一种用于降低工件热变形的制造技术

本发明专利技术公开了一种用于降低工件热变形的

【技术实现步骤摘要】
一种用于降低工件热变形的3D打印过程参数优化方法


[0001]本专利技术属于
3D
打印
，具体涉及一种用于降低工件热变形的
3D
打印过程参数优化方法
。

技术介绍

[0002]选区激光熔化
(SLM)
是一种用于生产金属零件的增材制造
(AM)
技术，
SLM
工艺的特点是逐层构建产品
。SLM
过程是在一个充满惰性气体的构建室中进行的，其产品建立在基板之上，基板通常与
SLM
产品采用相同材质
。
粉料缸升降台上升一个高度
(
粉末的平均直径
)
，刮板将沉积粉末均匀地分布在基板上
。
通过激光扫描基板上的粉末将其熔融并凝固为对应截面形貌轮廓，其中激光所走的路径策略称为扫描策略
。
激光束在粉末床上的定位是通过振镜和场镜协同作用完成
。
依据扫描策略，粉末材料沿着激光移动路径逐渐熔化，当激光向前移动时，已熔融材料就会冷却凝固
。
在完成一层后，成形腔升降台在构建方向下降一个高度，然后重复整个过程，直到整个产品构建完成
。
当产品完成后，将未加工的粉体材料取出，然后将产品和基板从
SLM
机器上取下
。
最后，根据必要性，对产品和基板进行热处理，如热等静压
(HIP)
等
。
[0003]SLM/>工艺的主要优点是可以随意设计自由地制备复杂的几何形状零件，尤其包括内腔
、
点阵结构等
。
虽然
SLM
工艺是一种很有前途的制造技术，但其广泛应用仍然存在亟需解决的技术挑战
。
其中，影响
SLM
工艺应用的挑战之一是
SLM
成形过程中容易在热应力作用下诱导发生零件翘曲变形
、
形位精度降低甚或开裂
。
残余应力可能会导致
SLM
制备零件的强度降低，同时容易诱导产生热裂纹缺陷
。SLM
产品中的大变形称为扭曲或翘曲，可以导致产品的形位精度误差超过设计公差
。
[0004]随着激光选区熔化技术
(SLM)
持续发展，由残余应力引起的零件热变形得到了广泛的关注，越来越多打印变形预测和打印参数优化的相关研究不断涌现出来
。
现目前对于打印变形预测的手段多用有限单元法
(FEM)
或有限体积法
(FVM)
，对于打印参数优化的方法目前多采用实用纯实验方法或仿真与实验结合的方法
。
[0005]在有限元方法和有限体积法中，通常将激光热源视作高斯体积热源模型或移动点热源模型，考虑到打印过程中对流换热和辐射换热的边界热损失，将边界离散成若干散热器的集合，从而得到热源温度解
。
在实验验证和参数优化过程中，往往采取田口试验法或正交试验法，设置多组打印参数组合进行实验，对打印结果进行标定
、
分析以得到较优的参数配置
。
[0006]对于
SLM
工艺而言，打印件通常会经历若干次的交替的快速加热和冷却，因此热应力的产生是不可避免的，这也导致了打印件的热变形
。SLM
过程是复杂的非线性多场耦合过程，受诸多相关因素影响，这些因素之间互相影响，使其仿真分析过程更加复杂
。
另外，在
SLM
过程中，加热熔化部分具有局部性
、
瞬时性
、
移动性，这也使
SLM
过程的有限元仿真研究更为困难
。
为了能够生产出满足要求的零件，往往需要对打印参数进行摸索，实验周期较长
。
而现在常用的仿真方法如有限元法，通常需要较长的计算周期
。
因此，对于零件在金属
增材制造过程中产生的热变形进行快速预测和参数优化，可以极大缩短实验周期，减少人力
、
物力和财力的消耗
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决上述问题，提供一种能更好地控制
SLM
成形质量，缩短实验周期，减少人力
、
物力和财力消耗的用于降低工件热变形的
3D
打印过程参数优化方法
。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种用于降低工件热变形的
3D
打印过程参数优化方法，包括以下步骤：
[0009]S1、
建立融入过程参数的打印件热变形预测模型；
[0010]S2、
打印实验样品，并对特征尺寸的形变量进行测量；
[0011]S3、
使用优化算法对打印参数和试验样品的多个特征尺寸进行多目标多层次优化；
[0012]S4、
打印试验样件，测量其多个特征尺寸的形变量
。
[0013]进一步地，所述步骤
S1
中的快速预测模型为热电路网络模型和准静态热机械模型，过程参数包括激光功率
、
打印速度和打印方向
。
[0014]进一步地，所述步骤
S1
中建立融入过程参数的打印件热变形预测模型过程的计算包括热循环计算，热循环计算将多个实际打印层视作一个超层，将移动的激光点热源输入建模为每个超层逐层均匀热输入，忽略
SLM
过程中成形腔内的辐射和对流传热，忽略从凝固的金属部件到粉末床的热量传递，从而获得快速的计算能力
。
[0015]进一步地，所述步骤
S1
中建立融入过程参数的打印件热变形预测模型过程的计算包括打印件的热变形计算，在打印件的热变形计算中，将
SLM
过程分为两个不同时期：热加载时期和应力松弛时期，在热加载时期，打印件在热膨胀和热收缩两种行为中循环，每打印一层循环一次；当打印件从支撑结构或者基板上被取下时，进入应力松弛时期，发生松弛行为，分别两个时期进行计算，以获得打印件的热变形量
。
[0016]进一步地，所述步骤
S3
中多目标多层次优化包括采用贝叶斯多目标优化算法，以打印样件的多个特征尺寸形变量作为目标，以打印参数取值范围作为决策空间，对打印方向和激光参数进行联合优化，对零件特征尺寸的多目标优化
。
[0017]进一步地，所述步骤
S3
中多目标多层次优化包括多级优化方法，主要特征尺寸由一级优化确定，详细特征尺寸在第二级计算，考虑多个目标函数，多目标多层次优化方法可用于求解这类问题
。
[0018]本专利技术的有益效果是：
[0019]1、
本专利技术所提供的一种用于降低工件热变形的
3D<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于降低工件热变形的
3D
打印过程参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
建立融入过程参数的打印件热变形预测模型；
S2、
打印实验样品，并对特征尺寸的形变量进行测量；
S3、
使用优化算法对打印参数和试验样品的多个特征尺寸进行多目标多层次优化；
S4、
打印实验样件，测量其多个特征尺寸的形变量
。2.
根据权利要求1所述的一种用于降低工件热变形的
3D
打印过程参数优化方法，其特征在于：所述步骤
S1
中的快速预测模型为热电路网络模型和准静态热机械模型，过程参数包括激光功率
、
打印速度和打印方向
。3.
根据权利要求1所述的一种用于降低工件热变形的
3D
打印过程参数优化方法，其特征在于：所述步骤
S1
中建立融入过程参数的打印件热变形预测模型过程的计算包括热循环计算，热循环计算将多个实际打印层视作一个超层，将移动的激光点热源输入建模为每个超层逐层均匀热输入，忽略
SLM
过程中成形腔内的辐射和对流传热，忽略从凝固的金属部件到粉末床的热量传递，从而获得快速的计算能力
。4.

【专利技术属性】
技术研发人员：刘奕辰，
申请(专利权)人：华西精创医疗科技成都有限公司，
类型：发明
国别省市：