减小3D打印薄壁零件变形方法

技术领域

本发明涉及薄壁零件制造技术领域，特别是涉及一种减小3D打印薄壁零件变形方法。

背景技术

选区激光熔化(简称SLM)技术是金属增材制造技术的一种，其采用高能激光束对特定区域的金属粉末进行熔化后层层堆积成形。选区激光熔化技术理论上可以加工成形任意结构的金属零部件，且具有加工时间短、成形精度高、成形件性能稳定的优点，在航空航天、医疗、军工等方面拥有良好的应用前景。薄壁零件具有结构紧凑、重量轻、功能性强等优点，通常应用于机械制造、航空航天以及系统散热等领域。采用传统的切削、铸造或焊接等工艺成型复杂薄壁结构时存在难度大、易变形、精度低的问题，导致所加工出的零件变形大，质量较低。

选区激光熔化是成形薄壁零件的一种新方法，但SLM成形大尺寸薄壁零件过程中伴随复杂的物理变化，容易出现球化、冶金结合不良以及残余应力和变形大等问题，甚至会造成孔隙、开裂等缺陷，所加工出的薄壁零件质量仍较低。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种减小3D打印薄壁零件变形方法，进而提高零件的质量。

为实现上述目的，本发明提供一种减小3D打印薄壁零件变形方法，包括如下步骤：

步骤a、设计待打印的零件的模型，对零件的模型进行分析，以确定零件的薄壁区域；

步骤b、在薄壁区域的侧壁处设计薄壁加固结构的模型；

步骤c、对零件的模型及薄壁加固结构的模型进行切片处理；

步骤d、利用3D打印机在基板上打印出零件及薄壁加固结构，且薄壁加固结构与零件的薄壁区域的侧壁固定连接；

步骤e、将零件从基板上分离下来，并去除零件上的薄壁加固结构，获得所需的零件。

进一步地，所述步骤b中，在薄壁区域的两侧壁处均设计薄壁加固结构的模型；所述步骤d中，所打印出的零件的薄壁区域两侧壁处均有薄壁加固结构。

进一步地，所述薄壁加固结构包括加固支架，所述加固支架包括多根加固杆，所述步骤d中，打印出零件及薄壁加固结构后，加固支架的加固杆的一端与零件的薄壁区域的侧壁固定连接。

进一步地，所述薄壁加固结构还包括加固板，所述步骤d中，打印出零件及薄壁加固结构后，所述加固板的一侧壁与加固支架的加固杆的另一端固定连接。

进一步地，所述步骤d中，在基板上打印出零件及薄壁加固结构后，加固板的底部与基板固定连接。

进一步地，所述步骤e中，需对零件、基板及薄壁加固结构一起进行热处理，热处理完成后，再将零件从基板上分离下来，并去除零件上的薄壁加固结构。

进一步地，所述步骤e中，需先对固定在一起的零件、基板及薄壁加固结构进行清粉处理，再对固定在一起的零件、基板及薄壁加固结构进行热处理。

进一步地，所述步骤e中，采用防爆吸尘器吸掉零件、基板及薄壁加固结构上的粉末。

进一步地，所述步骤b中，在零件的模型的设定位置设计支撑结构的模型；所述步骤c中，对零件的模型、薄壁加固结构的模型及支撑结构的模型一起进行切片处理；所述步骤d中，利用3D打印机在基板上打印出固定连接在一起的零件、薄壁加固结构及支撑结构。

进一步地，所述步骤e中，采用线切割机将零件从基板上分离下来。

如上所述，本发明涉及的减小3D打印薄壁零件变形方法，具有以下有益效果：

本减小3D打印薄壁零件变形方法，通过对零件的模型进行分析，确定零件的薄壁区域、即3D打印时易变形区域，并在该薄壁区域的侧壁处设计薄壁加固结构的模型，在3D打印零件过程中，零件的薄壁区域处将形成与该薄壁区域的侧壁固接的薄壁加固结构，以利用薄壁加固结构增强该薄壁区域的整体强度，避免薄壁区域出现变形，随后，将薄壁区域处的薄壁加固结构去除掉，即能获得所需零件，这种加工方式在很大程度上减小了3D打印薄壁零件时出现的变形，提高了所打印出的薄壁零件的质量。

