一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光烧结快速成型零件的设计领域，特指一种基于受力特征分解填充 的激光烧结快速制造方法，适应于激光烧结零件制造工艺的基于受力特征分解并采用结构 填充的零件设计快速制造方法。
【背景技术】
[0002] 在进行激光烧结快速成型制造机械零件过程中，零件的质量体积对零件的成型时 间产生根本性影响。激光烧结能够制造出普通机加方法难以加工的复杂零件结构，材料利 用率高。传统的机械零件设计多基于传统的加工工艺方法，零件结构冗余，基于传统机械零 件进行激光烧结成型会延长加工时间，增加加工成本，不利于发挥激光烧结快速成型方法 的加工优势。
[0003] 由于机械系统的整体性，零件结构改进将对机械系统整体产生较大影响。目前，国 内激光烧结加工制造多采用三维模型一加工评估（支撑结构）一模型改进的模型反馈式的 工艺设计流程。在激光烧结的快速打印方面，多简单采用零件整体镂空，添加网状支撑等进 行填充。同时目前进行激光烧结快速化制造采用的方法多为打印轻型点阵空心材料或在零 件内部填充胞元单元，主要存在下面几个方面的问题：没有对不同零件在不同受力状况下 的实际情况进行考虑，另一方面没有考虑零件不同的特征结构，造成零件填充的结构并不 是力学要求最合适的结构，会对零件性能产生影响；由于填充单元占用资源较大，很难进行 有限元仿真分析实际力学情况，造成加工零件难以进行力学评估；由于打印精度的限制，造 成阵列胞元结构缺陷大，结构可靠性降低。总体来看，目前缺乏一个针对激光烧结传统机械 零件在实际应用中的零件快速制造方法。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足提供一种在不改变零件外形特征的基础上，制造出轻 量化激光烧结零件实现快速打印。本方法原理简单、操作简便、效果显著的用于激光烧结工 艺中实现快速打印。
[0005] -种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，
[0006] 包括如下步骤：
[0007] a、前期准备，建立零件的三维模型、确定零件打印方向和零件边界条件：
[0008] 通过测绘设备对零件进行逆向反求，通过三维逆向建模软件或三维建模软件进行 建模得到零件的三维模型图以及零件边界条件；
[0009] b、确定待加工零件最佳抽壳厚度：
[0010] 将在三维逆向建模软件或三维建模软件中生成的待加工零件确定抽壳厚度的区 间，并且确定一个抽壳厚度的递进精度，使得抽壳厚度根据递进精度在抽壳厚度区间内依 递进，得到多个不同抽壳厚度零件三维模型；
[0011] 计算不同抽壳厚度的零件重量值，将不同抽壳厚度的零件三维模型分别导入到有 限元分析软件中，并且将步骤a中的零件边界条件添加到模型约束中，用默认网格划分方 法并进行有限元分析，得到不同抽壳厚度下的零件的变形位移图和应力分布图，并记录上 图中最大应力值和最大变形位移值，在三维逆向建模软件或三维建模软件中记录不同抽壳 厚度所对应的零件重量，从而绘出不同抽壳厚度下最大应力σ i的变化曲线以及重量m 1随 抽壳厚度Gi的变化曲线，其中i(i = 1、2……）为不同的抽壳厚度下标序号：
[0012] 计算不同抽壳厚度ζ i+1下的最大应力变化随零件质量增长率的比值K i+1
[0014] 计算Ki+1值变化率
[0015]
(Ki+1用来区分不同抽壳厚度K值），
[0016] 找出AKi+1率最小值所对应的壁厚ζ i+1，即为最佳壁厚ζ ;
[0017] c、对零件进行力学分析，选择合适的填充单元：
[0018] 根据步骤b中最佳壁厚ζ对零件进行抽壳，得到最佳壁厚的零件的三维模型，然 后根据零件的工作面受力类型，将零件的三维模型进行模块化分解，使得零件分解后的每 个拆分单元受力类型单一，然后根据步骤b中得到的变形位移图和应力分布图得到每个拆 分单元的最大区域应力与最大许用应力，通过最大区域应力与最大许用应力的比值得到模 块填充率Θ，从而得到填充单元比重量，通过拆分单元的工作面受力类型即可由软件自动 生成填充单元形状或可以从库文件中提取对应的填充单元形状，根据不同的填充单元形状 通过填充单元比重量确定填充单元的支撑壁厚、支撑宽度或支架数目；
