一种适用于复杂结构工件的电弧打印方法及系统与流程

1.本发明属于电弧打印技术领域，具体涉及一种适用于复杂结构工件的电弧打印方法及系统。


背景技术：

2.电弧增材制造采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件，具有热输入高、成型速度快的优点，适用于大尺寸构件。增材制造技术是由零件三维数据驱动，采用材料逐层叠加的方法制造实体零件的快速成形技术，该成形方法减少工序、缩短产品制造周期、制造效率高、产品质量优异，相识于各种类型的构件制造。
3.但现有的技术成形复杂结构工件时表现出一定的局限性，是因为复杂结构的工件中交错位置、镂空位置太多，在增材打印时容易出现未熔合，而且在增材中起熄弧次数太多会导致工件表面或内部出现裂纹，进而影响工件品质。


技术实现要素：

4.发明目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于复杂结构工件的电弧打印方法及系统。
5.技术方案：一种适用于复杂结构工件的电弧打印方法，包括以下步骤：构建关于待打印工件的理论模型，将所述理论模型按照结构构造划分为镂空结构、悬空结构、以及实体结构；分别获取关于镂空结构、悬空结构、以及实体结构的镂空结构信息、悬空结构信息、以及实体结构信息；基于镂空结构信息、悬空结构信息对应建立第一打印流程、第二打印流程；其中，所述第一打印流程中包括：镂空打印、中间实体打印；所述第二打印流程包括：悬空打印；若当前区域待打印结构构造为镂空结构时，基于所述第一打印流程对当前区域选择镂空打印或中间实体打印，并打印出相应的镂空结构或中间实体结构；当执行中间实体打印时，对当前区域打印出的中间实体结构以及当前区域对应的镂空结构信息进行第一标记；若当前区域待打印结构构造为悬空结构时，基于所述第二打印流程对当前区域进行悬空打印，并打印出悬空结构，同时对该悬空结构以及当前区域对应的悬空结构信息进行第二标记；若当前区域待打印结构构造为实体结构时，对当前区域执行实体打印，打印出实体结构；基于第一标记和第二标记，对中间实体结构和悬空结构相应进行切削或去除。
6.在进一步的实施例中，所述第一打印流程包括以下步骤：当前区域待打印结构构造为镂空结构时，基于所述镂空结构信息判断该镂空结构内部是否包括实体结构或悬空结构其中的至少一个；若是，则基于镂空结构信息对当前区域进行中间实体打印，得到相应的中间实体结构，反之，则基于镂空结构信息对当前区域进行镂空打印，得到镂空结构；
对所述中间实体结构、该当前区域对应的待打印镂空结构的镂空结构信息进行第一标记，基于第一标记，对中间实体结构进行切削，得到当前区域对应的镂空结构。
7.在进一步的实施例中，所述第二打印流程包括以下步骤：当前区域待打印结构构造为悬空结构时，基于所述悬空结构信息在打印前配置支撑结构，以支撑结构顶面为基础面从下至上依次进行悬空打印，打印出悬空结构；对所述悬空结构、该当前区域对应的待打印悬空结构的悬空结构信息进行第二标记，基于第二标记，对悬空结构进行切削，去除支撑结构，得到当前区域对应的悬空结构。
8.在进一步的实施例中，所述支撑结构的配置过程如下：选择第一支撑基板和第二支撑基板，将第一支撑基板底面焊接反变形结构；将第二支撑基板顶面与第一支撑基板底面焊接。
9.在进一步的实施例中，所述镂空结构信息、悬空结构信息、实体结构信息中均至少包括：待打印结构构造的形状、位置以及尺寸。
10.在进一步的实施例中，还包括以下步骤：建立第三打印流程；所述第三打印流程包括以下步骤：在预定面积范围内，若多个待执行镂空打印流程形成的多个镂空结构总面积占比超出预定比例，则按照单个镂空结构面积从小至大的顺序将相对应的打印操作由镂空打印转变成中间实体打印，打印出中间实体结构，并对该中间实体结构以及相应的镂空结构信息进行标记，以使该预定面积范围内，新的多个镂空面积总和占比低于预定比例。