附图说明

图1为本发明实施例中减小3D打印薄壁零件变形方法在基板上打印出零件及薄壁加固结构的示意图。

图2为本发明实施例中确定零件的薄壁区域、并在薄壁区域处设计薄壁加固结构的流程示意图。

图3为本发明实施例中零件的薄壁区域与薄壁加固结构的配合示意图。

图4为本发明实施例中仿真分析软件模拟打印从而分析出零件变形情况的示意图。

元件标号说明

1 零件

11薄壁区域

2 薄壁加固结构

21加固支架

211 加固杆

22加固板

3 基板

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图4所示，本实施例提供一种减小3D打印薄壁零件变形方法，包括如下步骤：

步骤a、设计待打印的零件1的模型，对零件1的模型进行分析，以确定零件1的薄壁区域11；

步骤b、在薄壁区域11的侧壁处设计薄壁加固结构2的模型；

步骤c、对零件1的模型及薄壁加固结构2的模型进行切片处理；

步骤d、利用3D打印机在基板3上打印出零件1及薄壁加固结构2，且薄壁加固结构2与零件1的薄壁区域11的侧壁固定连接；

步骤e、将零件1从基板3上分离下来，并去除零件1上的薄壁加固结构2，获得所需的零件1。

本减小3D打印薄壁零件变形方法，通过对零件1的模型进行分析，确定零件1的薄壁区域11、即3D打印时易变形区域，并在该薄壁区域11的侧壁处设计薄壁加固结构2的模型，在3D打印零件1过程中，零件1的薄壁区域11处将形成与该薄壁区域11的侧壁固接的薄壁加固结构2，以利用薄壁加固结构2增强该薄壁区域11的整体强度，避免薄壁区域11出现变形，随后，将薄壁区域11处的薄壁加固结构2去除掉，即能获得所需零件1，这种加工方式在很大程度上减小了3D打印薄壁零件时出现的变形，提高了所打印出的薄壁零件的质量。

本实施例的步骤b中，在薄壁区域11的两侧壁处均设计薄壁加固结构2的模型；步骤d中，所打印出的零件1的薄壁区域11两侧壁处均有薄壁加固结构2，以进一步增强该薄壁区域11处的强度，且能保证薄壁区域11处受力平衡，进而能更有效防止该处出现变形。

如图1和图3所示，本实施例中薄壁加固结构2包括加固支架21，该加固支架21包括多根加固杆211，每两根加固杆211的中部相固接；在步骤d中，打印出零件1及薄壁加固结构2后，加固支架21的加固杆211的一端与零件1的薄壁区域11的侧壁固定连接。此种加固支架21的设计，即满足增强薄壁区域11处强度的要求，且在后续处理过程中，通过切除掉零件1表面上整体呈支架结构的各个加固杆211，就能实现将薄壁加固结构2从零件1上去除，方便了薄壁加固结构2的去除工作。且加固支架21的设计，也节省了打印该薄壁加固结构2所需的材料，降低了成本。同时，薄壁加固结构2还包括加固板22，且在步骤d中，打印出零件1及薄壁加固结构2后，加固板22的一侧壁与加固支架21的加固杆211的另一端固定连接，以利用加固板22增强对零件1的薄壁区域11的加固效果，且加固板22与加固杆211另一端相连接的方式，不影响后续将薄壁加固结构2从零件1表面去除的工作量及难度，仍然只需将与零件1直接连接的加固杆211断掉即可。另外，本实施例的步骤d中，在基板3上打印出零件1及薄壁加固结构2后，加固板22的底部与基板3固定连接，以增强加固板22对加固支架21及零件1的薄壁区域11的支撑及固定作用，能更好的限制薄壁区域11出现变形，保证所打印出的零件1质量更高。

本实施例的步骤e中，需对零件1、基板3及薄壁加固结构2一起进行热处理，热处理完成后，再将零件1从基板3上分离下来，并去除零件1上的薄壁加固结构2。此种方式，以能先利用热处理提高零件1的整体强度等后，再进行分离及去除等操作，从而能有效防止直接进行分离及去除等操作造成零件1在该过程中出现变形的情况。

