基于slm工艺的零件轻量化设计加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超轻量零件优化设计领域，具体为一种基于SLM工艺的零件轻量化设 计加工方法。
【背景技术】
[0002] 拓扑优化是实现结构轻量化设计的有效手段。但由于传统加工工艺的限制，目前 拓扑优化仅用于结构的概念设计，后期详细设计阶段由于考虑加工工艺，最终的设计重量 通常远大于拓扑优化结果的重量，国内外学者及工业设计人员均认为拓扑优化与增材制造 工艺相结合是实现零件轻量化设计的有效手段，并进行了初步试验研究将拓扑优化与选择 性激光恪化成形技术相结合，选择性激光恪化成形技术（SelectiveLaserMelting，SLM) 是利用零件3D模型分层数据，通过激光逐层熔化冷凝堆积金属粉末直接成形最终零件的 工艺过程，具有复杂结构构造能力强、节约材料、无切削浪费、加工周期短、成本低、无需工 装模具等显著优点，但由于现有拓扑优化软件中均无法设置SLM加工工艺约束，因此优化 设计出的结构通常无法通过SLM工艺加工，或需要设计大量的支撑结构，且支撑结构难以 去除。
[0003] 因此，需要一种将拓扑优化与选择性激光恪化成形技术（SelectiveLaser Melting，SLM)相结合，同时使零件满足SLM无支撑加工的条件，从而能够使零件通过SLM工 艺直接加工，实现零件的轻量化设计与加工。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种将拓扑优化与选择性 激光恪化成形技术（SelectiveLaserMelting，SLM)相结合，同时使零件满足SLM无支撑 加工的条件，从而能够使零件通过SLM工艺直接加工，实现零件的轻量化设计与加工的基 于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法。
[0005] 本发明公开的一种基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，包括以下步骤：通 过零件的三维数字模型建立有限元模型，定义载荷及边界条件；建立零件拓扑优化模型并 设定拓扑优化单向拔模约束；进行零件拓扑优化生成初始轻量化模型，对所述初始轻量化 模型进行力学性能分析，根据初始轻量化模型的应力分布布置不同密度的自支撑多孔结 构，生成最终轻量化模型；利用生成的最终轻量化模型通过选择性激光熔化成形技术加工 出最终轻量化实体零件；
[0006] 进一步，将所述最终轻量化模型进行零件数据分层并设定相应的工艺参数；激光 根据最终轻量化模型数据及设定的工艺参数层层熔化金属粉末加工出最终轻量化实体零 件；
[0007] 进一步，通过选择性激光熔化成形技术加工零件前，将生成的最终轻量化模型进 行有限元分析以验证其力学性能是否满足设计标准；
[0008] 进一步，利用所述最终轻量化模型生成STL模型；将所述STL模型进行零件数据分 层后生成SLI模型；将所述SLI模型导入SLM设备并设定相应的工艺参数进行选择性激光 熔化成形技术加工后得到最终轻量化实体零件；
[0009] 进一步，建立零件拓扑优化模型前，应确定零件基于SLM工艺的加工方向；拓扑优 化模型建立后，根据SLM工艺的加工方向设定零件拓扑优化单向拔模约束。
[0010] 本发明的有益效果是：本发明的基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，在拓 扑优化过程中按指定方向设定单向拔模约束，完成零件拓扑优化，实现了零件轻量化设计， 且基于拔模约束的拓扑优化结果适用于SLM工艺，无需添加支撑结构，不需要繁杂的去支 撑工序，简化了设计工序。
【附图说明】
[0011] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0012] 图1为本发明的基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法的流程图；
[0013] 图2为本实施例的自支撑多孔结构推导示意图；
[0014] 图3为本实施例的自支撑多孔结构的示意图。
【具体实施方式】
[0015] 如图1所示，本实施例的基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，包括以下步 骤：通过零件的三维数字模型建立有限元模型，定义载荷及边界条件；进行零件拓扑优化 生成初始轻量化模型，对所述初始轻量化模型进行力学性能分析，根据初始轻量化模型的 应力分布布置不同密度的自支撑多孔结构，生成最终轻量化模型；利用生成的最终轻量化 模型通过选择性激光熔化成形技术加工出最终轻量化实体零件，本实施例的拓扑优化模 型为：
[0016] findX= (χ1?χ2,Κ,χη)；
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 0 <δ< Χι< 1，i= 1，Κ，η
[0021] 其中，X为设计变量；η为设计变量个数；Φ(Χ)为目标函数；Κ为有限元模型总体 刚度矩阵；F为节点等效载荷向量；U为节点整体位移向量；Gj(X)为第j个约束函数；为 第j个约束函数的上限；J为约束的数量；δ= 10 3以避免刚度矩阵奇异；
[0022] 对拔模方向上处于同一列的单元，其伪密度在拔模方向上的顺序依次为Ρρ Ρ1+1，. ..，Ρ1+"，（m= 1，Κ，Μ);拔模方向为模型的分模/型面4的法向方向，单元i距离模 型的分模/型面4最近，单元i+m距离模型的分模/型面4最远，则：
[0023]
[0024] 对处于拔模方向上同一列的单元Py Pi+1，. . .，P i+m，（m=1，Κ，Μ)，0 <δ<χΑ1 则：
[0025]
