管件的增材制造方法与流程

1.本发明涉及一种管件的增材制造方法。


背景技术：

2.增材制造(additive manufacturing)技术被预测为可能引发“第三次工业革命”的关键技术之一，相比于传统加工工艺，其具有材料利用率高、设计自由度高、成形精度高、表面质量好等多重优势。根据原材料的送进形式不同，增材制造可分为基于粉末床和材料同步送进两种形式，其中粉末床式增材制造的典型代表之一是激光选区熔化(selective laser melting)技术。其主要技术原理为：将待加工的零件三维数字模型进行逐层分割，输入到成形设备中；将基板固定在成形平台上，并进行调平，利用铺粉机构(通常为刮板或粉辊)进行单层铺粉，利用一束或多束激光/电子束，对铺放好的单层粉末进行选区熔化，实现由点到线，由线到面的成形过程；待一层成形完后成形平台下降一定高度，进行下一层铺粉及选区熔化成形，最终实现了由面到体的成形过程，由此获得最终零件，特别适合于航空航天等高附加值行业。
3.现有技术中，激光选区熔化成形复杂结构零件时，根据零件局部结构特征的差异，按照一定的原则，区分出核心(core)、轮廓(contour)、表皮(skin)、上表皮(upper skin)、下表皮(down skin)等区域，其中，下表皮区域为零件中表面的法线方向与成形z轴负方向呈锐角，且距离外表面一定厚度的区域。不同区域可设置不同扫描参数，以实现最佳的成形效果。例如，针对下表皮，通常采用较低的激光功率，减少热输入，优化表面质量。对于核心，通常采用较大的层厚和激光功率，以确保较高的成形效率，同时优化内部质量。
4.发明人发现，尽管现有技术针对下表皮采取了优化表面粗糙度的工艺参数的方式，但对于管路结构，当管路内存在下表皮时，下表皮的粗糙度将会显著大于其他区域，导致了整体粗糙度大幅增加，由此可能导致工艺一致性降低、零件整体性能下降。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供管件的增材制造方法，其能够优化管路下表皮的粗糙度。
6.为实现前述目的的管件的增材制造方法，包括如下步骤：
7.设定管件的下表皮区域，所述下表皮区域沿增材制造的成形方向具有下表皮厚度；
8.在同一成形平面内，将所述下表皮区域划分为多个成形区，每个所述成形区的所处区域在所述成形方向上具有对应的下表皮厚度区间，将处于相同下表皮厚度区间内的一个或多个所述成形区设定为关联成形区组，其中，所述关联成形区组的个数为至少两个；
9.对应每一关联成形区组设定关联成形参数；
10.设定所述关联成形区组的成形路径；以及，
11.逐层打印所述管件，其中，对同一成形平面内的所述下表皮区域，按照所述成形路
径，采用所述关联成形参数依次成形所述关联成形区；
12.其中，所述成形方向为成形过程中粉末铺设的厚度方向。
13.在一个或多个实施方式中，设定管件的下表皮区域包括：
14.设定增材制造的铺粉厚度；
15.设定管件下表皮的厚度上限值；
16.选取下表皮厚度为所述铺粉厚度至所述厚度上限值之间的区域为所述下表皮区域。
17.在一个或多个实施方式中，所述关联成形参数包括：激光光斑大小、激光功率大小、扫描速度以及扫描间距。
18.在一个或多个实施方式中，所述激光光斑大小与所述下表皮厚度区间的数值大小成正比。
19.在一个或多个实施方式中，根据所述下表皮厚度区间的数值设置对应每一关联成形区组的所述关联成形参数。
20.在一个或多个实施方式中，所述关联成形区组沿所述管件的中心线对称。
21.在一个或多个实施方式中，设定所述关联成形区组的成形路径包括：
22.按照下表皮厚度区间数值从大至小的顺序依次设定所述成形路径。
23.在一个或多个实施方式中，设定所述关联成形区组的成形路径包括：
24.在同一所述关联成形区内，按照对应位置的下表皮厚度从大至小的顺序依次设定所述成形路径。