另外，本实施例的步骤e中，需先对固定在一起的零件1、基板3及薄壁加固结构2进行清粉处理，再对固定在一起的零件1、基板3及薄壁加固结构2进行热处理，以避免在后续热处理过程中，因零件1、基板3及薄壁加固结构2等处的粉末对热处理效果、及零件1表面结构造成影响等。具体的，本实施例的步骤e中，采用防爆吸尘器吸掉零件1、基板3及薄壁加固结构2上的粉末，增强了清粉作业时的安全性。

本实施例的步骤b中，在零件1的模型的设定位置设计支撑结构的模型；在步骤c中，对零件1的模型、薄壁加固结构2的模型及支撑结构的模型一起进行切片处理；从而在步骤d中，利用3D打印机在基板3上打印出固定连接在一起的零件1、薄壁加固结构2及支撑结构，以利用支撑结构对零件1相应部位支撑作用，防止零件1相应部位出现变形等。具体的，打印出的支撑结构下端会与基板3固接，其上端会与零件1的底部相应处固接。在上述清粉处理中，还需对支撑结构处的粉末进行清粉，热处理过程中，需将支撑结构与零件1等一起进行热处理，随后在去除零件1上的薄壁加固结构2时，还需将零件1上的支撑结构也去除掉。

本实施例的步骤e中，采用线切割机将零件1从基板3上分离下来，此种方式能有效提高作业效率，且能有效防止对零件1造成损伤。

本实施例中减小3D打印薄壁零件变形方法，可用于打印大尺寸薄壁零件。本减小3D打印薄壁零件变形方法，解决了传统采用切削、铸造、焊接或镜像铣等工艺成形薄壁零件时存在难度大、易变形、精度低等问题。

本实施例中加固支架21与零件1的薄壁区域11接触部位呈点阵形式。具体的，本实施例的步骤a中，利用三维建模软件建立零件1的模型，并保存成STL文件，再利用仿真分析软件模拟打印，从而分析出零件1的各个部位变形情况，找出变形量较大区域、即易变形区域，该区域即为薄壁区域11，进而确定薄壁区域11。在其他实施例中薄壁区域11可通过与设定厚度值对比确定，比如若零件1的某区域厚度小于设定值，则该区域属于薄壁区域11。本实施例的步骤b中，在相应的软件中创建平台，对零件1的模型进行合适的摆放，确定最优摆放方式，测量薄壁区域11的尺寸大小，根据薄壁区域11的大小，在三维建模软件中设计合适大小的呈点阵结构的加固支架21的模型，并在薄壁区域11的两侧处均匀布置加固支架21的模型，以加固薄壁区域11；在加固支架21的外侧设置加固板22的模型，以在后续打印过程中，使加固支架21固定连接在加固板22上，实现二次加固；并在零件1的模型的设定部位设计支撑结构的模型，然后导出零件1的模型、薄壁加固结构2的模型、及支撑结构的模型，并导入切片软件中。本实施例的步骤c中，在切片软件中设置打印参数，打印策略，利用切片软件对零件1的模型、薄壁加固结构2的模型、及支撑结构的模型进行切片，导出切片文件。步骤d中，上机打印，3D打印机采用金属粉末打印出零件1、薄壁加固结构2及支撑结构。步骤e中，采用热处理炉对固定在一起的零件1、薄壁加固结构2、支撑结构及基板3等进行热处理。本减小3D打印薄壁零件变形方法，还会使用其他工具完成相应的操作。

本实施例采用本减小3D打印薄壁零件变形方法打印薄壁零件，可以一次成形，减少了变形等缺陷的产生，也降低了试错成本，提高了打印精度和打印质量。本实施例中减小3D打印薄壁零件变形方法，降低了生产难度，减小了零件1变形，提高了零件1的成形质量，并通过对工艺参数优化以及热处理工序等，减小了零件1出现球化、裂纹、及残余应力等风险。传统制造方式要进行5-10次设计研发，普通的3D打印也要进行多次角度摆放测试才能找到较为合适的方法，成本较高。本减小3D打印薄壁零件变形方法可以极大的减少研发成本，对打印薄壁零件具有极大优势，且操作简单，分析方便，简化了原有的试错程序，对航空航天薄壁件打印具有广阔的应用前景，易于大规模推广。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。