一种基于力流引导的高性能增材制造方法技术

本发明专利技术涉及一种基于力流引导的高性能增材制造方法，该方法包括如下步骤：(1)基于零件的几何制造特征和力流特征，将待制造零件的三维模型划分为多个建造区域，并确认各建造区域相应的建造方向；(2)规划所划分的多个建造区域的建造顺序；(3)根据各建造区域的建造方向进行分层切片，同时生成各分层切片上相应的刀轨分布；(4)根据确定的建造区域、建造方向、建造顺序和刀轨分布完成增材制造。与现有技术相比，本发明专利技术综合优化增材制造过程的建造方向、多向建造、刀轨分布等因素，有效消除增材制造的层间各向异性以及层内各向异性对增材制造零件机械性能的减益影响，实现零件的高性能增材制造。

【技术实现步骤摘要】
一种基于力流引导的高性能增材制造方法
本专利技术涉及一种增材制造方法，尤其是涉及一种基于力流引导的高性能增材制造方法。
技术介绍
随着增材制造(Additivemanufacturing,AM)技术由制造“原型”向制造“零件”转变，其诉求重点已由“几何”转向“性能”。以熔融沉积制造(Fuseddepositionmodeling,FDM；或Fusedfilamentfabrication,FFF)为代表的挤出式增材制造(Extrusion-basedadditivemanufacturing,EAM)，其熔融丝材从线到面、从面到体的材料沉积制造过程(1D→2D→3D)造成了线与线之间(层内)以及面与面之间(层间)较差的抗拉与抗剪强度，这种方向上的性能差异(或称性能的方向依赖性)即所谓的各向异性，对零件机械性能有直接而重要影响。相关研究表明，零件在建造方向(Build-updirection,BD)的强度相对于水平方向其抗拉性能相差约25-75％左右；依据零件受力分析对零件打印刀轨(挤出路径)优化可使其强度提高20-45％以上，而通常EAM零件强度只能达到材料强度的25-50％左右。目前，通过特殊的工艺设计减小各向异性，或采用相互正交的刀轨来达到材料性能的准各向同性(quasi-isotropy)，或优化工艺参数，或采用性能更优越的新材料(如在ABS中添加碳纤维)等做法虽然对改善零件的机械性能起到一定作用，但并不从根本上改变EAM与生俱来的各向异性的本质。与试图减小各向异性(认为各向异性是缺点)的做法不同，事实上利用各向异性的实例在工程界(如复合材料)和自然界(植物纤维)普遍存在，如果能使零件的各向异性与其在应用时所承受的载荷工况相协调匹配，则这种各向异性反倒可能会成为一种相对优势，从而极大提升增材制造零件的机械性能。经过对现有技术文献的检索发现，从本质上解决增材制造各向异性导致的零件机械性能低下的问题，需要考虑到特定受力下的力流(主应力轨迹线)的分布，主要从改善建造方向与刀轨方面入手。(1)EAM零件机械性能与建造方向：现有研究表明，EAM零件的强度及延展性等性能很大程度上取决于所施加载荷的方向，垂直于建造平面的单向拉伸试样其强度和平行于建造平面的试样相差达50％左右。根据零件的受力情况优化建造方向，如使建造方向与拉应力正交等可以提升零件的机械性能。M.Taufik等人在其《Roleofbuildorientationinlayeredmanufacturing:Areview》(InternationalJournalofManufacturingTechnologyandManagement,2013,27(1/2/3):47-73)一文中，介绍到了不同的建造方向对零件力学性能的影响，其中得到了与拉应力方向一致的最佳建造方向。但对于具有复杂几何特征的零件，单一的建造方向不过是折中的最优化，不能满足所有特征的最优化。故该文中还提到了一种将不同的几何特征分开制造以满足各自的最优建造方向，再组合为整体的方法。但该方法仅考虑几何特征并未考虑特定受力情况，同时，这与增材制造可制造任意复杂几何形状的零件的初衷相违背。并且以上提及方法都未考虑层内(丝材之间)各向异性的优化问题。I.B.Ishak等人在其《Robotarmplatformforadditivemanufacturingusingmultiplanetoolpaths》(ASME2016InternationalDesignEngineeringTechnicalConferencesandComputersandInformationinEngineeringConference,2016.)一文中介绍了其通过机械臂驱动打印机头实现多个建造方向的增材制造方法，实现了多向建造；C.Wu等人在其《Robofdm:Aroboticsystemforsupport-freefabricationusingFDM》(IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,2017)也应用到了机械臂的多向建造技术，同时考虑到了随之而来的干涉问题，提出了平面在小角度内的挠动以避免干涉的方法，但以上方法都仅以几何特征为考虑，未考虑提升零件机械性能，以及刀轨(层内各向异性)问题。(2)EAM零件机械性能与刀轨：层内丝材的位置与走向极大影响零件的机械性能，不同的刀轨样式带来不同的性能表现。随机生成的刀轨无法满足零件的机械性能。传统的刀轨生成主要基于零件的几何信息，大多采用均匀同构样式，层与层之间刀轨正交以克服各向异性，并未考虑零件应用时的受力。C.Klahn等人在其《Designguidelinesforadditivemanufacturedsnap-fitjoints》(ProcediaCIRP,2016,50:264-269)一文中以卡扣类零件为例，研究了在特定受力状态下刀轨的最佳分布方向；C.M.Al等人在其《Improvingthestrengthofadditivelymanufacturedobjectsviamodifiedinteriorstructure》(InternationalConferenceofGlobalNetworkforInnovativeTechnologyandAwamInternationalConferenceinCivilEngineering,2017)一文中以标准拉伸件为对象，比较根据应力场设计刀轨与传统填充方式刀轨所制造样件的机械性能，发现沿应力方向设计的打印轨迹所表现出来的力学性能优于其它传统样式，其拉伸强度最大可提高45％左右。但对于具有复杂几何特征的零件，受限于传统3轴EAM只能生成单一平面刀轨，无法实现刀轨与在受力情况下的复杂应力分布特征相适应。通过对目前的一些方法和技术的分析，可以发现，每种方法都有其局限性，均未能综合考虑建造方向(分层)、多向建造、刀轨分布等各个方面全面通过力流引导解决增材制造的机械性能低下的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于力流引导的高性能增材制造方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于力流引导的高性能增材制造方法，该方法包括如下步骤：(1)基于零件的几何制造特征和力流特征，将待制造零件的三维模型划分为多个建造区域，并确认各建造区域相应的建造方向；(2)规划所划分的多个建造区域的建造顺序；(3)根据各建造区域的建造方向进行分层切片，同时生成各分层切片上相应的刀轨分布；(4)根据确定的建造区域、建造方向、建造顺序和刀轨分布完成增材制造。步骤(1)具体为：(11)采用特征识别技术识别零件的几何制造特征，基于几何制造特征对零件建造区域进行初步划分；(12)依据单个建造区域总体受力方向一致或大体一致的原则，基于有限元分析得到的应力场对零件建造区域初步划分结果进行二次划分与合并；(13)遵循建造区域划分边界应避开应力集中区域的原则，对二次划分与合并结果进行第三次划分与合并，将应力集中区域并入相邻区域；(14)依据区域建造方向应与应力张量中最大拉应力方向正交的原则，确定各个建造区域的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于力流引导的高性能增材制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)基于零件的几何制造特征和力流特征，将待制造零件的三维模型划分为多个建造区域，并确认各建造区域相应的建造方向；(2)规划所划分的多个建造区域的建造顺序；(3)根据各建造区域的建造方向进行分层切片，同时生成各分层切片上相应的刀轨分布；(4)根据确定的建造区域、建造方向、建造顺序和刀轨分布完成增材制造。

