用于增材制造的零件尺寸校准方法与流程

本发明涉及增材制造领域，具体地涉及一种用于选区激光熔化增材制造的零件尺寸校准的模型和方法。

背景技术：

选区激光熔化增材制造技术是增材制造领域的重要部分，其基本原理是由计算机设计出零件的三维实体模型，然后通过专用的软件对三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据输入导入选区激光熔化设备，设备按照这些轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末，逐步堆叠成三维金属零件。由于采用精细聚焦光斑快速熔化300～500目的预置粉末材料，因此可以获得很高的尺寸精度和表面粗糙度，其中尺寸精度可达20～50微米，表面粗糙度可达20～30微米。并且几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达到接近100％。

选区激光熔化增材制造技术是一种极具发展前景的快速成型技术，应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。与铸锻造方法相比，这种技术不需要模具，在小型定制化零部件的制备上，具有生产周期短、成本低、加工精度高等优势，因此非常适合于小型定制化零部件的生产。

牙冠(dental crown)是小型定制化零部件的一个例子。牙冠又名牙套，用于修复牙齿，当牙齿损坏后且难于通过补牙的方式修复时，可用不同的材料制成人造牙冠，套在改小了的天然牙冠上，达到修补牙齿的目的。附图的图1(a)是人的全口牙齿的示意图，图1(b)是3D打印出的牙冠的示意图。从图中可以看出，齿科牙冠明显具有小型化和定制化的特性，因此，选区激光熔化技术非常适合用于制备齿科牙冠。经过几年的发展，目前选区激光熔化技术制备钴铬钼材质的齿科牙冠已趋于成熟稳定，并形成了从原材料、建模软件、加工设备、制备工艺到后处理的完整产业链。

采用选区激光熔化技术制造定制牙冠虽然具有生产周期短、成本低、加工精度高等优势，但是也存在一些问题，主要是形位精度和牙冠壁厚达不到使用要求。其中，关于形位精度方面，当小于5颗牙冠相连接制造时，成形的形位精度较好，当5-7颗牙冠相连接制造时，成形的形位精度就会变差，而当7颗以上相连接的牙冠制造时，形位精度基本就没有保证。主要原因是由于选区激光熔化技术属于热成形方法，由于金属材料存在热胀冷缩现象，因此选区激光熔化增材制造过程中，粉末由激光加热熔化成液态而后凝固并冷却下来，必然存在一定的收缩行为，而在制备牙冠时，相连接的牙冠数量越多收缩就会越明显，收缩会导致牙冠尺寸不足而影响安装使用。另外，关于牙冠壁厚方面，齿科上要求金属牙冠壁厚需控制在一定范围内，一般要求金属牙冠的壁厚在0.5mm左右。采用选区激光熔化技术制造牙冠，当模型的厚度一定时，制备出的牙冠壁厚受收缩率的影响较小，主要受制造过程中熔池大小的影响，而熔池大小与激光光斑直径和使用的粉末以及工艺参数有直接关系。

图2(a)是表示激光光斑201与熔池202的示意图。目前市面上比较常见的选区激光熔化制造设备其光斑直径都在百微米级别，激光光斑需要与零件轮廓有合适的偏移量(称为光斑补偿，简称BO)，否则激光烧结时就会因为熔池大小的缘故而使牙冠壁厚偏大或偏小，这样都会影响最终的使用效果。图2(b)是激光没有光斑补偿时沿零件模型的轮廓扫描烧结的示意图，其中，203表示零件模型的轮廓，204表示实际激光烧结成形的零件轮廓。从图2(b)可看出，在没有光斑补偿的情况下，激光沿着模型轮廓扫描烧结，最终会使零件的外形变大。图2(c)是激光有光斑补偿时沿零件模型的轮廓扫描烧结的示意图，其中，203表示零件模型的轮廓，205表示激光扫描的路径，206表示激光光斑补偿。从图2(c)可看出，只有设置合适的光斑补偿，激光扫描烧结成的零件才能与模型吻合。因此，上述的形位精度和牙冠壁厚这两方面的问题制约了选区激光熔化技术在7颗以上乃至14颗全口牙冠上的制造与应用。

利用选区激光熔化增材制造技术制备与牙冠类似形状的小型定制化零部件时也存在同样的问题，也就是说，当制备有一定的长度和壁厚的零件时，由于金属材料的收缩率的影响，会影响制备出的零件的形位精度，由于熔池大小的影响，会影响制备出的零件的壁厚。当零件的长度越长时，对形位精度的影响越大，十分影响制备出的零件的合格率。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供一种利用选区激光熔化技术制备类似牙冠的有一定长度和厚度的零件时的尺寸校准模型和方法，用于改善因长度较长并由热胀冷缩引起的形位精度不足以及因激光光斑熔池大小而引起的壁厚不符合要求的问题。

本发明提供一种用于增材制造的零件尺寸校准方法，其特征在于，包括以下步骤：S1创建零件的校准模型；S2打印上述校准模型并进行所需的后处理；S3测量所打印的校准模型的相应尺寸并进行计算；S4根据上述计算的结果进行校准；S5重新打印校准后的校准模型并进行测量，验证关键尺寸是否符合要求。

