超气冷叶片双层壁硅基陶瓷型芯分区光固化成型方法与流程

本发明涉及航空发动机精密铸造用陶瓷型芯光固化增材制造领域，尤其涉及超气冷叶片双层壁硅基陶瓷型芯分区光固化成型方法。

背景技术：

1、超气冷叶片内部通常设置双层壁、微孔、狭窄流道及连接结构，以满足复杂冷却通道的成形需求。硅基陶瓷型芯可用于形成上述内部结构，光固化增材制造则能够根据型芯三维模型逐层形成陶瓷坯体，因而适用于薄壁和复杂内腔结构的整体制造。现有光固化成型过程中通常依据浆料标定结果为同一切片或整件型芯设置统一曝光参数，并通过轮廓偏置补偿固化展宽。

2、但是，硅基陶瓷浆料中的陶瓷颗粒会对入射光产生吸收、散射和遮挡，不同壁面、悬空段及连接根部的传播路径和邻层透射条件并不相同。统一曝光参数容易使外壁及开阔区域的固化宽度增加，造成壁厚偏大、微孔缩小或流道堵塞，同时又可能使内壁、连接自由段和悬空区域的固化深度不足，导致层间搭接不足、局部开裂、塌陷或内外壁位置偏移。

3、现有的单侧轮廓补偿或单一区域曝光增强通常独立处理某一壁面，未将微孔或狭窄流道两侧实体边界对同一负空间的散射剂量叠加纳入共享约束，因而在补足一侧搭接剂量时仍可能侵入相对壁面之间的目标净空，也缺少在剩余内腔剂量预算耗尽后由能量补偿切换至几何补偿的控制机制。

4、因此，需要一种能够解决上述现有技术不足的超气冷叶片双层壁硅基陶瓷型芯分区光固化成型方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出超气冷叶片双层壁硅基陶瓷型芯分区光固化成型方法，针对现有技术采用统一曝光参数时外壁及开阔区域过度固化、内壁和悬空区域固化不足，以及相对壁面散射叠加侵入微孔或狭窄流道的问题，提出了以分区切片数据构造成对边界单元、基于浆料光学标定参数建立三维剂量影响矩阵、在同一成对边界单元内设置共享剂量上限和剩余剂量预算、并在附加剂量超过预算时由曝光量补偿切换为轮廓法向位移、附加曝光区域收缩或像素重分配几何补偿的技术方案。本发明能够在满足实体核心区固化和层间搭接要求的同时限制内腔保护区的累计剂量，并通过基础曝光掩膜与补充曝光掩膜执行逐层分区曝光，从而兼顾双层壁尺寸、层间完整性和内腔通畅性。

2、本发明提供了超气冷叶片双层壁硅基陶瓷型芯分区光固化成型方法，包括：

3、s1、获取型芯三维模型及硅基陶瓷浆料光学标定参数，对所述三维模型进行分层切片，并按照切片几何特征划分实体成型区与内腔保护区，得到分区切片数据；

4、s2、基于所述分区切片数据，在内腔保护区的相对两侧确定实体边界，生成包含目标净空、两侧目标壁厚及相邻层结构变化的成对边界单元；

5、s3、基于所述光学标定参数建立候选曝光像素对成对边界单元两侧实体核心带、层间搭接带及内腔保护带的三维剂量影响矩阵，对同一成对边界单元设置共享内腔保护剂量约束并确定剩余剂量预算，得到剂量约束数据；

6、s4、基于所述剂量约束数据求解受剩余剂量预算约束的分区曝光参数，并在以曝光量补偿层间搭接剂量不满足所述共享内腔保护剂量约束时切换至几何补偿，得到成对边界控制参数；

