造。特別適合曲面型腔、懸空薄壁以及變截面等復雜結(jié)構(gòu)制造，無需數(shù)控加工，僅需熱處理和表面光整零件即可，在汽車、飛機、航空航天等其它領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，各種復雜結(jié)構(gòu)的相繼大量采用新型設(shè)計結(jié)構(gòu)，而許多新型設(shè)計結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)技術(shù)加工時，制造周期長，更有甚者，面對各種復雜結(jié)構(gòu)件越來越嚴苛的各項性能要求，許多新型復雜零部件根本無法利用傳統(tǒng)工藝加工，因此無法滿足結(jié)構(gòu)性能或功能技術(shù)要求。

新型設(shè)計結(jié)構(gòu)的引入，使得一個結(jié)構(gòu)中通常含有較多復雜設(shè)計因素，其中許多設(shè)計結(jié)構(gòu)中通常含有許多微單元結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)單個掃描橫截面積較小，在進行激光選區(qū)熔化成形時，因結(jié)構(gòu)的典型性，使得該類微單元結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量的可靠性及穩(wěn)定性成為該類結(jié)構(gòu)研究的重點。其中，比較典型的結(jié)構(gòu)為空間點陣夾芯結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有較多微小單元，且單個橫截掃面積均小于1mm×1mm。

經(jīng)文獻檢索分析，國內(nèi)外對基于粉末床的微單元結(jié)構(gòu)的制備尚無較多研究，尤其是該類微單元結(jié)構(gòu)的成形過程應(yīng)力變形控制方法文獻較少，如何實現(xiàn)基于粉末床微單元結(jié)構(gòu)制備過程中的應(yīng)力變形控制，最終實現(xiàn)該類結(jié)構(gòu)的工程化研制及應(yīng)用，成為目前航空航天武器裝備研究的研究熱點。

近年來，增材制造技術(shù)迅速發(fā)展，基于粉末床的選區(qū)熔化成形工藝更是成為航空航天等領(lǐng)域的研究熱點，相對于已日漸成熟的實體結(jié)構(gòu)的增材制造成形，基于粉末床微單元結(jié)構(gòu)的激光/電子束選區(qū)熔化成形制造過程，仍面臨著如下難點和問題：

經(jīng)大量試驗研究中發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的激光選區(qū)熔化成形工藝進行微單元結(jié)構(gòu)的成形研制時，在利用現(xiàn)有工藝進行掃描路徑設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，在微單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在掃描填充線缺少或不完整現(xiàn)象，如圖2所示，因此無法保證成形過程的穩(wěn)定性及成形質(zhì)量的可靠性。本發(fā)明就是針對含有該類微單元結(jié)構(gòu)的復雜結(jié)構(gòu)采用基于粉末床的增材制造技術(shù)工藝加工時，為保證成形過程無變形、內(nèi)部組織無缺陷，提高內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量，提出一種針對微單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部掃描路徑設(shè)計方法，該方法還適用于含有該類微單元結(jié)構(gòu)的其它結(jié)構(gòu)件的增材成形，同時還可用于其它復雜結(jié)構(gòu)的增材制造成形。

發(fā)明內(nèi)容