根据本发明用于增材制造的零件尺寸校准方法，其中，零件为齿科牙冠。

根据本发明用于增材制造的零件尺寸校准方法，其中，校准模型由彼此连接的多个具有一定壁厚的圆筒组成。

根据本发明用于增材制造的零件尺寸校准方法，其中，在步骤S3中，通过测量多个圆筒的壁厚来计算激光的光斑补偿量，通过测量多个圆筒的圆心距来计算收缩率。

根据本发明用于增材制造的零件尺寸校准方法，其中，计算光斑补偿量的公式如下：

其中，BO表示光斑补偿量，Ti表示第i次测量的壁厚，T0表示模型的名义壁厚；

计算收缩率的公式如下：

X方向：

其中，X表示校准模型上某两个圆筒实测圆心距在X方向上的分量，X0表示模型上某两个圆筒名义圆心距在X方向上的分量，

Y方向：

其中，Y表示校准模型上某两个圆筒实测圆心距在Y方向上的分量，Y0表示模型上某两个圆筒名义圆心距在Y方向上的分量。

根据本发明用于增材制造的零件尺寸校准方法，其中，在步骤S4中，如果增材制造设备支持收缩和光斑偏置的参数调整，则将步骤S3计算的结果输入设备，如果增材制造设备不支持收缩和光斑偏置的参数调整，则按照步骤S3计算得到的收缩率反向扩大校准模型，按照步骤S3计算的光斑补偿量反向调整壁厚。

根据本发明用于增材制造的零件尺寸校准方法，能够有效的改善因长度较长并由热胀冷缩引起的形位精度不足以及因激光光斑熔池大小而引起的壁厚不符合要求的问题。

附图说明

图1(a)是人的全口牙齿的示意图；

图1(b)是3D打印的牙冠的示意图；

图2(a)是表示激光光斑与熔池的示意图；

图2(b)是激光没有光斑补偿时沿零件模型的轮廓扫描烧结的示意图；

图2(c)是激光有光斑补偿时沿零件模型的轮廓扫描烧结的示意图；

图3是表示激光光斑补偿对零件尺寸的影响的示意图；

图4是表示收缩率对零件尺寸的影响的示意图；

图5(a)和图5(b)是用于齿科牙冠尺寸校准的校准模型的示意图；

图6是零件尺寸校准方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案。需要说明的是，附图仅用于示例说明，不能理解为对本发明的限制。

(一)零件尺寸校准的基本原理

首先介绍本发明的零件尺寸校准方法的基本原理。图3是表示激光光斑补偿对零件尺寸的影响的示意图，其中，301表示模型壁厚，302表示实际激光烧结壁厚，303表示孔型圆心距。模型壁厚301与实际激光烧结壁厚302的差异体现了对壁厚的影响，孔型圆心距303体现了对形位尺寸的影响。从图3可看出，在不考虑收缩率的影响、仅考虑光斑补偿的影响时，激光光斑补偿对薄壁零件的壁厚和外形尺寸有较大影响，而对形位尺寸无影响。

图4是表示收缩率对零件尺寸的影响的示意图，其中，401表示原始模型，402表示打印收缩的零件，403和405分别表示原始模型的圆心距和外形尺寸，404和406分别表示发生收缩的打印零件的圆心距和外形尺寸。从图4可看出，由于材料收缩的影响，打印零件的圆心距404小于原始模型的圆心距403，打印零件的外形尺寸406小于原始模型的外形尺寸405。也就是说，在不考虑光斑补偿的影响、仅考虑收缩率的影响时，收缩膨胀对零件的外形尺寸和形位尺寸有影响，而对薄壁零件的壁厚的影响小。因为模型壁厚只有0.5mm时，收缩率通常在0.1％左右量级，粗略计算收缩率对壁厚的影响只有几微米而已，可以忽略不计。

综上分析可以得知，形位尺寸只受收缩膨胀的影响，壁厚主要受光斑补偿的影响，外形尺寸同时受收缩率和光斑补偿的影响。因此，可以通过对比打印零件和零件模型的形位尺寸差异来计算收缩率，通过对比打印零件和零件模型的壁厚来计算激光需要的光斑补偿。

(二)零件尺寸校准的校准模型

用于零件尺寸校准的模型应当具备以下特点：与实际零件具有相似的结构，从而使校准结果更适用于实际零件；同时需要舍弃一些细节，方便前期建模和后期的测量与计算。也即是说，由于校准模型是用于校准收缩率以及校准光斑补偿对零件尺寸的影响，因此校准模型主要需保留能体现出零件外形尺寸和壁厚的结构，其他的细节结构可以省略。