[0019] d、通过填充单元对拆分单元进行填充，然后将三维模型转换成STL格式导入到激 光烧结设备进行三维金属零件成型。
[0020] 步骤c中，所述填充率Θ等于填充单元比重量与单元包络体积重量的比值。
[0021] 步骤c中，在对零件进行模块化分解时，当拆分单元的填充空间厚度小于2 ζ时， 该拆分单元不使用填充单元填充。
[0022] 所述填充单元结构悬空长度不大于2mm-5mm，填充单元内部结构厚度不小于最佳 壁厚ζ。
[0023] 所述测绘设备为激光扫描仪。
[0024] 所述三维逆向建模软件采用Geomagic，所述三维建模软件采用Solidworks0
[0025] 所述递进精度为0. 3mm~0. 5mm。
[0026] 所述有限元分析软件采用ANSYS WORKBENCH。
[0027] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0028] 1、本发明针对不同零件迥异的外形结构、受力情况，提出了一种应用在激光烧结 快速制造技术的零件填充方法，该方法基于零件的实际边界条件考虑，在满足零件性能及 可靠性要求的条件下得到了零件轻质结构，提出了针对零件不同的力学特点给出零件的柔 性设计，避免了由于传统设计中采用单一的镂空填充方法而导致的零件性能不可估、不可 靠，满足零件的前期设计可靠性的同时实现了轻量化快速制造；
[0029] 2、通过给定零件的最佳抽壳厚度，得到了对零件应力影响较大的零件抽壳壁厚的 上限，避免了由于壳厚质量的冗余造成零件质量增大、成型时间增长。
[0030] 3、本发明采用与零件壁厚尺寸相当的填充单元进行填充设计，相对于传统点阵结 构填充方法，能够高效地进行有限元分析计算，得到准确可靠的有限元分析结果，便于定量 考核零件指标，同时也避免了由于微小点阵结构的成型过程产生的加工缺陷对零件性能的 影响。
[0031] 4、本方法提出基于零件受力特征和特征分解进行填充单元的选型和参数选择的 方法，可以自主设计典型力学结构，也可能够通过建立的常见制造填充单元库来实现结构 的快速填充，缩短设计周期，原理简单，方法实用。
【附图说明】
[0032] 图1是待加工零件模型的立体图1 ;
[0033] 图2是待加工零件模型的立体图2 ;
[0034] 图3是待加工零件主应力最大应力随壁厚变化曲线；
[0035] 图4是待加工零件受载变形方向图；
[0036] 图5是待加工零件受载应力分布图；
[0037] 图6是待加工零件分解模块拓扑重构剖面图。
[0038] 图7是表1为待制造零件的基于受力特征分解的模块化结构。
[0039] 图8是表2为待制造零件的填充单元设计。
[0040]图9是表3为待制造零件的基于受力特征分解的模块化结构及减重效果。
【具体实施方式】
[0041] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0042] 本发明提供的基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，在具体应用实例 中的详细步骤如下：
[0043] 1、前期准备，建立零件的三维模型、确定零件打印方向和零件边界条件；
[0044] 通过传统测绘或采用激光扫描仪等设备对零件进行逆向反求，通过三维建模软件 Solidworks进行建模得到零件的三维模型图，根据零件的工作面的受力方向和受理大小得 到零件边界条件，在分析零件边界条件时，采用应变仪等仪器实测零件的受载情况，确定零 件的力学条件（如：扭转、压缩、拉伸、弯曲等受力方向及受力大小），在确定零件打印方向 时，首先确保零件在打印方向上的悬空部分零件的外表面悬空结构最少并且支撑结构最好 去除，最好能满足零件表面在打印方向上不出现大于135°面，根据本原则，确定本例中代 加工零件（如图2)竖直向上作为该零件的成形方向。
[0045] 2、待加工零件最佳抽壳厚度的拟定：
[0046] 将在Solidworks中生成的待加工零件确定抽壳厚度的区间，本例中抽壳厚度的 区间为0· 5mm-2mm，递进精度为0· 25mm，从而得到抽壳厚度为0· 5mm, 0· 75mm, lmm, I. 5mm, 1 .75mm，2mm的零件三维模型，将不同抽壳厚度的零件三维模型分别导入到有限元分析软件