11.在进一步的实施例中，还包括以下步骤：建立第四打印流程；所述第四打印流程包括以下步骤：在预定面积范围内，若多个待执行镂空打印流程形成的相邻两个镂空结构之间的间距小于预定间距阈值，则选取该两个相邻镂空结构中一个镂空结构将其对应的打印操作由镂空打印转变为中间实体打印，打印出中间实体结构，并对该中间实体结构以及相应的镂空结构信息进行标记。
12.在进一步的实施例中，还包括以下步骤：每一次打印完成后对当前工件表面进行气孔检测并得到检测结果，若检测结果显示当前工件表面存在气孔，则需要对当前工件表面进行处理。
13.在另一个技术方案中提出了一种适用于复杂结构工件的电弧打印系统，用于实现上述的适用于复杂结构工件的电弧打印方法，所述系统包括：第一模块，用于构建关于待打印工件的理论模型，将所述理论模型按照结构构造划分为镂空结构、悬空结构、以及实体结构；分别获取关于镂空结构、悬空结构、以及实体结构的镂空结构信息、悬空结构信息、以及实体结构信息；第二模块，用于基于镂空结构信息、悬空结构信息对应建立第一打印流程、第二打印流程；其中，所述第一打印流程中包括：镂空打印、中间实体打印；所述第二打印流程包括：悬空打印；若当前区域待打印结构构造为镂空结构时，基于所述第一打印流程对当前区域选择镂空打印或中间实体打印，并打印出相应的镂空结构或中间实体结构；当执行中间实体打印时，对当前区域打印出的中间实体结构以及当前区域对应的镂空结构信息进行第一标记；若当前区域待打印结构构造为悬空结构时，基于所述第二打印流程对当前区域进行悬空打印，并打印出悬空结构，同时对该悬空结构以及当前区域对应的悬空结构信息进
行第二标记；若当前区域待打印结构构造为实体结构时，对当前区域执行实体打印，打印出实体结构；第三模块，用于基于第一标记和第二标记，对中间实体结构和悬空结构相应进行切削或去除。
14.有益效果：面对复杂工件时，若其镂空结构中包含有实体结构或悬空结构，将其打印操作由镂空打印变成实体打印，进而降低了结构的复杂性，减少起弧、熄弧的次数，进而减低了工件出现裂纹的概率，同时也减少未熔合的现象；对于悬空结构，增加支撑结构，降低打印悬空结构的难度，以提高打印效率。
附图说明
15.图1为实施例1的一种适用于复杂结构工件的电弧打印方法的流程图。
具体实施方式
16.实施例1在面对结构复杂的待打印工件，如待打印工件具有复杂交错的镂空结构、悬空结构时，直接采用电弧增材逐层堆焊，打印出来的工件容易出现未熔合或者出现裂纹，工件品质降低，为了解决该问题，提出了以下技术方案。以下结合实施例具体说明。
17.本实施例提供了一种适用于复杂结构工件的电弧打印方法，包括以下步骤：s100、构建关于待打印工件的理论模型，将所述理论模型按照结构构造划分为镂空结构、悬空结构、以及实体结构；分别获取关于镂空结构、悬空结构、以及实体结构的镂空结构信息、悬空结构信息、以及实体结构信息。根据待打印工件外形结构特征在计算机中生成关于待打印工件的仿真模型（理论模型）。该模型中包括待打印工件的结构构造，至少包括：镂空结构、悬空结构、实体结构。根据镂空结构、悬空结构、以及实体结构，相应地获取镂空结构信息、悬空结构信息、以及实体结构信息。其中，镂空结构信息中包括待打印结构形状、位置以及尺寸各数据信息，悬空结构信息中包括待打印结构形状、位置以及尺寸各数据信息，实体结构信息中包括待打印结构形状、位置以及尺寸各数据信息。例如，镂空结构信息中包含待打印工件中所有镂空结构的信息，如镂空结构的形状，尺寸，在打印工件上的分布位置。悬空结构信息中包含待打印工件中所有悬空结构的信息，如悬空结构的形状，尺寸，在打印工件上的分布位置。实体结构信息中包含待打印工件中所有实体结构的信息，如实体结构的形状，尺寸，在打印工件上的分布位置。
18.s200、基于镂空结构信息、悬空结构信息对应建立第一打印流程、第二打印流程；其中，所述第一打印流程中包括：镂空打印、中间实体打印；所述第二打印流程包括：悬空打印；当前区域待打印结构构造为镂空结构时，基于所述第一打印流程对当前区域选择镂空打印或中间实体打印，并打印出相应的镂空结构或中间实体结构；当执行中间实体打印时，对当前区域打印出的中间实体结构以及当前区域对应的镂空结构信息进行第一标记；若当前区域待打印结构构造为悬空结构时，基于所述第二打印流程对当前区域进