【技术特征摘要】
1.一种基于力流引导的高性能增材制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)基于零件的几何制造特征和力流特征，将待制造零件的三维模型划分为多个建造区域，并确认各建造区域相应的建造方向；(2)规划所划分的多个建造区域的建造顺序；(3)根据各建造区域的建造方向进行分层切片，同时生成各分层切片上相应的刀轨分布；(4)根据确定的建造区域、建造方向、建造顺序和刀轨分布完成增材制造。2.根据权利要求1所述的一种基于力流引导的高性能增材制造方法，其特征在于，步骤(1)具体为：(11)采用特征识别技术识别零件的几何制造特征，基于几何制造特征对零件建造区域进行初步划分；(12)依据单个建造区域总体受力方向一致或大体一致的原则，基于有限元分析得到的应力场对零件建造区域初步划分结果进行二次划分与合并；(13)遵循建造区域划分边界应避开应力集中区域的原则，对二次划分与合并结果进行第三次划分与合并，将应力集中区域并入相邻区域；(14)依据区域建造方向应与应力张量中最大拉应力方向正交的原则，确定各个建造区域的建造方向。3.根据权利要求1所述的一种基于力流引导的高性能增材制造方法，其特征在于，步骤(2)具体为：(21)建立表示各建造区域之间相互连接的拓扑关系的无向图G，零件的每一建造区域Di在无向图G中对应一个节点，而无向图G中的一条边则表...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉，陈子谦，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31