7、s5、基于所述成对边界控制参数生成基础曝光掩膜和补充曝光掩膜，逐层执行分区曝光获得型芯坯体，并经清洗、脱脂和烧结获得双层壁硅基陶瓷型芯。

8、可选的，s1包括：将当前切片的实体连通分量分别与上一切片和下一切片进行投影交叠，得到层间连通标记；

9、计算相连实体连通分量的投影面积差绝对值与两者投影面积之和的比值，得到面积变化率；

10、依据所述层间连通标记、所述面积变化率与预设面积变化阈值，将切片实体域划分为外壁承载区、内壁承载区、微细连接根部区以及连接自由段或悬空区，并将由实体边界围成且目标宽度不大于预设内腔宽度阈值的切片负空间域划分为微孔保护区或狭窄流道保护区，所述目标宽度为所述三维模型中对应负空间截面的设计净空尺寸，所述实体成型区包括各切片实体域分区，所述内腔保护区包括所述微孔保护区和所述狭窄流道保护区；

11、进一步的，在步骤s1之前，采用与所述硅基陶瓷浆料相同的材料制备壁厚标定试样和孔道标定试样，对所述壁厚标定试样和所述孔道标定试样依次执行所述清洗、脱脂和烧结，获得壁厚方向烧结收缩率和孔道方向烧结收缩率；

12、根据所述壁厚方向烧结收缩率修正所述两侧目标壁厚，根据所述孔道方向烧结收缩率修正所述目标净空，并以修正后的两侧目标壁厚和目标净空执行步骤s1至步骤s5。

13、可选的，s2包括：在所述微孔保护区或所述狭窄流道保护区的边界上按照预设弧长间距选取边界采样点，计算各边界采样点指向负空间内部的局部法向，在边界曲率不连续处以相邻两个边界采样点的局部法向矢量和确定当前局部法向；

14、沿当前局部法向及其反向，分别选取与同一负空间连通分量相邻的首个实体边界交点，将两个实体边界交点配对为相对实体边界；

15、当局部法向矢量和为零或任一方向不存在所述实体边界交点时，在相邻边界采样点之间插入新的边界采样点并重新搜索；

16、根据两个实体边界交点之间的距离、两个实体边界交点各自至对应壁体外侧边界的距离、边界曲率以及相邻切片中对应边界交点的位置变化量，生成所述成对边界单元。

17、可选的，s3包括：通过对所述硅基陶瓷浆料进行不同照度和曝光时长的单层曝光标定，确定临界固化能、深度穿透参数和侧向展宽参数；

18、以候选曝光像素的照度与曝光时长的乘积作为入射剂量，根据所述深度穿透参数确定入射剂量沿成型深度方向的衰减量，根据所述侧向展宽参数确定入射剂量在切片平面内的扩散量，并结合所述三维模型对传播路径的遮挡关系，计算各候选曝光像素对实体核心带、层间搭接带和内腔保护带内各体素的剂量贡献，构成所述三维剂量影响矩阵；

19、进一步的，所述实体核心带由相对实体边界向实体内部偏置第一带宽形成，所述层间搭接带由当前切片实体域与相邻切片实体域的投影交叠区域按照第二带宽截取得到，所述内腔保护带由两个相对实体边界之间的负空间按照保护带宽截取得到；

20、所述第一带宽根据两侧目标壁厚和曝光像素尺寸确定，所述第二带宽根据切片层厚和深度穿透参数确定，所述保护带宽根据目标净空和侧向展宽参数确定；

21、将共享剂量上限设为临界固化能与安全系数的乘积，其中所述安全系数大于零且小于一；

22、根据所述三维剂量影响矩阵，以两侧实体核心带各体素的累计剂量达到临界固化能且内腔保护带各体素的累计剂量均不超过所述共享剂量上限为约束，求解初始基础曝光像素集合及各像素的初始曝光剂量；

23、将内腔保护带内各体素累计剂量的上界值作为所述内腔保护带的标量剂量，已曝光相邻层的透射曝光采用对应曝光记录计算，待曝光相邻层的透射曝光采用对应切片的计划曝光参数计算，不存在相邻层的一侧的透射曝光贡献取零；

