一种面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法技术

本发明专利技术涉及一种面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，具体步骤包括：S1、准备薄壁曲面模型；S2、构建填充单胞体；S3、对薄壁曲面模型进行曲度分析并优化填充方向：对步骤S1中的薄壁曲面结构进行薄壁截面的曲度分析，结合单胞体的短边填充向量n

【技术实现步骤摘要】
一种面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，特别是涉及一种面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法。

技术介绍

[0002]增材制造技术是一种通过材料的层层堆积进而完成零件制造的增量化制造技术，在成形复杂曲面结构方面比传统加工技术具有更高的加工效率，目前重点应用于航空航天、生物医疗、汽车零部件制造等领域。其层层堆积的特殊加工特性使增材技术在多孔结构的精密制造上具有独特优势，可成形微米级的孔隙特征零件。
[0003]多孔结构的表达方法目前主要分为三类：离散体素表达、参数化表达、隐式函数表达。离散体素表达通过三维空间中规整体素网格上的密度分布形成多孔结构，几何模型的多孔结构通过离散的点值来表达，主要应用在拓扑优化领域；隐式函数法可定义多孔模型任意一点值，以数学函数表达现有的多种多孔单元，利用函数组合的方式构建拥有多种复合构型的多孔结构；参数化表达方法是一种主流的CAD建模方法，其具备一些集成的参数化几何原型(例如球、柱、长方体、梁单元等)，基于这些基本单元可以进行多孔单元的构建并表示多孔结构。目前，参数化多孔模型构建存在以下缺陷：参数化的表达方式使得多孔单元组合后包含较多冗余的几何数据，只能对简单的模型进行多孔布尔运算。薄壁曲面类多孔结构在口腔引导骨再生等领域应用广泛，一般具有复杂的曲面和1mm以下的薄壁，其参数化多孔模型难以通过布尔运算进行构建，且薄壁的特性使多孔薄壁曲面类结构的晶胞完整度低、结构强度低，使得多孔薄壁曲面类结构难以加工。
专利技术内容
[0004]基于此，本专利技术提供一种面向增材制造的薄壁曲面多孔零件设计方法，解决激光选区熔化薄壁曲面多孔结构加工难的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，包括如下步骤：
[0007]S1、准备薄壁曲面模型：进行薄壁曲面模型建模或使用三维扫描获得实体模型；
[0008]S2、构建填充单胞体：根据薄壁曲面结构的性能需求设计多孔填充单胞体，并结合制造工艺参数库，完成填充单胞体的参数模型构建，分析单胞体的边界矩形，确定单胞的短边填充向量n
h
；
[0009]S3、对薄壁曲面模型进行曲度分析并优化填充方向：对步骤S1中的薄壁曲面结构进行薄壁截面的曲度分析，结合单胞体的短边填充向量n
h
优化并确定填充方向；
[0010]S4、构建薄壁曲面多孔模型：构建以单胞体为多孔单元的空间点阵结构，修正晶胞点阵的几何线面关系，基于填充方案通过布尔交集运算对薄壁曲面模型进行多孔构建；
[0011]S5、增材制造：使用激光选区熔化技术，导入薄壁曲面多孔模型后基于小Z轴高度的原则摆放，以薄壁曲面多孔模型的支撑类型为锥形，设置加工激光功率、光斑直径、切片
厚度、锥形支撑参数，完成增材制造。
[0012]优选的，在步骤S1中，所述薄壁曲面模型的薄壁曲面厚度为0.4mm～1.0mm。
[0013]优选的，在步骤S1中，所述薄壁曲面模型的各处薄壁曲面厚度保持一致。
[0014]优选的，在步骤S1中，所述薄壁曲面模型使用STL文件格式的三角面片网格进行表达。
[0015]优选的，在步骤S2中，所述分析单胞体的边界矩形，确定单胞的短边填充向量n
h
，具体为对单胞体的各边界矩形进行尺寸分析，确定具有最短特征尺寸的边界矩形，边界矩形最短边的方向向量为所述短边填充向量n
h
。
[0016]优选的，在步骤S3中，曲度分析和优化填充方向的具体步骤如下：
[0017]a、分析薄壁曲面结构的薄壁截面，根据单胞填充间距等距截取曲边上的点，以各点法向向量n
t
进行曲边截面的曲度表征；
[0018]b、对于单个单胞体，使其边界矩形最短边的方向向量n
h
与曲边的法向向量n
t
重合，此时n
h
与n
t
的夹角即优化角α＝0
°
，达到最优填充效果；
[0019]c、对于多个单胞体，每个单胞体的方向向量n
h
与曲边法向向量n
t
都存在优化角α，记n个单胞体的平均优化角为记n个单胞体的平均优化角为
[0020]d、比较各填充方案，选取平均优化角最小的填充方案。
[0021]优选的，在步骤S4中，所述构建曲面的多孔模型包括点阵的几何线面修正、晶胞阵列、布尔运算，具体包括如下步骤：
[0022]a
’
