一种提高增材制造零件精度的方法技术

本发明专利技术属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种提高增材制造零件精度的方法，其包括以下步骤：根据待加工零件XOY、XOZ和YOZ的截面信息，将零件整体和每一层切片进行区域划分，大部分区域划分为主要区域，带有特殊形状结构的部位划分入次要区域；根据零件整体和每一层的区域划分，使用非均匀层厚和非均匀扫描间距对其进行划分扫描填充，其中使用较大层厚和较大间距划分和扫描填充主要区域，使用较小层厚和较小间距划分和扫描填充次要区域。本发明专利技术的方法优化了增材制造技术在成形带有特殊零件时的精度，包括尺寸精度、形状精度，克服了增材制造技术在特殊结构处形状的失真，且保证了成形效率。

【技术实现步骤摘要】
一种提高增材制造零件精度的方法
本专利技术属于增材制造
，更具体地，涉及一种提高增材制造零件精度的方法，其能够提高增材制造零件的尺寸精度和形状精度。
技术介绍
增材制造技术(AdditiveManufacturing，简称AM)在近年来得到的迅速发展，该技术是基于离散-堆积原理，采用材料逐渐累加的方法制造实体零件，即依据计算机上的零件三维设计CAD模型，利用软件按照一定层厚对其Z方向(XOZ面和YOZ面)进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓图(XOY面)，并按照这些轮廓图进行扫描填充成形，逐步顺序叠加成三维零件，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。AM技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。然而，目前在实际增材制造过程中，通常选用同一层厚以及扫描间距，造成零件的精度不高，特别是结构复杂的零件。对于零件，增材制造成形之后其精度不仅是指尺寸精度，还包括形状精度。对于一些复杂的、特殊的结构，如倾斜结构、尖角等，如果采用固定分层厚度和扫描间距，将不仅会因造成成形尺寸的偏差，还可能导致造成特殊形状的失真以及台阶效应导致较差的表面粗糙度等问题，加大后处理工作量。目前国内外已经就增材制造零件的精度已经开展了一系列研究，并提出了一些提高精度和表面质量的方法。从扫描方式方面进行优化，比如专利(ZL201610141354.7)通过将轮廓填充与实体填充分开，分别用不同的功率以及扫描速度进行扫描填充，在保证致密度前提下来提高精度。专利(ZL201410678815.5)采用条带式分区或者棋盘式分区方法，同时沿工件实际轮廓线向内或向外偏离1mm以内的轮廓线进行扫描。上述方法只是提高了零件的表面质量，零件的尺寸和形状精度并没有改善。另外，专利(ZL201510478131.5)从三维图像处理方面着手，采用三维数字修正模拟来降低成形误差，该方法只是解决了图形方面的误差，并没有解决实际制造过程中存在的误差。英国谢菲尔德大学Vora等人(AlSi12in-situalloyformationandresidualstressreductionusinganchorlessselectivelasermelting)和德国DamienBuchbinder等人(Investigationonreducingdistortionbypreheatingduringmanufactureofaluminumcomponentsusingselectivelasermelting.JournalofLaserApplications)分别使用预热粉床和预热基板的方法来减少了制造过程中的残余应力，从而减少了零件的翘曲，提高了零件的形状精度，但是光栅填充带来的形状精度问题并没有解决。意大利Calignano,F.等人(Designoptimizationofsupportsforoverhangingstructuresinaluminumandtitaniumalloysbyselectivelasermelting)采用添加和优化零件支撑的方法对其形状精度进行改进，加大了制造工作量，去除支撑也增加了后处理的工作量，使得成形效率降低。除此以外，工程上还常采用小层厚和小扫描间距进行加工，以获得高的成形精度，但是该方法降低了成形效率，难以被推广应用。为了提高成形零件的表面质量和不降低成形效率，得过EOS公司则采用core+thin技术，即将零件分成中心区域和边沿区域，中心区域采用大层厚、大能量输入，边沿区域则采用小层厚、小能量输入。这种方法可以大幅度提高成形零件的侧面表面质量，但是无法提高其形状精度和高度方向的尺寸精度。由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种提高增材制造零件精度的方法，使其能够避免复杂结构零件在制造时存在的特殊形状的失真以及台阶效应导致较差的表面粗糙度等问题，提高复杂结构零件的形状精度和高度方向的尺寸精度。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种提高增材制造零件精度的方法，采用可变式非均匀填充间距和层厚对工件进行切片分层填充，利用较大的扫描间距和层厚对零件大部分区域进行分层扫描加工，利用较小的扫描间距和层厚对零件带有特殊结构的小部分区域或者缺失的区域进行分层扫描加工，确保成形零件的形状精度以及尺寸精度。解决现有技术中零件成形零件高度方向尺寸精度和特殊形状精度较差的问题，在维持激光成形过程的效率的同时，提高了成形零件的形状精度和尺寸精度，减少了后处理工作量，提高了成形质量和成品率。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种提高增材制造零件精度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1.建立待加工零件的结构模型，将其结构模型放置于由X、Y和Z轴构成的三维坐标系中，将待加工零件的由下至上的加工方向定义为Z轴正方向；S2.将待加工零件以平行于X0Z截面或者YOZ截面进行切割划分为多个纵向图层，根据待加工零件每个纵向图层的形状信息，将每个纵向图层划分为若干个主要区域Ⅰ和若干个次要区域Ⅱ，根据待加工零件的加工精度要求，按照预先设定的层厚将每个纵向图层中的主要区域Ⅰ和次要区域Ⅱ分别进行切片分层；S3.将待加工零件沿垂直于Z轴方向，以步骤S2中划分好的层厚来进行切片分层，得到待加工零件中平行于XOY截面的每一横向图层的形状信息，将每一横向图层划分为主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ，根据零件的加工精度要求，按照预先设定的扫描间距将主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ划分成若干区间；S4.根据步骤S2和S3中划分得到的图层的厚度和扫描间距，逐个填充每个横向图层中的区间，并从下至上逐层加工每个横向图层，最终加工制造出待加工零件。进一步优选地，在步骤S2中，将每个纵向图层中带有特殊形状的结构划分进次要区域Ⅱ中，其它部分划分到主要区域Ⅰ中。较多的比较试验表明，将特殊形状的结构划分至次要区域进行精细划分，能够提高特殊结构部分的加工的精度。优选地，在步骤S2中，对每个纵向图层进行切片分层时，采用不同的层厚分别对主要区域Ⅰ和次要区域Ⅱ进行切片分层，所述主要区域Ⅰ中的层厚大于次要区域Ⅱ中的层厚。比较多的比较测试表面，使用较大的层厚对主要区域进行切片分层加工，能够保证零件成形效率；而使用较小的层厚对次要区域进行切片分层加工，能够优化待加工零件的成形精度。进一步优选地，在步骤S2中，设定待加工零件每个纵向图层中的主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的高度值为H，固定的层厚值为T0，N为主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ分层后的层数，根据公式a.当T余为0时，所述主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的层数为N层，每层的层厚为T0；b.当T余不为0时，所述主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的层数为N+1层，其中N层的层厚为T0，第N+1层的厚度为T余。具体地，当T余不为0时，图层信息会丢失，丢失图形高度为T余数值的大小。因此，针对这种情况下图层信息不完整时进行优化，将工件次要区域最后一次使用特殊的切片层厚，切片层厚为余数大小T余，能够保证待加工零件Z方向上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高增材制造零件精度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1.建立待加工零件的结构模型，将该结构模型放置于由X、Y和Z轴构成的三维坐标系中，将待加工零件的由下至上的加工方向定义为Z轴正方向；S2.将待加工零件以平行于X0Z截面或者YOZ截面进行切割划分为多个纵向图层，根据待加工零件每个纵向图层的形状信息，将每个纵向图层划分为若干个主要区域Ⅰ(1)和若干个次要区域Ⅱ(2)，根据待加工零件的加工精度要求，按照预先设定的层厚将每个纵向图层中的主要区域Ⅰ(1)和次要区域Ⅱ(2)分别进行切片分层；S3.将待加工零件沿垂直于Z轴方向，以步骤S2中划分好的层厚来进行切片分层，得到待加工零件中平行于XOY截面的每一横向图层的形状信息，将每一横向图层划分为主要区域Ⅲ(3)和次要区域Ⅳ(4)，根据零件的加工精度要求，按照预先设定的扫描间距将主要区域Ⅲ(3)和次要区域Ⅳ(4)划分成若干区间；S4.根据步骤S2和S3中划分得到的图层的厚度和扫描间距，逐个填充每个横向图层中的区间，并从下至上逐层加工每个横向图层，最终加工制造出待加工零件。

