[发明专利]一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法

说明书

技术领域

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

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。

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—加工评估(支撑结构)—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

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。

一种基于受力特征分解填充的激光烧结快速制造方法，

包括如下步骤：

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：

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；

b、确定待加工零件最佳抽壳厚度：

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次递进，得到多个不同抽壳厚度零件三维模型；

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_i随抽壳厚度ζ_i的变化曲线，其中i(i＝1、2……)为不同的抽壳厚度下标序号：

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

计算K_i+1值变化率

(K_i+1用来区分不同抽壳厚度K值)，

找出ΔK_i+1率最小值所对应的抽壳厚度ζ_i+1，即为最佳壁厚ζ；

c、对零件进行力学分析，选择合适的填充单元：

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；

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。

步骤c中，所述模块填充率θ等于填充单元比重量与单元包络体积重量的比值。