行悬空打印，并打印出悬空结构，同时对该悬空结构以及当前区域对应的悬空结构信息进行第二标记；若当前区域待打印结构构造为实体结构时，对当前区域执行实体打印，打印出实体结构。
19.若当前区域待打印信息为实体结构信息时，对当前区域执行实体打印，打印出实体结构。
20.s300、基于第一标记和第二标记，对中间实体结构和悬空结构相应进行切削或去除。
21.所述第一打印流程包括以下步骤：当前区域待打印结构构造为镂空结构时，基于所述镂空结构信息判断该镂空结构内部是否包括实体结构或悬空结构其中的至少一个；若是，则基于镂空结构信息对当前区域进行中间实体打印，得到相应的中间实体结构，反之，则基于镂空结构信息对当前区域进行镂空打印，得到镂空结构；对所述中间实体结构、该当前区域对应的待打印镂空结构的镂空结构信息进行第一标记，基于第一标记，对中间实体结构进行切削，得到当前区域对应的镂空结构。
22.具体说明如下：本实施例采用的焊丝为铝合金焊丝，该焊丝中除了铝还包括以下成分：si、fe、cu、mg、ti、mn。针对待打印工件的复杂结构，分析出其零件结构镂空、实体、悬空各结构交错位置太多，采用传统增材工艺，容易出现焊丝未熔合现象，而且根据采用的焊丝材料成分，在焊接镂空或悬空时，起熄弧太多，进而导致工件内部或表面出现裂纹，为此，设置第一打印流程。基于理论模型，得到当前区域待待打印结构是镂空结构时，基于镂空结构信息判断待打印的镂空结构内部是否包含有其他的实体结构或者悬空结构中至少一个；如果待打印的镂空结构中至少包含有一个实体结构或悬空结构，那么，对该当前区域不进行镂空打印而进行中间实体打印，打印出中间实体结构，同时标记当前区域打印出来中间实体结构，当前区域对应的镂空结构信息（即当前区域本来要打印的镂空结构对应的镂空结构信息）。如果当前区域待打印结构是镂空结构且其内部无其他结构（实体结构或悬空结构），那么对当前区域直接进行镂空打印，得到镂空结构。之所以这样设计，是因为，待打印的镂空结构中包含有实体结构或悬空结构，如果按照理论模型中的信息，直接打印镂空结构以及镂空结构包含的实体结构或悬空结构，会有以下问题：1. 结构复杂，起弧、熄弧操作太多，导致工件出现裂纹；2.结构太多导致交错位置多，焊接后容易造成未熔合现象；3. 增材时间耗时长，效率慢。所以，当面对待打印的镂空结构中包含有实体结构或悬空结构，将其打印操作由镂空打印变成中间实体打印，进而减少出现以上的问题。当镂空结构中无其他结构时，结构单一，可直接进行镂空打印，不转变为中间实体打印，节约增材时间。
23.所述第二打印流程包括以下步骤：当前区域待打印结构构造为悬空结构时，基于所述悬空结构信息在打印前配置支撑结构，以支撑结构顶面为基础面从下至上依次进行悬空打印，打印出悬空结构；对所述悬空结构、该当前区域对应的待打印悬空结构的悬空结构信息进行第二标记，基于第二标记，对悬空结构进行切削，去除支撑结构，得到当前区域对应的悬空结构。
24.所述支撑结构的配置过程如下：选择第一支撑基板和第二支撑基板，将第一支撑基板底面焊接反变形结构；将第二支撑基板顶面与第一支撑基板底面焊接。
25.具体说明如下：复杂的工件除了镂空结构复杂，还包含有很多的悬空结构，然而悬
空结构本身相对于已经打印的工件上处于悬空状态，直接打印无法增材打印，为了解决此问题，提出了以下技术方案：当前区域待打印结构为悬空结构时，基于悬空结构对应的悬空结构信息，在打印前配置支撑结构，以支撑结构顶面为基础面从下至上依次进行悬空打印，打印出悬空结构，同时对该悬空结构、以及当前区域相对应的悬空结构信息（即当前区域本来要打印的悬空结构对应的悬空结构信息）。支撑结构包括第一支撑基板和第二支撑基板，将第一支撑结构底面焊接反变形结构，反变形结构为：“工”字形，或两组横向平行结构与一组竖向结构相交。第二支撑基板焊接在第一支撑基板下方，防止第一支撑基板在焊接过程中变形。