25.在一个或多个实施方式中，具有相同下表皮厚度的成形路径沿所述管件的中心线对称。
26.在一个或多个实施方式中，所述增材制造方法适用于激光选区熔化成形工艺。
27.本发明的增益效果在于：通过区域识别和梯度参数，以及优化的扫描路径，优化表面质量。当零件存在下表皮厚度不一致时，适用不同的扫描参数，有利于实现更加精确合理的熔池深度和熔池形态控制，从而优化表面质量。同时通过针对不同下表皮厚度的区域设置合适的参数，降低了管路结构下表皮区域出现的“塌陷”，改善圆孔精度，实现下表皮区域熔池深度的精确控制，避免由于下表皮区域熔池深度过大，导致管路“塌陷”进而产生的圆度变差、形位精度恶化现象，进而提升了工艺过程稳定性，提升产品一致性。
附图说明
28.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
29.图1a至1c示意性地示出了现有技术的成形过程；
30.图2为现有技术中通过激光选区熔化成形管路的成形最终效果的示意图；
31.图3示意性地说明了在现有技术的成形路径示意图；
32.图4为本增材制造方法的流程示意图；
33.图5示意性示出了本增材制造方法一个实施方式下的示意图；
34.图6a至图6c示意性的示出了本增材制造方法一个实施方式下成形过程的示意图。
具体实施方式
35.下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本技术的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
36.需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
37.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
38.文中所指的下表皮区域为零件中表面的法线方向与成形z轴负方向呈锐角，且距离外表面一定厚度的区域。
39.请先参见图1a至1c，其示意性地示出了现有技术的成形过程，图2为现有技术中通过激光选区熔化成形管路的成形最终效果。其中图1a为管路截面最后一层扫描路径，其中的扫描路径为箭头90所示意性地示出。图1b为管路截面成形完成后，首层下表皮的扫描路径，其中下表皮部分的扫描路径为箭头91a示意性地示出，下表皮以外区域的扫描路径为箭头91b示意性地示出。图1c为第二层下表皮的扫描路径，其中下表皮部分的扫描路径为箭头92a示意性地示出，下表皮以外区域的扫描路径为箭头92b示意性地示出。扫描方向转角为67
°
，下表皮区域逐步缩小，最终完全消失。图中下表皮区域与其他区域相比，设置不同扫描参数，包括扫描路径和扫描间距。
40.经由如图1a至图1c所示的扫描路径成形后的成形管路如图2所示，与理论轮廓线93相比，实际轮廓线94在管路顶部有存在塌陷和挂渣现象。
41.由于层间扫描存在转角，所以每一层扫描时，扫描方向与厚度梯度变化方向的夹角也在不断变化，当扫描方向与厚度梯度方向接近时，现有技术中的技术效果负面作用越突出。如图3示意性地说明了在现有技术当中，当扫描方向与厚度梯度方向一致时在成形管路顶部x-z平面上观察到的扫描路径，如图3中箭头95所示，其中下表皮扫描过程中，激光扫描路径跨越了管路顶部，下表皮顶部区域具有不同的厚度b1、b2、b3、b4，即意味着不同的散热条件，则会导致出现不同的熔池深度和形态。对不同的下表皮厚度区域采用相同的能量输入，会导致问题发生。当输入能量与下表皮厚度相比，能量较大时会造成熔池深度较大，穿透下表皮，出现熔透现象，造成熔池内熔池悬垂，如图2所示悬垂区域。且下表皮以下区域为金属粉末，可能造成金属粉末挂渣，使烧结、半烧结金属粉末增多，进一步恶化表面质量。