24、以所述共享剂量上限减去所述初始曝光剂量与相邻层透射曝光在内腔保护带内产生的标量剂量，得到与所述共享剂量上限量纲相同的剩余剂量预算。

25、可选的，s4包括：预先采用与所述硅基陶瓷浆料、切片层厚及曝光条件相同的标定试样执行相邻层叠加曝光标定，得到相邻层叠加曝光标定结果；

26、将所述相邻层叠加曝光标定结果中满足预设层间结合载荷阈值的累计剂量边界值确定为搭接剂量下限；

27、计算所述搭接剂量下限与层间搭接带当前累计剂量之差，得到搭接剂量缺口；

28、根据所述三维剂量影响矩阵，分别计算用于补足两侧搭接剂量缺口的候选曝光增量，并将各候选曝光增量在同一内腔保护带内各体素产生的附加累计剂量的上界值作为标量附加剂量；

29、将所述标量附加剂量不超过所述剩余剂量预算的候选曝光增量确定为允许曝光增量，并根据所述允许曝光增量增加对应区域的曝光强度或曝光时间；

30、进一步的，当用于补足任一侧搭接剂量缺口的标量附加剂量超过所述剩余剂量预算时，切换至补偿回退分支，并按照下列方式中的至少一种重新求解：在两侧目标壁厚允许偏差限定的范围内将对应实体轮廓向实体内部进行法向位移；

31、缩小补充曝光掩膜在所述内腔保护带边界邻域内的覆盖范围；

32、按照候选曝光像素对内腔保护带的剂量影响系数升序重新分配附加剂量；

33、每次执行任一回退动作后，若实体轮廓或补充曝光掩膜的覆盖范围发生变化，则更新受影响的成对边界单元、实体核心带、层间搭接带、内腔保护带及所述三维剂量影响矩阵的对应条目，并在任一情况下重新计算所述搭接剂量缺口和所述剩余剂量预算；

34、当实体核心带的累计剂量达到临界固化能、层间搭接带的累计剂量达到搭接剂量下限且内腔保护带的标量剂量不超过共享剂量上限时，生成包含两侧允许曝光增量、轮廓位移量和掩膜范围的所述成对边界控制参数；

35、当轮廓位移达到目标壁厚允许偏差边界、无候选曝光像素可供重新分配或重新求解次数达到预设迭代次数上限时，将当前切片标记为不可成型状态，停止下发当前切片的曝光掩膜，并返回步骤s1调整切片层厚或分区边界。

36、可选的，s5包括：将所述初始基础曝光像素集合及各像素的初始曝光剂量写入所述基础曝光掩膜，将所述实体成型区中位于内侧壁面或形成连接自由段或悬空段的区域所对应的搭接剂量补偿部分、所述实体成型区中形成微细连接根部的区域所对应的搭接剂量补偿部分以及内腔保护带边界的几何补偿部分分别写入对应的补充曝光掩膜；

37、为各曝光掩膜赋予灰度值、照度、曝光时长和轮廓位移量，并按照基础曝光掩膜在先、补充曝光掩膜在后的顺序对同一切片执行曝光；

38、进一步的，在完成当前切片曝光后，记录各曝光掩膜的灰度值、照度和曝光时长，获取当前固化层的轮廓测量数据，将所述轮廓测量数据与当前切片的目标轮廓进行配准，得到壁厚偏差和净空偏差；

39、根据所述壁厚偏差、所述净空偏差和已记录的曝光参数修正当前切片对下一切片产生的透射曝光标量剂量，并以修正后的透射曝光标量剂量替换下一切片预算计算中对应的计划曝光估计值。

40、本发明的有益效果是：

41、1、通过把微孔或狭窄流道两侧实体边界构造成共享控制的成对边界单元，并对位于两侧之间的内腔保护带设置共同剂量上限，可在求解两侧曝光参数时计及散射剂量叠加，减少相对壁面分别补强造成的净空侵入。

42、2、通过以共享剂量上限扣除基础曝光和相邻层透射曝光得到剩余剂量预算，并依据附加剂量是否超过所述预算在曝光量增加与几何补偿之间切换，可在补足内壁、连接根部及悬空段层间搭接剂量的同时限制微孔缩小和狭窄流道堵塞。

43、3、通过将求解结果分解为基础曝光掩膜和针对不同成型区域的补充曝光掩膜，并为各掩膜配置曝光与轮廓位移参数，可把分区剂量约束转化为逐层可执行的成型控制，改善双层壁壁厚一致性、层间连接完整性及烧结后内腔保持性。