一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法
【专利摘要】本发明涉及一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，属于增材制造【技术领域】。该方法包括以下步骤：步骤一：根据金属高能束增材制造的特点S0和零件的特征S1确定最小热变形的标准面积S2；步骤二：对零件进行单层切片，获得平面轮廓S3；步骤三：对于平面轮廓S3进行扫描路线生成，获得控制热变形的单层扫描路径S6；步骤四：重复步骤二和步骤三，直到切片完成获得模型的扫描路径S8。本方法对高能束的输入热量进行均匀化控制，减少了金属增材制造过程中的成形零件的热致变形，能够很好的克服现有高能束增材制造技术无法对输入热量进行有效管理和控制的问题。
【专利说明】一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于增材制造【技术领域】，涉及一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法。
【背景技术】
[0002]金属增材制造的机理无非是高能束与金属之间的作用，即成形过程中能量吸收与传递范围控制机理与机制。然而，对于金属增材制造，金属粉末快速融凝过程中产生热量及其传递对于成形能力、残余应力与变形具有重大影响。因此，合理的高能束扫描路径是对热量的有效管理和控制，能够在很大程度上避免金属零件产生过大变形。
[0003]以现有激光选区熔融(SLM)增材制造为例，对于较大型实体金属零件的热量分配和控制方法是通过对平面轮廓(即选区熔融区域)生成棋盘状分区并生成扫描路径来完成。然而，棋盘状分区的生成方式是通过计算轮廓的最大包围盒来完成的，没有考虑轮廓自身的拓扑(如孔、岛屿等)，也未考虑孔、岛屿等的几何尺度。也就是说，无论轮廓是什么尺度、什么形状、什么拓扑，采用的方法都不予考虑，只考虑最大轮廓的尺寸。其结果是:在每个格子获得的激光输入能量并不一定相等，因为每个格子中可能只熔融零、部分或整个格子的金属，具体取决于轮廓的几何和拓扑。
[0004]目前，增材制造技术对金属实体采用四种扫描路径生成扫描路径，即轴平行扫描、等距、变角度平行扫描以及棋盘分区扫描。而且，每个金属零件实体部分只能采用其中一种扫描路径生成方式，从而难以对高能束的输入热量进行有效管理和控制。由于增材制造技术具有制造几何与拓扑复杂的结构，因此寻找一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，该方法能够克服现有高能束增材制造技术无法对输入热量进行有效管理和控制的问题。
[0006]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]—种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，该方法包括以下步骤:步骤一:根据金属高能束增材制造的特点SO和零件的特征SI确定最小热变形的标准面积S2 ;步骤二:对零件进行单层切片，获得平面轮廓S3 ;步骤三:对于平面轮廓S3进行扫描路线生成，获得控制热变形的单层扫描路径S6 ;步骤四:重复步骤二和步骤三，直到切片完成获得模型的扫描路径S8。
[0008]进一步，在步骤三中，平面轮廓扫描路线生成具体包括以下步骤:1)根据轮廓的几何特征进行拓扑分类，建立多叉树层次数据结构S4，来表征轮廓的拓扑结构；2)根据数据结构层次的奇偶性将轮廓分解为由一个外环与零个或多个内环构成的、具有简单拓扑的几何集S5 ；3)对于S5中的几何元素，如果:a)几何元素的面积小于标准面积，采用偏置的方法生成扫描路径；b)几何元素的面积大于标准面积，且没有面积远小于标准面积的内环，那么通过逐步消除内环个数的方式来对几何元素进行等标准面积分块，并对分块生成与水平方向成随机夹角平行扫描路径；C)面积大于标准面积，且具有面积远小于标准面积的内环，那么先去掉这些内环按B描述的方式生成扫描路径，之后去掉位于这些内环内的扫描路径；4)对S5中的所有几何元素都按照步骤3)中的方法处理，最终获得单层扫描路径S6。
[0009]进一步，所述的金属材料包括:钢、铝合金、钛合金以及高温合金。
[0010]进一步，所述的高能束包括:激光、电子束、等离子束及微波。
[0011]进一步，所述的增材制造方法包括:激光选区烧结(SLS)、激光选区熔融(SLM)、激光立体成形(LENS)和电子束熔融(EBM)。