[0026] 由上式可得：1 >Pi彡P1+1彡，· · ·，彡P1+n彡0,（m= 1，K，M)，即满足拔模约束 条件；
[0027] 在拓扑优化过程中按指定方向设定单向拔模约束，完成零件拓扑优化，并根据应 力分布布置了自支撑多孔结构，实现了零件轻量化设计，且基于拔模约束的拓扑优化结 果适用于SLM工艺，无需添加支撑结构，不需要繁杂的去支撑工序，简化了设计工序。本 实施例中，对零件进行拓扑优化后生成初始轻量化模型并对所述初始轻量化模型进行力 学性能分析，并根据初始轻量化模型的应力分布设置不同密度的自支撑多孔结构；利用 OptiStruct等程序对零件进行拓扑优化后利用Pro/E等三维建模软件建立拓扑优化后的 初始轻量化模型，进行力学性能分析后根据力学分析结果，布置不同密度的自支撑多孔结 构；图2为本实施例的自支撑多孔结构推导示意图，图3为本实施例的自支撑多孔结构的 示意图；如图2所示ZABC=ZBCE=Φ;平面ABC与平面ABE的夹角为θ;??ηφ= 1/ tanΘ，其中MB为L，（L彡5mm时，为自支撑多孔结构），在MB=BN的条件下推出结构如图 3所示的的空间结构，该结构具有自重较轻，同时保证其具有较强的力学性能。
[0028] 本实施例中，将所述最终轻量化模型进行零件数据分层并设定相应的工艺参数； 激光根据最终轻量化模型数据及设定的工艺参数层层熔化金属粉末加工出最终轻量化实 体零件，利用该技术加工零件具有复杂结构构造能力强、节约材料、无切削浪费、加工周期 短、成本低、无需工装模具等显著优点。
[0029] 本实施例中，通过选择性激光熔化成形技术加工零件前，将生成的最终轻量化模 型进行有限元分析以验证其力学性能是否满足设计标准，由于设置多孔结构后将削弱零 件的力学性能，因此，在设置多孔结构后应再次进行力学性能分析，以确保零件达到设计标 准。
[0030] 本实施例总，利用所述最终轻量化模型生成STL模型；将所述STL模型进行零件数 据分层后生成SLI模型；将所述SLI模型导入SLM设备并设定相应的工艺参数进行选择性 激光熔化成形技术加工后得到最终轻量化实体零件。
[0031] 本实施例中，建立零件拓扑优化模型前，应确定零件基于SLM工艺的加工方向；拓 扑优化模型建立后，根据SLM工艺的加工方向设定零件拓扑优化单向拔模约束，在对零件 进行拓扑优化之前，根据零件边界条件及载荷确定零件设计区域，并确定零件基于SLM工 艺的加工方向，在拓扑优化时，才能根据该加工方向设定零件拓扑优化单向拔模约束，确保 实际加工中的拔模方向与设定的加工方向一致，实现无支撑加工，保证SLM加工的顺利进 行。
[0032] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，其特征在于，包括以下步骤： 通过零件的三维数字模型建立有限元模型，定义载荷及边界条件； 建立零件拓扑优化模型并设定拓扑优化单向拔模约束； 进行零件拓扑优化生成初始轻量化模型，对所述初始轻量化模型进行力学性能分析， 根据初始轻量化模型的应力分布布置不同密度的自支撑多孔结构，生成最终轻量化模型； 利用生成的最终轻量化模型通过选择性激光熔化成形技术加工出最终轻量化实体零 件。2. 根据权利要求1所述的基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，其特征在于：将 所述最终轻量化模型进行零件数据分层并设定相应的工艺参数；利用激光根据生成的最终 轻量化模型及设定的工艺参数层层熔化金属粉末加工出最终轻量化实体零件。3. 根据权利要求1所述的基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，其特征在于：通 过选择性激光熔化成形技术加工零件前，将生成的最终轻量化模型进行有限元分析以验证 其力学性能是否满足设计标准。4. 根据权利要求2所述的基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，其特征在于：利 用所述最终轻量化模型生成STL模型；将所述STL模型进行零件数据分层后生成SLI模型； 将所述SLI模型导入SLM设备并设定相应的工艺参数进行选择性激光熔化成形技术加工并 得到最终轻量化实体零件。5. 根据权利要求1所述的基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，其特征在于：建 立零件拓扑优化模型前，应确定零件基于SLM工艺的加工方向；拓扑优化模型建立后，根据 确定的SLM工艺的加工方向设定零件拓扑优化单向拔模约束。
【专利摘要】本发明公开了一种基于SLM工艺的零件轻量化设计加工方法，包括以下步骤：通过零件的三维数字模型建立有限元模型，定义载荷及边界条件；建立零件拓扑优化模型并设定拓扑优化单向拔模约束；进行零件拓扑优化生成初始轻量化模型,对所述初始轻量化模型进行力学性能分析,根据初始轻量化模型的应力分布布置不同密度的自支撑多孔结构,生成最终轻量化模型；利用生成的最终轻量化模型通过选择性激光熔化成形技术加工出最终轻量化实体零件,在拓扑优化过程中按指定方向设定单向拔模约束，完成零件拓扑优化，实现了零件轻量化设计，且基于拔模约束的拓扑优化结果适用于SLM工艺，无需添加支撑结构，不需要繁杂的去支撑工序，简化了设计工序；引入不同密度的自支撑多孔结构,进一步降低了结构的重量。
【IPC分类】G06F17/50, G06T17/00
【公开号】CN105373645
【申请号】CN201510559822
【发明人】张正文, 李忠华, 罗珺, 徐华鹏
【申请人】苏州西帝摩三维打印科技有限公司, 重庆朗兰科技有限公司, 重庆西帝摩科技有限公司
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年9月6日