42.为解决现有技术中存在的前述问题，本发明提供了一种管件的增材制造方法，如
图4为本增材制造方法的流程示意图，图5示意性示出了本增材制造方法一个实施方式下的示意图。
43.首先执行s101：设定管件下表皮区域，其中，管件的下表皮区域沿增材制造的成形方向具有下表皮厚度，可以理解的是，在本增材制造方法中，增材制造的成形方向为增材制造的成形过程中粉末铺设的厚度方向。具体地，在一个实施方式中，增材制造产品是在基板上堆叠成形而成，若基板是平行于水平方向设置的，此时的成形方向为垂直于水平方向。
44.随后执行s102：在同一成形平面内，对下表皮区域进行区域划分。具体地，可以参见图5，在同一成形平面内，将下表皮区域1划分成为多个成形区，如图5中所示的实施方式中，将下表皮区域1划分成为5个成形区：成形区1a～1f。
45.其中，每个成形区所处的区域在成形方向上具有对应的下表皮厚度区间，具体来说，可以根据图5中所示的实施例理解：成形区1a在成形方向上具有第一下表皮厚度区间，成形区1b在成形方向上具有第二下表皮厚度区间，成形区1c在成形方向上具有第三下表皮厚度区间，成形区1d在成形方向上具有第四下表皮厚度区间，成形区1f在成形方向上具有第五下表皮厚度区间。
46.随后将处于相同下表皮厚度区间内的一个或多个成形区设定为关联成形区组，具体而言，在如图5所示的实施方式中，如成形区1a与成形区1f具有相同的厚度区间，则将成形区1a与成形区1f设定为第一关联成形区组11。如成形区1b与成形区1d设定为第二关联成形区组12。
47.其中，在本管件的增材制造方法中，关联成形区组的个数为至少两个。
48.随后执行s103：设定成形参数，具体地，在本管件的增材制造方法中，是针对每个关联成形区组设定对应地关联成形参数。
49.随后执行s104：设定成形路径，具体而言，是分别设置每个关联成形区组之间的成形顺序以及每个关联成形区组内的成形路径。
50.最后执行s105：逐层打印管件，其中，在同一成形平面内的下表皮区域，按照前述成形路径，采用前述关联成形参数依次成形所述关联成形区。
51.在增材制造方法的一个实施方式中，设定管件的下表皮区域包括：设定增材制造的铺粉厚度，设定管件下表皮的厚度上限值，以及选取下表皮厚度为所述铺粉厚度至所述厚度上限值之间的区域为所述下表皮区域。如在一个实施方式中，根据材料及层厚选择的不同，设铺粉厚度为d
n
，厚度上限值为d，此时的下表皮区域为下表皮厚度在d
n
至d之间的区域。如此设置，成形区划分的一个实施方式如下，如在同一成形平面内，按照下表皮厚度从大到小的顺序，将可以下表皮区域识别划分为n个(n＞1)成形区：
52.成形区n：(n-1)*d
n
＜下表皮厚度≤n*d
n
53.成形区n-1：(n-2)*d
n
＜下表皮厚度≤(n-1)*d
n
54.……
55.成形区1：0＜下表皮厚度≤1*d
n
56.在增材制造方法的一个实施方式中，关联成形参数包括：激光光斑大小、激光功率大小、扫描速度以及扫描间距，其中，在一个实施方式中，不同扫描参数可以使用单激光束或多激光束完成。
57.在增材制造方法的一个实施方式中，当成形区的宽度小于5倍光斑直径时，则将该
成形区与其相邻的成形区合并组合，分区组合可以按照厚度进行均匀组合或者非均匀组合，组合后得到的区域间应当增加区域搭接区，选用0.1～1倍光斑大小或扫描间距。一方面，通过组合能够实现每个成形区均能得到充分的烧结成形，另一方面，通过区域组合可减小烧结参数的复杂程度。在一个实施方式中，当成形区的数量过多时，也可以将相邻的成形区合并组合。需要强调的是，尽管成形区进行合并获得了扫描区域，但对于宽度大于1倍光斑直径的成形区，其在扫描区域内的扫描路径顺序应当保留，不应当在合并完成扫描区域后，丢失合并前的成形区的识别信息。
58.在增材制造方法的一个实施方式中，激光光斑大小与下表皮厚度区间数值大小成正比，即下表皮厚度区间数值大小越大，所选用的激光光斑大小也越大。