[0012]本发明的有益效果在于:本发明所采用的方法对高能束的输入热量进行均匀化控制，减少了金属增材制造过程中的成形零件的热致变形，能够很好的克服现有高能束增材制造技术无法对输入热量进行有效管理和控制的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0014]图1为本发明所述方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0016]图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述的方法包括以下步骤:步骤一:根据金属高能束增材制造的特点SO和零件的特征SI确定最小热变形的标准面积S2 ;步骤二:对零件进行单层切片，获得平面轮廓S3 ;步骤三:对于平面轮廓S3进行扫描路线生成，获得控制热变形的单层扫描路径S6 ;步骤四:重复步骤二和步骤三，直到切片完成获得模型的扫描路径S8。
[0017]其中，在步骤三中，平面轮廓扫描路线生成具体包括以下步骤:
[0018]I)根据轮廓的几何特征进行拓扑分类，建立多叉树层次数据结构S4，来表征轮廓的拓扑结构；
[0019]2)根据数据结构层次的奇偶性将轮廓分解为由一个外环与零个或多个内环构成的、具有简单拓扑的几何集S5 ；
[0020]3)对于S5中的几何元素，如果:a)几何元素的面积小于标准面积，采用偏置的方法生成扫描路径；b)几何元素的面积大于标准面积，且没有面积远小于标准面积的内环，那么通过逐步消除内环个数的方式来对几何元素进行等标准面积分块，并对分块生成与水平方向成随机夹角平行扫描路径；c)面积大于标准面积，且具有面积远小于标准面积的内环，那么先去掉这些内环按B描述的方式生成扫描路径,之后去掉位于这些内环内的扫描路径；
[0021]4)对S5中的所有几何元素都按照步骤3)中的方法处理，最终获得单层扫描路径S6。
[0022]在本实施例中，所述的金属材料包括:钢、铝合金、钛合金以及高温合金等；所述的高能束包括:激光、电子束、等离子束及微波等；所述的增材制造方法包括:激光选区烧结(SLS)、激光选区熔融(SLM)、激光立体成形(LENS)和电子束熔融(EBM)等。
[0023]最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【权利要求】
1.一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:根据金属高能束增材制造的特点SO和零件的特征SI确定最小热变形的标准面积S2 ； 步骤二:对零件进行单层切片，获得平面轮廓S3 ； 步骤三:对于平面轮廓S3进行扫描路线生成，获得控制热变形的单层扫描路径S6 ； 步骤四:重复步骤二和步骤三，直到切片完成获得模型的扫描路径S8。
2.根据权利要求1所述的一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，其特征在于:在步骤三中，平面轮廓扫描路线生成具体包括以下步骤: 1)根据轮廓的几何特征进行拓扑分类，建立多叉树层次数据结构S4，来表征轮廓的拓扑结构； 2)根据数据结构层次的奇偶性将轮廓分解为由一个外环与零个或多个内环构成的、具有简单拓扑的几何集S5 ； 3)对于S5中的几何元素，如果:a)几何元素的面积小于标准面积，采用偏置的方法生成扫描路径；b)几何元素的面积大于标准面积，且没有面积远小于标准面积的内环，那么通过逐步消除内环个数的方式来对几何元素进行等标准面积分块，并对分块生成与水平方向成随机夹角平行扫描路径；c)面积大于标准面积，且具有面积远小于标准面积的内环，那么先去掉这些内环按B描述的方式生成扫描路径，之后去掉位于这些内环内的扫描路径; 4)对S5中的所有几何元素都按照步骤3)中的方法处理，最终获得单层扫描路径S6。
3.根据权利要求1所述的一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，其特征在于:所述的金属材料包括:钢、铝合金、钛合金以及高温合金。
4.根据权利要求1所述的一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，其特征在于:所述的高能束包括:激光、电子束、等离子束及微波。
5.根据权利要求1所述的一种控制金属零件增材制造热变形的扫描路径生成方法，其特征在于:所述的增材制造方法包括:激光选区烧结、激光选区熔融、激光立体成形和电子束熔融。
【文档编号】B22F3/105GK104148636SQ201410438630
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】范树迁, 王国玉, 段宣明, 刘基权, 宋昕 申请人:中国科学院重庆绿色智能技术研究院