一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，屬于增材制造【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法包括以下步驟：步驟一：根據(jù)金屬高能束增材制造的特點(diǎn)S0和零件的特征S1確定最小熱變形的標(biāo)準(zhǔn)面積S2；步驟二：對零件進(jìn)行單層切片，獲得平面輪廓S3；步驟三：對于平面輪廓S3進(jìn)行掃描路線生成，獲得控制熱變形的單層掃描路徑S6；步驟四：重復(fù)步驟二和步驟三，直到切片完成獲得模型的掃描路徑S8。本方法對高能束的輸入熱量進(jìn)行均勻化控制，減少了金屬增材制造過程中的成形零件的熱致變形，能夠很好的克服現(xiàn)有高能束增材制造技術(shù)無法對輸入熱量進(jìn)行有效管理和控制的問題。
【專利說明】一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于增材制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬增材制造的機(jī)理無非是高能束與金屬之間的作用，即成形過程中能量吸收與傳遞范圍控制機(jī)理與機(jī)制。然而，對于金屬增材制造，金屬粉末快速融凝過程中產(chǎn)生熱量及其傳遞對于成形能力、殘余應(yīng)力與變形具有重大影響。因此，合理的高能束掃描路徑是對熱量的有效管理和控制，能夠在很大程度上避免金屬零件產(chǎn)生過大變形。
[0003]以現(xiàn)有激光選區(qū)熔融(SLM)增材制造為例，對于較大型實(shí)體金屬零件的熱量分配和控制方法是通過對平面輪廓(即選區(qū)熔融區(qū)域)生成棋盤狀分區(qū)并生成掃描路徑來完成。然而，棋盤狀分區(qū)的生成方式是通過計(jì)算輪廓的最大包圍盒來完成的，沒有考慮輪廓自身的拓?fù)?如孔、島嶼等)，也未考慮孔、島嶼等的幾何尺度。也就是說，無論輪廓是什么尺度、什么形狀、什么拓?fù)?，采用的方法都不予考慮，只考慮最大輪廓的尺寸。其結(jié)果是:在每個(gè)格子獲得的激光輸入能量并不一定相等，因?yàn)槊總€(gè)格子中可能只熔融零、部分或整個(gè)格子的金屬，具體取決于輪廓的幾何和拓?fù)洹?br> [0004]目前，增材制造技術(shù)對金屬實(shí)體采用四種掃描路徑生成掃描路徑，即軸平行掃描、等距、變角度平行掃描以及棋盤分區(qū)掃描。而且，每個(gè)金屬零件實(shí)體部分只能采用其中一種掃描路徑生成方式，從而難以對高能束的輸入熱量進(jìn)行有效管理和控制。由于增材制造技術(shù)具有制造幾何與拓?fù)鋸?fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此尋找一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法具有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，該方法能夠克服現(xiàn)有高能束增材制造技術(shù)無法對輸入熱量進(jìn)行有效管理和控制的問題。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0007]—種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，該方法包括以下步驟:步驟一:根據(jù)金屬高能束增材制造的特點(diǎn)SO和零件的特征SI確定最小熱變形的標(biāo)準(zhǔn)面積S2 ;步驟二:對零件進(jìn)行單層切片，獲得平面輪廓S3 ;步驟三:對于平面輪廓S3進(jìn)行掃描路線生成，獲得控制熱變形的單層掃描路徑S6 ;步驟四:重復(fù)步驟二和步驟三，直到切片完成獲得模型的掃描路徑S8。
[0008]進(jìn)一步，在步驟三中，平面輪廓掃描路線生成具體包括以下步驟:1)根據(jù)輪廓的幾何特征進(jìn)行拓?fù)浞诸?，建立多叉樹層次?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S4，來表征輪廓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次的奇偶性將輪廓分解為由一個(gè)外環(huán)與零個(gè)或多個(gè)內(nèi)環(huán)構(gòu)成的、具有簡單拓?fù)涞膸缀渭疭5 ；3)對于S5中的幾何元素，如果:a)幾何元素的面積小于標(biāo)準(zhǔn)面積，采用偏置的方法生成掃描路徑；b)幾何元素的面積大于標(biāo)準(zhǔn)面積，且沒有面積遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)面積的內(nèi)環(huán)，那么通過逐步消除內(nèi)環(huán)個(gè)數(shù)的方式來對幾何元素進(jìn)行等標(biāo)準(zhǔn)面積分塊，并對分塊生成與水平方向成隨機(jī)夾角平行掃描路徑；C)面積大于標(biāo)準(zhǔn)面積，且具有面積遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)面積的內(nèi)環(huán)，那么先去掉這些內(nèi)環(huán)按B描述的方式生成掃描路徑，之后去掉位于這些內(nèi)環(huán)內(nèi)的掃描路徑；4)對S5中的所有幾何元素都按照步驟3)中的方法處理，最終獲得單層掃描路徑S6。
[0009]進(jìn)一步，所述的金屬材料包括:鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金。
[0010]進(jìn)一步，所述的高能束包括:激光、電子束、等離子束及微波。
[0011]進(jìn)一步，所述的增材制造方法包括:激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔融(SLM)、激光立體成形(LENS)和電子束熔融(EBM)。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明所采用的方法對高能束的輸入熱量進(jìn)行均勻化控制，減少了金屬增材制造過程中的成形零件的熱致變形，能夠很好的克服現(xiàn)有高能束增材制造技術(shù)無法對輸入熱量進(jìn)行有效管理和控制的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