以下以牙冠为例进行说明。图5(a)和图5(b)是用于齿科牙冠尺寸校准的校准模型的示意图。基于以上所述的考虑，齿科牙冠的校准模型应当能够体现出牙冠的外形尺寸以及壁厚。如图5(a)和图5(b)所示，牙冠尺寸校准的校准模型由14个大小不同的壁厚为0.5mm的圆筒501组成，高度为5mm，14个圆筒模拟人的14颗全口牙冠，并用“桥”502连接。牙冠的校准模型的整体外围尺寸与实际牙床尺寸相近，约为50mm x 60mm，每个圆筒的大小也模拟了相应位置牙齿的大小，14个圆筒的布局形成的弧线与人体牙床接近。也就是说，牙冠的校准模型与实际的牙冠模型具有相似的结构，以14个圆筒模拟实际的牙冠，体现了外形尺寸以及壁厚，但省略了牙齿的具体结构。

(三)零件尺寸校准的计算公式

(1)光斑补偿BO：

为了降低测量误差的影响，采取多次测量计算，最后取平均值的方法计算光斑补偿BO，公式如下：

其中，Ti表示第i次测量的壁厚，T0表示模型的名义壁厚。

(2)收缩率

为了降低测量误差的影响，同样采取测量多个位置计算，最后求平均值的方法。收缩率可能因设备的原因，造成水平面上两个方向收缩率不同，因此分为X和Y两个相互垂直的方向(无明确规定，只需与模型对应即可)，分别进行收缩率计算，如下：

X方向：

其中，X表示根据校准模型打印的校准零件上某两个圆筒实测圆心距在X方向上的分量，X0表示模型上某两个圆筒名义圆心距在X方向上的分量，X0有不同的值。

Y方向：

其中，Y表示根据校准模型打印的校准零件上某两个圆筒实测圆心距在Y方向上的分量，Y0表示模型上某两个圆筒名义圆心距在Y方向上的分量，Y0有不同的值。

以上的计算公式适用于牙冠的尺寸校准，也适用于与牙冠类似形状的零件的尺寸校准。并且，以这种思路也可以设计出其他形状的零件在尺寸校准时所采用的计算公式。

(四)零件尺寸校准的步骤

以下介绍零件尺寸校准的具体步骤。图6是零件尺寸校准的流程图。

在步骤S601，创建零件的校准模型。如前面所述，校准模型应当具备以下特点：与实际零件具有相似的结构，从而使校准结果更适用于实际零件；同时需要舍弃一些细节，方便前期建模和后期的测量与计算。以牙冠为例，如图5(a)和图5(b)所示的用于牙冠尺寸校准的校准模型，为了便于测量以及计算收缩率和光斑补偿，将对应牙齿的部分设计为具备薄壁的圆筒，中间用“桥”连接，而省去了实际牙冠的其余细节部分。并且，校准模型的整体外围尺寸与实际牙床尺寸相近，每个圆筒的大小也模拟相应位置牙齿的大小。与牙冠类似形状的具有一定长度和壁厚的零件也可以类似设计校准模型。

在步骤S602，打印出零件的校准模型并进行所需的后处理。由于校准结果因设备、材料以及工艺条件不同而不同，因此，尺寸校准需要固定设备、材料和工艺条件，然后进行校准模型的打印。另外，如果实际零件在打印出来后还需后处理，为了保持一致性，那么也需要对校准模型进行同样的后处理。以牙冠为例，实际的金属牙冠打印出来后，需要进行热处理和喷砂等后处理工艺，那么校准模型打印出来后，也需要采用相同的工艺进行热处理和喷砂等后处理。

在步骤S603，测量所打印的校准模型的相应尺寸并进行计算。以牙冠为例，采用三坐标测量打印出的校准模型，抽检测量若干个壁厚和圆筒圆心距，参照图5(a)，例如测量圆筒1#、4#、4’#、1’#的壁厚，测量圆筒1-4、1-7’、1-4’、1-1’的圆心距。利用圆筒的壁厚、以及以上所述的公式(1)和(2)计算激光光斑补偿量，利用圆心距、以及以上所述的公式(3)～(6)计算收缩率。

在步骤S604，根据步骤S603的计算结果进行校准。具体地说，如果打印设备支持收缩和光斑偏置的参数调整，则将步骤S603计算的结果输入设备即可，如果设备不支持收缩和光斑偏置的参数调整，则按照步骤S603的计算结果反向调整校准模型，即按照计算得到的收缩率反向扩大校准模型，按照计算的激光光斑偏置量反向调整壁厚。

在步骤S605，在完成步骤S604的校准后，重新打印校准模型并进行测量，验证关键尺寸是否符合尺寸公差的要求。如果不符合要求则按照以上步骤再次进行校准。

通过设计与人体牙齿实际形貌相似的校准模型为基础，以理论分析为依据，通过校准模型的形位尺寸与模型额差异计算收缩率，通过校准模型壁厚与模型的差异计算光斑补偿。由计算的收缩率和光斑补偿数据来校准设备或修正模型，可以改善或解决7颗以上乃至14颗全口牙冠增材制造尺寸达不到要求的问题，促进7颗以上牙冠增材制造的制造及应用。以上以齿科牙冠为例介绍了有一定长度和壁厚的零件的尺寸校准方法，根据本发明提供的启示，本领域技术人员可以根据某零件的形状设计不同形貌的适合于该零件的尺寸校准模型及计算公式。

以上记载了本发明的优选实施例，但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用，这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。