一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法，获取修改后的待成形零件模型：确定待成形零件模型的摆放方向，针对成形方向对待成形零件模型进行修改重构，在机加工余量结构和基板之间增设抑制开裂特征结构，得到修改后的待成形零件模型；抑制开裂特征结构为设有特定壁厚的实体板材结构；对修改后的待成形零件模型进行参数设置，得到设置好的切片模型；根据设置好的切片模型实现结构件成形；结构件增材制造成形。本发明专利技术通过在模型中设置含有应力释放孔的抑制开裂特征结构，应力释放孔在成形过程中会预先开裂，释放了应力，而不影响目标实体结构，可有效保证目标实体结构不开裂。体结构不开裂。体结构不开裂。

【技术实现步骤摘要】
一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法


[0001]本专利技术涉及金属增材制造
，尤其涉及一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术适用于高性能轻合金材料，并可成形复杂一体化结构，轻量化效果卓越并带来了显著收益，在航空航天、生物医疗、新能源交通领域得到了广泛应用。增材制造技术基于“逐层累加”的思想，对于轻合金材料如镁、钛、铝等合金均具有很好的成形适配性，材料利用率高，可用于复杂一体化结构的成形。
[0003]激光增材制造过程中快速复杂的热循环通常会使金属构件有较大内应力，萌生微裂纹，部分微裂纹在后续制造过程中扩展成宏观裂纹。若打印的结构件尺寸较大（成形幅面尺寸＞200 mm
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200 mm），打印时间通常较长（通常超过20 h），热累积严重，打印件一直处于较高温度，在凝固热应力的作用下极容易产生裂纹。另一种裂纹是在激光打印结束后，金属材料在冷却过程中不断收缩，高能激光束的周期性循环加热致使材料内部的残余应力不断积累，进而导致应力集中，产生的一种冷裂纹。
[0004]现有研究表明，模型结构、摆放方式是导致增材制造结构件形成裂纹的重要因素，通过对模型进行针对性修改，设置合适的摆放位置，优化成形工艺参数能有效预防成形过程中裂纹的形成。
[0005]中国专利（申请号CN202110736020.5，名称为“一种大尺寸零件激光选区熔化成形方法”）提出了一种适用于大尺寸零件的激光选区熔化成形方法，通过三维模型余量设计、添加复合支撑、施加成形预热、降低能量输入及优化扫描策略等措施，对成形过程中的温度梯度、应力应变等影响产品成形质量、尺寸精度、变形开裂的因素进行控制，获得高精度的激光选区熔化制件。但该方法仅考虑添加了余量结构以及设计了特殊的支撑，对大幅面成形件效果有效，同时没考虑到主动释放应力以消除裂纹的方法。
[0006]中国专利（申请号CN202011368031.4，名称为“一种降低开裂敏感性的激光增材制造方法”）提出了一种通过预置内应力和畸变能、并协同耦合激光同步热处理，实现短流程便捷实现大型钛合金增材制造构件的无开裂一次性连续成形的激光增材制造方法。但该方法仅优化了工艺参数，而没有考虑到模型修改以降低开裂风险。
[0007]现有针对激光选区熔化成形的方法主要集中在激光工艺参数的优化，但是仅修改激光工艺参数很难完全抑制裂纹的生成，同时在一定程度上会牺牲成形效率，针对主动修改模型以实现大成形幅面零件无裂纹成形的相关研究仍较为匮乏。