59.在增材制造方法的一个实施方式中，是根据下表皮厚度区间的数值来对应设置每一关联成形区组的关联成形参数，即针对具有不同厚度下表皮厚度区间的关联成形区组，选用不同的关联成形参数，而该关联成形参数的选择是与该不同厚度有关。
60.在增材制造方法的一个实施方式中，关联成形区组是如图5所示地沿管件的中心线对称，如此设置能够保证具有相同下表皮厚度区间的成形区被配对为关联成形区组，从而实现针对每一成形区采用合适的成形参数。
61.在增材制造方法的一个实施方式中，设定关联成形区组的成形路径是按照下表皮厚度区间数值从大至小的顺序依次设定所述成形路径，即先对下表皮厚度区间数值大的关联成形区组进行成形，再对下表皮厚度区间数值小的关联成形区组进行成形，如此设置可以保证成形参数的调节具有连续性，从而保证了成形的效率。
62.在增材制造方法的一个实施方式中，设定所述关联成形区组的成形路径包括：在同一所述关联成形区内，按照对应位置的下表皮厚度从大至小的顺序依次设定所述成形路径，即在同一所述关联成形区内，先对对应位置的下表皮厚度大的区域进行成形，再对对应位置的下表皮厚度小的区域进行成形。在一个实施方式中，具有相同下表皮厚度的成形路径沿所述管件的中心线对称，从而能够保证具有相同下表皮厚度的区域是采用相同的成形路径以及参数进行成形，能够减少现有技术中的如粉末挂渣等缺陷。
63.在增材制造方法的一个实施方式中，增材制造方法是适用于激光选区熔化成形工艺。
64.本增材制造方法是根据管路下表皮特征，通过区域识别和梯度参数，以及优化的扫描路径，优化表面质量。当零件存在下表皮厚度不一致时，适用不同的扫描参数，有利于实现更加精确合理的熔池深度和熔池形态控制，从而优化表面质量。同时通过针对不同下表皮厚度的区域设置合适的参数，降低了管路结构下表皮区域出现的“塌陷”，改善圆孔精度，实现下表皮区域熔池深度的精确控制，避免由于下表皮区域熔池深度过大，导致管路“塌陷”进而产生的圆度变差、形位精度恶化现象，进而提升了工艺过程稳定性，提升产品一致性。
65.以下通过具体的实施例来阐述本增材制造方法的实施过程。
66.实施例1
67.实施例1采用激光选区熔化成形gh4169管路零件，航空发动机gh4169零件含有管路结构，其中管路内部直径为2mm，管路长度45mm，零件其他结构特征在本实施例中不进行阐述。请结合参见图6a至6c。
68.首先，设定管件下表皮区域，并对下表皮区域进行区域划分。采用激光选区熔化成形技术加工，选用成形铺粉层厚为20μm。设置下表皮厚度区域为0.12mm，当前层厚为20μm，下表皮区域总厚度为6个层厚。为了减少复杂程度，按照下表皮区域厚度分为3个区域。其中区域a下表皮厚度为0～20μm，区域b为下表皮厚度为20～60μm，区域c厚度为60～120μm。
69.经过计算，第一层下表皮区域，各区域范围如下表所示：
[0070][0071]
随后，针对每个关联成形区组设置对应的成形参数。根据分区，确定扫描参数如下表：
[0072][0073]
随后，设定成形路径，请具体参见图6a至图6c。如图6a所示，针对首层下表皮区域，烧结顺序为：区域a(其中小区域内烧结顺序为
①→②→③→④→⑤→⑥→⑦
)
→
区域b
→
区域c。各区域内同样按照下表皮的厚度梯度方向，由大厚度向小厚度区依次烧结。
[0074]
首层下表皮区域烧结完毕后，如图6b所示，随着厚度上升，下表皮区域逐步缩小，此时针对第2层下表皮区域，烧结顺序为：区域d
→
区域e。
[0075]
最后，如图6c所示，针对最后一层下表皮区域剩余为区域f，继续烧结成形，从而得到成形完毕的管件。
[0076]
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。