一種基于受力特征分解填充的激光燒結快速制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光燒結快速成型零件的設計領域，特指一種基于受力特征分解填充 的激光燒結快速制造方法，適應于激光燒結零件制造工藝的基于受力特征分解并采用結構 填充的零件設計快速制造方法。
【背景技術】
[0002] 在進行激光燒結快速成型制造機械零件過程中，零件的質量體積對零件的成型時 間產(chǎn)生根本性影響。激光燒結能夠制造出普通機加方法難以加工的復雜零件結構，材料利 用率高。傳統(tǒng)的機械零件設計多基于傳統(tǒng)的加工工藝方法，零件結構冗余，基于傳統(tǒng)機械零 件進行激光燒結成型會延長加工時間，增加加工成本，不利于發(fā)揮激光燒結快速成型方法 的加工優(yōu)勢。
[0003] 由于機械系統(tǒng)的整體性，零件結構改進將對機械系統(tǒng)整體產(chǎn)生較大影響。目前，國 內激光燒結加工制造多采用三維模型一加工評估（支撐結構）一模型改進的模型反饋式的 工藝設計流程。在激光燒結的快速打印方面，多簡單采用零件整體鏤空，添加網(wǎng)狀支撐等進 行填充。同時目前進行激光燒結快速化制造采用的方法多為打印輕型點陣空心材料或在零 件內部填充胞元單元，主要存在下面幾個方面的問題：沒有對不同零件在不同受力狀況下 的實際情況進行考慮，另一方面沒有考慮零件不同的特征結構，造成零件填充的結構并不 是力學要求最合適的結構，會對零件性能產(chǎn)生影響；由于填充單元占用資源較大，很難進行 有限元仿真分析實際力學情況，造成加工零件難以進行力學評估；由于打印精度的限制，造 成陣列胞元結構缺陷大，結構可靠性降低?？傮w來看，目前缺乏一個針對激光燒結傳統(tǒng)機械 零件在實際應用中的零件快速制造方法。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足提供一種在不改變零件外形特征的基礎上，制造出輕 量化激光燒結零件實現(xiàn)快速打印。本方法原理簡單、操作簡便、效果顯著的用于激光燒結工 藝中實現(xiàn)快速打印。
[0005] -種基于受力特征分解填充的激光燒結快速制造方法，
[0006] 包括如下步驟：
[0007] a、前期準備，建立零件的三維模型、確定零件打印方向和零件邊界條件：
[0008] 通過測繪設備對零件進行逆向反求，通過三維逆向建模軟件或三維建模軟件進行 建模得到零件的三維模型圖以及零件邊界條件；
[0009] b、確定待加工零件最佳抽殼厚度：
[0010] 將在三維逆向建模軟件或三維建模軟件中生成的待加工零件確定抽殼厚度的區(qū) 間，并且確定一個抽殼厚度的遞進精度，使得抽殼厚度根據(jù)遞進精度在抽殼厚度區(qū)間內依 遞進，得到多個不同抽殼厚度零件三維模型；
[0011] 計算不同抽殼厚度的零件重量值，將不同抽殼厚度的零件三維模型分別導入到有 限元分析軟件中，并且將步驟a中的零件邊界條件添加到模型約束中，用默認網(wǎng)格劃分方 法并進行有限元分析，得到不同抽殼厚度下的零件的變形位移圖和應力分布圖，并記錄上 圖中最大應力值和最大變形位移值，在三維逆向建模軟件或三維建模軟件中記錄不同抽殼 厚度所對應的零件重量，從而繪出不同抽殼厚度下最大應力σ i的變化曲線以及重量m 1隨 抽殼厚度Gi的變化曲線，其中i(i = 1、2……）為不同的抽殼厚度下標序號：
[0012] 計算不同抽殼厚度ζ i+1下的最大應力變化隨零件質量增長率的比值K i+1
[0014] 計算Ki+1值變化率
[0015]
(Ki+1用來區(qū)分不同抽殼厚度K值），
[0016] 找出AKi+1率最小值所對應的壁厚ζ i+1，即為最佳壁厚ζ ;
[0017] c、對零件進行力學分析，選擇合適的填充單元：
[0018] 根據(jù)步驟b中最佳壁厚ζ對零件進行抽殼，得到最佳壁厚的零件的三維模型，然 后根據(jù)零件的工作面受力類型，將零件的三維模型進行模塊化分解，使得零件分解后的每 個拆分單元受力類型單一，然后根據(jù)步驟b中得到的變形位移圖和應力分布圖得到每個拆 分單元的最大區(qū)域應力與最大許用應力，通過最大區(qū)域應力與最大許用應力的比值得到模 塊填充率Θ，從而得到填充單元比重量，通過拆分單元的工作面受力類型即可由軟件自動 生成填充單元形狀或可以從庫文件中提取對應的填充單元形狀，根據(jù)不同的填充單元形狀 通過填充單元比重量確定填充單元的支撐壁厚、支撐寬度或支架數(shù)目；