[0014]圖1為本發(fā)明所述方法的流程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0016]圖1為本發(fā)明所述方法的流程示意圖，如圖所示，本發(fā)明所述的方法包括以下步驟:步驟一:根據(jù)金屬高能束增材制造的特點(diǎn)SO和零件的特征SI確定最小熱變形的標(biāo)準(zhǔn)面積S2 ;步驟二:對零件進(jìn)行單層切片，獲得平面輪廓S3 ;步驟三:對于平面輪廓S3進(jìn)行掃描路線生成，獲得控制熱變形的單層掃描路徑S6 ;步驟四:重復(fù)步驟二和步驟三，直到切片完成獲得模型的掃描路徑S8。
[0017]其中，在步驟三中，平面輪廓掃描路線生成具體包括以下步驟:
[0018]I)根據(jù)輪廓的幾何特征進(jìn)行拓?fù)浞诸?，建立多叉樹層次?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S4，來表征輪廓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0019]2)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次的奇偶性將輪廓分解為由一個(gè)外環(huán)與零個(gè)或多個(gè)內(nèi)環(huán)構(gòu)成的、具有簡單拓?fù)涞膸缀渭疭5 ；
[0020]3)對于S5中的幾何元素，如果:a)幾何元素的面積小于標(biāo)準(zhǔn)面積，采用偏置的方法生成掃描路徑；b)幾何元素的面積大于標(biāo)準(zhǔn)面積，且沒有面積遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)面積的內(nèi)環(huán)，那么通過逐步消除內(nèi)環(huán)個(gè)數(shù)的方式來對幾何元素進(jìn)行等標(biāo)準(zhǔn)面積分塊，并對分塊生成與水平方向成隨機(jī)夾角平行掃描路徑；c)面積大于標(biāo)準(zhǔn)面積，且具有面積遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)面積的內(nèi)環(huán)，那么先去掉這些內(nèi)環(huán)按B描述的方式生成掃描路徑,之后去掉位于這些內(nèi)環(huán)內(nèi)的掃描路徑；
[0021]4)對S5中的所有幾何元素都按照步驟3)中的方法處理，最終獲得單層掃描路徑S6。
[0022]在本實(shí)施例中，所述的金屬材料包括:鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等；所述的高能束包括:激光、電子束、等離子束及微波等；所述的增材制造方法包括:激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔融(SLM)、激光立體成形(LENS)和電子束熔融(EBM)等。
[0023]最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一:根據(jù)金屬高能束增材制造的特點(diǎn)SO和零件的特征SI確定最小熱變形的標(biāo)準(zhǔn)面積S2 ； 步驟二:對零件進(jìn)行單層切片，獲得平面輪廓S3 ； 步驟三:對于平面輪廓S3進(jìn)行掃描路線生成，獲得控制熱變形的單層掃描路徑S6 ； 步驟四:重復(fù)步驟二和步驟三，直到切片完成獲得模型的掃描路徑S8。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，其特征在于:在步驟三中，平面輪廓掃描路線生成具體包括以下步驟: 1)根據(jù)輪廓的幾何特征進(jìn)行拓?fù)浞诸?，建立多叉樹層次?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)S4，來表征輪廓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 2)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層次的奇偶性將輪廓分解為由一個(gè)外環(huán)與零個(gè)或多個(gè)內(nèi)環(huán)構(gòu)成的、具有簡單拓?fù)涞膸缀渭疭5 ； 3)對于S5中的幾何元素，如果:a)幾何元素的面積小于標(biāo)準(zhǔn)面積，采用偏置的方法生成掃描路徑；b)幾何元素的面積大于標(biāo)準(zhǔn)面積，且沒有面積遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)面積的內(nèi)環(huán)，那么通過逐步消除內(nèi)環(huán)個(gè)數(shù)的方式來對幾何元素進(jìn)行等標(biāo)準(zhǔn)面積分塊，并對分塊生成與水平方向成隨機(jī)夾角平行掃描路徑；c)面積大于標(biāo)準(zhǔn)面積，且具有面積遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)面積的內(nèi)環(huán)，那么先去掉這些內(nèi)環(huán)按B描述的方式生成掃描路徑，之后去掉位于這些內(nèi)環(huán)內(nèi)的掃描路徑; 4)對S5中的所有幾何元素都按照步驟3)中的方法處理，最終獲得單層掃描路徑S6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，其特征在于:所述的金屬材料包括:鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，其特征在于:所述的高能束包括:激光、電子束、等離子束及微波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制金屬零件增材制造熱變形的掃描路徑生成方法，其特征在于:所述的增材制造方法包括:激光選區(qū)燒結(jié)、激光選區(qū)熔融、激光立體成形和電子束熔融。
【文檔編號】B22F3/105GK104148636SQ201410438630
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】范樹遷, 王國玉, 段宣明, 劉基權(quán), 宋昕 申請人:中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院