[發(fā)明專利]一種基于尺寸誤差補償?shù)倪B續(xù)纖維增材制造自適應(yīng)分層方法

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• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113158271A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 單忠德;陳意偉;王紹宗;吳曉川;鄒愛玲
• 申請（專利權(quán)）人: 北京機科國創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/10
• 分類號: G06F30/10;G06F30/23;G06T17/20
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本發(fā)明涉及一種基于尺寸誤差補償?shù)倪B續(xù)纖維增材制造自適應(yīng)分層方法，屬于復(fù)合材料和增材制造的交叉領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)成形材料特性、打印工藝參數(shù)和目標三維模型尺寸，計算連續(xù)纖維預(yù)浸絲材的線膨脹系數(shù)和三維模型尺寸誤差，進行誤差補償與三維模型重構(gòu)，并根據(jù)成形精度的要求以及三維模型外輪廓特征，分別計算各打印層層厚，實現(xiàn)自適應(yīng)分層。與傳統(tǒng)分層方法相比，本發(fā)明提出的基于尺寸誤差補償?shù)倪B續(xù)纖維增材制造自適應(yīng)分層方法可以有針對性的對連續(xù)纖維材質(zhì)成形制件進行三維模型尺寸誤差補償，最大限度提高成形制件尺寸精度的同時，兼顧成形制件的成形性能與成形效率，實現(xiàn)連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的高精度、高效率、高性能增材制造。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于尺寸誤差補償?shù)倪B續(xù)纖維增材制造自適應(yīng)分層方法，屬于復(fù)合材料與增材制造的交叉技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

連續(xù)纖維增強復(fù)合材料具有高比強度、高比模量等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用航空航天、汽車電子、電器醫(yī)療等行業(yè)。增材制造一種基于離散-堆積原理的三維實體快速自由成形制造新技術(shù)，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系，具有設(shè)計自由度高、材料利用率高、加工周期短、可實現(xiàn)復(fù)雜零部件一體化成形等優(yōu)勢。通過增材制造的方式成形連續(xù)纖維復(fù)合材料，解決了傳統(tǒng)成形工藝中存在成形過程復(fù)雜、手工和半自動工藝較多、模具開發(fā)周期長、制造成本高等問題，可實現(xiàn)智能化、數(shù)字化的加工和制造，提升了零件試制環(huán)節(jié)的效率。

但目前針對連續(xù)纖維增強復(fù)合材料增材制造技術(shù)尚不完善。增材制造成形過程中復(fù)合材料會經(jīng)歷多相變化，由于體積收縮而引起的尺寸誤差會影響制件的成形精度。此外由于增材制造層層疊加分層成形的特點，離散化的分層切片破壞了模型表面的連續(xù)性，丟失了中間信息，導(dǎo)致了形狀誤差和尺寸誤差。傳統(tǒng)的分層多采用等厚分層的方法，當(dāng)采用較薄的分層，尺寸與形狀誤差減小，成形精度提高，但成形效率大幅減小。當(dāng)采用較厚的分層，成形效率提高，但誤差明顯增大，成形精度降低，即傳統(tǒng)的等厚分層無法同時兼顧成形效率與成形精度。因此本發(fā)明提出了一種基于尺寸誤差補償?shù)倪B續(xù)纖維增材制造自適應(yīng)分層方法，能實現(xiàn)連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的高性能、高效率、高精度增材制造成形。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要提出一種基于尺寸誤差補償?shù)倪B續(xù)纖維增材制造自適應(yīng)分層方法，該分層方法發(fā)明根據(jù)成形材料特性、打印工藝參數(shù)和目標三維模型尺寸，獲得預(yù)浸絲材的線膨脹系數(shù)和三維模型尺寸誤差，并進行誤差補償與三維模型重構(gòu)。根據(jù)成形精度的要求以及三維模型外輪廓變化，分別計算各打印層層厚，實現(xiàn)自適應(yīng)分層，進而實現(xiàn)連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的高性能、高效率、高精度增材制造成形。

為了達到上述的目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于尺寸誤差補償?shù)倪B續(xù)纖維增材制造自適應(yīng)分層方法，該方法根據(jù)目標成形構(gòu)件的實際尺寸建立三維模型，根據(jù)成形材料特性、打印工藝參數(shù)和目標三維模型尺寸，獲得預(yù)浸絲材的線膨脹系數(shù)和三維模型尺寸誤差，并進行誤差補償與三維模型重構(gòu)。根據(jù)成形精度的要求以及三維模型外輪廓變化，分別計算各打印層層厚，最終獲得連續(xù)纖維增強復(fù)合材料高性能、高效率3D切片分層。

本發(fā)明進一步的改進在于，基于誤差補償?shù)淖赃m應(yīng)分層的具體步驟如下：

1)根據(jù)成形材料特性，計算預(yù)浸絲材的線膨脹系數(shù)；

2)根據(jù)成形樣件三維模型尺寸、打印工藝參數(shù)和步驟1)的線膨脹系數(shù)，計算成形樣件的三維尺寸誤差；

3)根據(jù)步驟2)中計算的三維尺寸誤差，對打印樣件進行尺寸誤差補償，并利用計算機輔助設(shè)計軟件進行模型重構(gòu)，獲得誤差補償后的三維模型，并將重構(gòu)的三維模型存儲為由三角面片組成STL格式文件；

4)根據(jù)成形效率和力學(xué)性能要求，輸入最大和最小分層厚度t_min和t_max，確定層厚的取值范圍；

5)根據(jù)打印樣件成形質(zhì)量的要求，輸入表面精度δ₀；