[發明專利]一種帶有隨形支撐的激光選區熔化成形薄壁零件的變形控制方法

有效

• 申請號: 201710003709.0
• 申請日: 2017-01-04
• 公開（公告）號: CN108372298B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 李懷學;胡全棟;黃柏穎;鞏水利
• 申請（專利權）人: 中國航空制造技術研究院
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y30/00
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本發明涉及一種帶有隨形支撐的激光選區熔化成形薄壁零件的變形控制方法，其在現有的激光選區熔化成形支撐添加的基礎上，分析、預測大型薄壁結構件在成形過程中的應力變形行為，根據型面結構特征，在不同位置處添加不同隨形支撐的設計方法，通過隨形添加支撐結構的手段控制底部等不同位置處激光選區熔化成形過程中的開裂、變形等問題，有效的提高了成形過程的穩定性，保證了成形結構件質量的可靠性。

技術領域

本發明涉及一種帶有隨形支撐的激光選區熔化成形薄壁零件的變形控制方法，屬于薄壁零件成形技術領域。

背景技術

隨著我國大型運輸機、先進戰機、高推重比發動機等航空航天國家重大武器裝備項目相繼立項，許多關鍵結構均大量采用復雜型腔薄壁構件，利用傳統技術加工時制造周期長，嚴重滯礙型號的嚴峻研制任務；更甚者，面對飛行器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工藝加工，因此無法滿足飛機器的性能或功能要求。

激光選區熔化成形技術是一種基于離散堆積成形思想的先進制造技術，該技術主要通過專用軟件對零件3D模型進行分層，獲得各截面的掃描數據后，利用激光高能束逐層選擇性熔化預置金屬粉末，直接制造出任意復雜形狀的三維實體零件。激光選區熔化成形技術可實現復雜型腔、空間點陣及其它異型結構的無模、快速響應制造，可大幅減少制造工序、縮短生產周期，尤其在金屬復雜結構件的成形方面占有明顯優勢，可實現材料－結構－功能一體化設計和制造，提供了一種快速響應和精確制造的快速驗證先進技術，在航空航天、核工業、兵器等現役型號技術升級具有廣闊的應用前景。

復雜薄壁結構的激光選區熔化成形技術成形是較多3D打印結構件中的重要組成部分，然而，因復雜薄壁結構的特殊性及加工過程的典型性，在較大規格的薄壁零件的激光選區熔化成形過程中極易發生底部開裂、形面扭曲變形等問題，如何解決加工過程中的開裂變形問題，成為制約薄壁零件成形成功與否的重要問題。

經文獻檢索分析及大量試驗研究發現，采用添加輔助支撐結構的方式可以有效的控制成形過程中的開裂及變形問題，在工程實踐中，對于大尺寸薄壁結構，如何根據其結構的特點，添加合適的支撐結構，從而既能保證成形過程中開裂及變形的控制，又能最簡化后續支撐的去除，是大型復雜薄壁零件激光選區熔化成形支撐的設計的主要所在。

近年來，激光選區熔化成形技術迅速發展，成為航空航天等領域的研究熱點，目前，小型簡易薄壁零件的激光選區熔化成形已日漸成熟，但對于較大尺寸薄壁零件的制造過程，仍面臨著如下難點和問題：

(1)由于激光選區熔化成形是一個熱量不斷積累的過程，在大尺寸薄壁零件的激光選區熔化成形加工過程中極易發生局部應力集中，尤其是在底部區域，隨著成形過程的進行，底部出現發生開裂現象，嚴重時會導致成形過程的中斷。

(2)在預置粉末時，鋪粉刮刀對粉末起到壓實作用的同時，還可去除成形零件的局部微凸起，當去除局部微凸起時，刮板對已成形的結構件會有較大程度的作用，對于厚度較小的薄壁零件會發生嚴重變形，使得本層已熔化的截面嚴重偏離原定范圍，因此在下一層的熔化成形時會出現掃描截面層與上層成形截面位置偏差較大的現象，在此稱之為挫層現象。

(3)對于大型直板型薄壁結構在成形過程中，由于其結構過于簡單化，隨著成形高度的增加，隱于成形艙室粉末內部已成形的薄壁結構容易因為堆積粉末力的作用的不均勻性而發生累積的位移偏差，從而導致成形的薄壁結構存在型面扭曲變形現象。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明是在現有的激光選區熔化成形支撐添加的基礎上，分析、預測大型薄壁零件在成形過程中的應力變形行為，通過隨形添加支撐結構的手段控制底部等不同位置處激光選區熔化成形過程中的開裂、變形等問題，有效的提高了成形過程的穩定性，保證了成形結構件質量的可靠性。本發明屬于一種大型薄壁結構采用激光選區熔化成形增材制造技術手段加工時，為釋放制造過程應力、提高零件散熱、控制成形過程變形的支撐添加方法，該方法可適用大型薄壁結構的激光選區熔化成形，同時也可用于大型薄壁結構電子束選區熔化成形。