技术实现思路

[0008]专利技术目的：针对现有技术中仅对激光工艺参数进行优化，但是难以抑制裂纹生成且降低成形效率的缺陷，本专利技术公开了一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法，通过在模型中设置含有应力释放孔的抑制开裂特征结构，应力释放孔在成形过程中会
预先开裂，释放了应力，而不影响目标实体结构，可有效保证目标实体结构不开裂。
[0009]技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术公开以下技术方案。
[0010]一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法，包括以下步骤：步骤一、获取修改后的待成形零件模型：根据目标结构件形状，确定用于该目标结构的待成形零件模型的摆放方向，所述待成形零件模型包括基板、目标实体结构和机加工余量结构，其中，在基板上根据成形方向由下自上依次设置机加工余量结构和目标实体结构，目标实体结构即为目标结构件；针对成形方向对待成形零件模型进行修改重构，在机加工余量结构和基板之间增设抑制开裂特征结构，得到修改后的待成形零件模型；抑制开裂特征结构为设有特定壁厚的实体板材，机加工余量结构和基板之间除了抑制开裂特征结构外均为中空结构；步骤二、对修改后的待成形零件模型进行参数设置，得到设置好的切片模型：将修改后的待成形零件模型导入到系统切片软件中，对修改后的待成形零件模型进行切片分层、工艺参数、扫描策略设置，得到设置好的切片模型；步骤三、根据设置好的切片模型实现结构件成形：将设置好的切片模型导入到SLM成形设备中，完成SLM成形的准备工作后进行成形直至按照修改后的待成形零件模型设计的结构件成形完毕；步骤四、结构件后处理加工：成形完毕的结构件连基板取出后立刻进行热处理，热处理结束后进行线切割、机加工，去除各种后续添加的用于抑制开裂的结构，最终得到该目标结构件。
[0011]优选地，所述步骤一中，抑制开裂特征结构均匀分布有应力释放孔。
[0012]优选地，所述抑制开裂特征结构壁厚为2
‑
4 mm，应力释放孔直径为2
‑
5 mm。
[0013]优选地，所述步骤一中，抑制开裂特征结构在机加工余量结构和基板之间呈现回字形或十字形分布的薄壁结构。
[0014]优选地，所述步骤一中，修改后的待成形零件模型边角处外沿出凸台结构，凸台结构底部通过圆角过渡方式与基板顶部齐平，凸台结构顶部不高于抑制开裂特征结构的顶部；凸台结构与基板接触处设有应力释放孔。
[0015]优选地，所述凸台结构在步骤四中通过机加工方式去除。
[0016]优选地，所述步骤二中，扫描策略采用棋盘格方式的分区扫描，棋盘格单个方格边长设置为抑制开裂特征结构壁厚的一半，格间重叠0.05
‑
0.07 mm。
[0017]优选地，所述步骤四中，机加工用于去除抑制开裂特征结构和机加工余量结构。
[0018]有益效果：（1）本专利技术通过在模型中设置含有应力释放孔的抑制开裂特征结构，应力释放孔在成形过程中会预先开裂，释放了应力，而不影响目标实体结构，可有效保证目标实体结构不开裂；（2）本专利技术可以有效优化模型的摆放方式，模型可以以其最大幅面的方式摆放成形，而不必考虑会产生的开裂，有效提高了效率；（3）本专利技术简化了后续的模型支撑添加操作，同时使模型优化角度更加明确，结合后续的机加工操作可以实现模型较高尺寸精度的成形。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的修改后的待成形零件模型结构示意图；图2为本专利技术的处理流程图；图3为本专利技术的抑制开裂特征结构沿模型底面回字形分布图；图4为本专利技术的抑制开裂特征结构沿模型底面十字形分布图；图5为本专利技术实施例的不含基板的待成形零件模型结构示意图；图6为本专利技术实施例的待成形零件模型结构示意图；其中，1为基板，2为抑制开裂特征结构，3为机加工余量结构，4为目标实体结构，5为应力释放孔，6为凸台结构。
具体实施方式
[0020]以下结合附图和实施例对本专利技术的一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法做进一步的解释和说明。
[0021]如附图1和附图2所示，一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法，包括以下步骤：步骤一、获取修改后的待成形零件模型：根据目标结构件形状，确定用于该目标结构的待成形零件模型的摆放方向，所述待成形零件模型包括基板1、目标实体结构4和机加工余量结构3，其中，在基板1上根据成形方向由下自上依次设置机加工余量结构3和目标实体结构4，目标实体结构4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取修改后的待成形零件模型：根据目标结构件形状，确定用于该目标结构件的待成形零件模型的摆放方向，所述待成形零件模型包括基板（1）、目标实体结构（4）和机加工余量结构（3），其中，在基板（1）上根据成形方向由下自上依次设置机加工余量结构（3）和目标实体结构（4），目标实体结构（4）即为目标结构件；针对成形方向对待成形零件模型进行修改重构，在机加工余量结构和基板（1）之间增设抑制开裂特征结构（2），得到修改后的待成形零件模型；抑制开裂特征结构（2）为设有特定壁厚的实体板材，机加工余量结构和基板（1）之间除了抑制开裂特征结构（2）外均为中空结构；步骤二、对修改后的待成形零件模型进行参数设置，得到设置好的切片模型：将修改后的待成形零件模型导入到系统切片软件中，对修改后的待成形零件模型进行切片分层、工艺参数、扫描策略设置，得到设置好的切片模型；步骤三、根据设置好的切片模型实现结构件成形：将设置好的切片模型导入到SLM成形设备中，完成SLM成形的准备工作后进行成形直至按照修改后的待成形零件模型设计的结构件成形完毕；步骤四、结构件后处理加工：成形完毕的结构件连基板取出后立刻进行热处理，热处理结束后进行线切割、机加工，最终得到该目标结构件。2.根据权利要求1所述的一种消除大幅面结构件成形裂纹的激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中，抑制开裂特征结构（2）均匀分布有应力释放孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕非，周军，高雪松，肖猛，刘东涛，武艳美，唐一峰，
申请(专利权)人：安徽中科春谷激光产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：