[0019] d、通過填充單元對拆分單元進行填充，然后將三維模型轉換成STL格式導入到激 光燒結設備進行三維金屬零件成型。
[0020] 步驟c中，所述填充率Θ等于填充單元比重量與單元包絡體積重量的比值。
[0021] 步驟c中，在對零件進行模塊化分解時，當拆分單元的填充空間厚度小于2 ζ時， 該拆分單元不使用填充單元填充。
[0022] 所述填充單元結構懸空長度不大于2mm-5mm，填充單元內部結構厚度不小于最佳 壁厚ζ。
[0023] 所述測繪設備為激光掃描儀。
[0024] 所述三維逆向建模軟件采用Geomagic，所述三維建模軟件采用Solidworks0
[0025] 所述遞進精度為0. 3mm~0. 5mm。
[0026] 所述有限元分析軟件采用ANSYS WORKBENCH。
[0027] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0028] 1、本發(fā)明針對不同零件迥異的外形結構、受力情況，提出了一種應用在激光燒結 快速制造技術的零件填充方法，該方法基于零件的實際邊界條件考慮，在滿足零件性能及 可靠性要求的條件下得到了零件輕質結構，提出了針對零件不同的力學特點給出零件的柔 性設計，避免了由于傳統(tǒng)設計中采用單一的鏤空填充方法而導致的零件性能不可估、不可 靠，滿足零件的前期設計可靠性的同時實現(xiàn)了輕量化快速制造；
[0029] 2、通過給定零件的最佳抽殼厚度，得到了對零件應力影響較大的零件抽殼壁厚的 上限，避免了由于殼厚質量的冗余造成零件質量增大、成型時間增長。
[0030] 3、本發(fā)明采用與零件壁厚尺寸相當?shù)奶畛鋯卧M行填充設計，相對于傳統(tǒng)點陣結 構填充方法，能夠高效地進行有限元分析計算，得到準確可靠的有限元分析結果，便于定量 考核零件指標，同時也避免了由于微小點陣結構的成型過程產(chǎn)生的加工缺陷對零件性能的 影響。
[0031] 4、本方法提出基于零件受力特征和特征分解進行填充單元的選型和參數(shù)選擇的 方法，可以自主設計典型力學結構，也可能夠通過建立的常見制造填充單元庫來實現(xiàn)結構 的快速填充，縮短設計周期，原理簡單，方法實用。
【附圖說明】
[0032] 圖1是待加工零件模型的立體圖1 ;
[0033] 圖2是待加工零件模型的立體圖2 ;
[0034] 圖3是待加工零件主應力最大應力隨壁厚變化曲線；
[0035] 圖4是待加工零件受載變形方向圖；
[0036] 圖5是待加工零件受載應力分布圖；
[0037] 圖6是待加工零件分解模塊拓撲重構剖面圖。
[0038] 圖7是表1為待制造零件的基于受力特征分解的模塊化結構。
[0039] 圖8是表2為待制造零件的填充單元設計。
[0040]圖9是表3為待制造零件的基于受力特征分解的模塊化結構及減重效果。
【具體實施方式】
[0041] 以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0042] 本發(fā)明提供的基于受力特征分解填充的激光燒結快速制造方法，在具體應用實例 中的詳細步驟如下：
[0043] 1、前期準備，建立零件的三維模型、確定零件打印方向和零件邊界條件；
[0044] 通過傳統(tǒng)測繪或采用激光掃描儀等設備對零件進行逆向反求，通過三維建模軟件 Solidworks進行建模得到零件的三維模型圖，根據(jù)零件的工作面的受力方向和受理大小得 到零件邊界條件，在分析零件邊界條件時，采用應變儀等儀器實測零件的受載情況，確定零 件的力學條件（如：扭轉、壓縮、拉伸、彎曲等受力方向及受力大?。诖_定零件打印方向 時，首先確保零件在打印方向上的懸空部分零件的外表面懸空結構最少并且支撐結構最好 去除，最好能滿足零件表面在打印方向上不出現(xiàn)大于135°面，根據(jù)本原則，確定本例中代 加工零件（如圖2)豎直向上作為該零件的成形方向。
[0045] 2、待加工零件最佳抽殼厚度的擬定：
[0046] 將在Solidworks中生成的待加工零件確定抽殼厚度的區(qū)間，本例中抽殼厚度的 區(qū)間為0· 5mm-2mm，遞進精度為0· 25mm，從而得到抽殼厚度為0· 5mm, 0· 75mm, lmm, I. 5mm, 1 .75mm，2mm的零件三維模型，將不同抽殼厚度的零件三維模型分別導入到有限元分析軟件