【技术特征摘要】
1.一种提高增材制造零件精度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1.建立待加工零件的结构模型，将该结构模型放置于由X、Y和Z轴构成的三维坐标系中，将待加工零件的由下至上的加工方向定义为Z轴正方向；S2.将待加工零件以平行于X0Z截面或者YOZ截面进行切割划分为多个纵向图层，根据待加工零件每个纵向图层的形状信息，将每个纵向图层划分为若干个主要区域Ⅰ(1)和若干个次要区域Ⅱ(2)，根据待加工零件的加工精度要求，按照预先设定的层厚将每个纵向图层中的主要区域Ⅰ(1)和次要区域Ⅱ(2)分别进行切片分层；S3.将待加工零件沿垂直于Z轴方向，以步骤S2中划分好的层厚来进行切片分层，得到待加工零件中平行于XOY截面的每一横向图层的形状信息，将每一横向图层划分为主要区域Ⅲ(3)和次要区域Ⅳ(4)，根据零件的加工精度要求，按照预先设定的扫描间距将主要区域Ⅲ(3)和次要区域Ⅳ(4)划分成若干区间；S4.根据步骤S2和S3中划分得到的图层的厚度和扫描间距，逐个填充每个横向图层中的区间，并从下至上逐层加工每个横向图层，最终加工制造出待加工零件。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，将每个纵向图层中带有特殊形状的结构划分进次要区域Ⅱ(2)中，其它部分划分到主要区域Ⅰ(1)中。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，对每个纵向图层进行切片分层时，采用不同的层厚分别对主要区域Ⅰ(1)和次要区域Ⅱ(2)进行切片分层，所述主要区域Ⅰ(1)中的层厚大于次要区域Ⅱ(2)中的层厚。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，设定待加工零件每个纵向图层中的主要区域Ⅰ(1)或次...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海红，张珞，李祥友，曾晓雁，胡志恒，刘家赫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42