、基于填充方案测量薄壁曲面结构的边界矩形，根据单胞体的特征尺寸确定晶胞填充数量；
[0023]b
’
、对单胞体进行三角面片检测，包括缝隙、干扰壳体、孔洞、坏边、重叠及交叉三角面片，修复单胞体在参数化建模下产生的重叠线面及交叉壳体；
[0024]c
’
、以单胞体为单元进行XY平面阵列，重复几何线面修正过程，检测并修复平面点阵的三角面片，随后进行Z轴方向的空间阵列并再次检测及修复点阵的几何线面关系；
[0025]d
’
、导入薄壁曲面STL模型，基于填充方案与空间点阵结构进行布尔交集运算；
[0026]e
’
、检测并修复薄壁曲面多孔模型。
[0027]优选的，在步骤S5中，加工激光的功率范围为60W～80W。
[0028]优选的，在步骤S5中，光斑的直径范围为0.03mm～0.07mm。
[0029]优选的，在步骤S5中，切片厚度为0.02mm～0.06mm。
[0030]优选的，在步骤S5中，基于小Z轴高度的摆放原则时避免或减少Z轴方向上的模型重叠，当存在模型卷曲重叠时，上重叠部分的支撑需偏斜1
°
～3
°
并支于下重叠部分的节点以避免穿过孔。
[0031]优选的，在步骤5之后，还包括以下步骤：
[0032]S6、完成增材制造后进行支撑拆卸，其中，两端连接于薄壁曲面结构的支撑从中间剪短以便于所述支撑从所述薄壁曲面结构中拆卸。
[0033]与现有技术相比，本专利技术提供了一种通过线面关系修复后进行布尔运算实现复杂薄壁曲面多孔结构构建的方法，并提供了一种优化填充角度的方法以制备壁厚1mm以内的薄壁多孔结构。采用本方法制造的薄壁曲面多孔结构，可以更大程度地保留填充晶胞的完
整性，使制备的壁曲面多孔结构具有更高的成形度和稳定性(直接填充的方法晶胞残缺度高)。克服了现有技术中薄壁曲面多孔结构成形困难，结构完整度低的问题。
附图说明
[0034]图1为本专利技术一种面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法的工艺流程图；
[0035]图2为本专利技术实施例1的单个正八面体晶胞填充方向优化原理图；
[0036]图3为本专利技术实施例1的多个正八面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、准备薄壁曲面模型：进行薄壁曲面模型建模或使用三维扫描获得实体模型；S2、构建填充单胞体：根据薄壁曲面结构的性能需求设计多孔填充单胞体，并结合制造工艺参数库，完成填充单胞体的参数模型构建，分析单胞体的边界矩形，确定单胞的短边填充向量n
h
；S3、对薄壁曲面模型进行曲度分析并优化填充方向：对步骤S1中的薄壁曲面结构进行薄壁截面的曲度分析，结合单胞体的短边填充向量n
h
优化并确定填充方向；S4、构建薄壁曲面多孔模型：构建以单胞体为多孔单元的空间点阵结构，修正晶胞点阵的几何线面关系，基于填充方案通过布尔交集运算对薄壁曲面模型进行多孔构建；S5、增材制造：使用激光选区熔化技术，导入薄壁曲面多孔模型后基于小Z轴高度的原则摆放，以薄壁曲面多孔模型的支撑类型为锥形，设置加工激光功率、光斑直径、切片厚度、锥形支撑参数，完成增材制造。2.根据权利要求1所述的面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述薄壁曲面模型的薄壁曲面厚度为0.4mm～1.0mm。3.根据权利要求1所述的面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述薄壁曲面模型的各处薄壁曲面厚度保持一致。4.根据权利要求1所述的面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，其特征在于，在步骤S1中，所述薄壁曲面模型使用STL文件格式的三角面片网格进行表达。5.根据权利要求1所述的面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，其特征在于，在步骤S2中，所述分析单胞体的边界矩形，确定单胞的短边填充向量n
h
，具体为对单胞体的各边界矩形进行尺寸分析，确定具有最短特征尺寸的边界矩形，边界矩形最短边的方向向量为所述短边填充向量n
h
。6.根据权利要求1所述的面向激光选区熔化技术的薄壁曲面多孔零件设计方法，其特征在于，在步骤S3中，曲度分析和优化填充方向的具体步骤如下：a、分析薄壁曲面结构的薄壁截面，根据单胞填充间距等距截取曲边上的点，以各点法向向量n
t
进行曲边截面的曲度表征；b、对于单个单胞体，使其边界矩形最短边的方向向量n
h
与曲边的法...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩昌骏，汪云徽，董志，胡高令，王迪，宋长辉，杨永强，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：