26.对于已经标记的中间实体结构，基于标记的镂空结构信息，对中间实体结构切削，从而得到理论模型中相同的镂空结构。对于已经标记的悬空结构，基于标记的悬空结构信息，对该悬空结构进行切削，去除支撑结构，使其与理论模型相对应的结构一致。
27.电弧增材是采用逐层堆焊的方式进行的，在同一层增材时，对当前区域进行判别为执行镂空打印时，并非立即打印，在同一层的相邻位置判断是否有其他的执行镂空打印的位置，如果在一片区域内，待执行镂空打印的个数过多，密度过大，将导致该区域内的整体结构变得复杂，进而起弧、熄弧次数过多，工件容易出现裂纹，为了解决此问题提出以下技术方案：建立第三打印流程；所述第三打印流程包括以下步骤：在预定面积范围内，若多个待执行镂空打印流程形成的多个镂空结构总面积占比超出预定比例，则按照单个镂空结构面积从小至大的顺序将相对应的打印操作由镂空打印转变成中间实体打印，打印出中间实体结构，并对该中间实体结构以及相应的镂空结构信息进行标记，以使该预定面积范围内，新的多个镂空面积总和占比低于预定比例。该预定比例为60~80%。即在一片区域内，多个待执行镂空打印流程的所有镂空结构的总的横截面积占该区域的面积超出60~80%时，此时将其中部分的镂空打印转变为中间实体打印，相应打印出中间实体结构，并对这些中间实体结构进行标记，后期对这些中间实体结构根据相应的镂空结构信息进行切削，使其与理论模型的相对应的镂空结构相同。按照单个镂空结构的横截面积从小至大的顺序依次转变，直至新的多个镂空面积总和占比低于预定比例。
28.在一些工况下，在一片区域内，如果多个待执行镂空打印流程形成的相邻两个镂空结构之间的间距过小，使得在执行镂空打印时，两位置为增材造成影响，容易出现未熔合的现象，为了解决此问题，提出了以下技术方案：建立第四打印流程；所述第四打印流程包括以下步骤：在预定面积范围内，若待执行镂空打印形成的相邻两个镂空结构之间的间距小于预定间距阈值，则选取该两个相邻镂空结构中一个镂空结构将其对应的打印操作由镂空打印转变为中间实体打印，打印出中间实体结构，并对该中间实体结构以及其相应的镂空结构信息进行标记。其中，预定间距阈值为0.5~5cm（厘米）。后期对该标记的中间实体结构进行切削使其与理论模型中相对应的镂空结构相同。
29.每一次打印完成后对当前工件表面进行气孔检测并得到检测结果，若检测结果显示当前工件表面存在气孔，则需要对当前工件表面进行处理。这是因为工件表面存在气孔属于焊接缺陷（打印过程工件表面不能存在气孔），会影响工件性能，在使用过程中容易出现质量问题，所以要避免气孔出现。当工件表面存在气孔时，使用合金钢刀打磨掉气孔部
分，手动编程补焊。
30.实施例2本实施提供了一种适用于复杂结构工件的电弧打印系统，用于实现实施例1所述的适用于复杂结构工件的电弧打印方法，所述系统包括：第一模块，用于构建关于待打印工件的理论模型，将所述理论模型按照结构构造划分为镂空结构、悬空结构、以及实体结构；分别获取关于镂空结构、悬空结构、以及实体结构的镂空结构信息、悬空结构信息、以及实体结构信息；第二模块，用于基于镂空结构信息、悬空结构信息对应建立第一打印流程、第二打印流程；其中，所述第一打印流程中包括：镂空打印、中间实体打印；所述第二打印流程包括：悬空打印；若当前区域待打印结构构造为镂空结构时，基于所述第一打印流程对当前区域选择镂空打印或中间实体打印，并打印出相应的镂空结构或中间实体结构；当执行中间实体打印时，对当前区域打印出的中间实体结构以及当前区域对应的镂空结构信息进行第一标记；若当前区域待打印结构构造为悬空结构时，基于所述第二打印流程对当前区域进行悬空打印，并打印出悬空结构，同时对该悬空结构以及当前区域对应的悬空结构信息进行第二标记；若当前区域待打印结构构造为实体结构时，对当前区域执行实体打印，打印出实体结构；第三模块，用于基于第一标记和第二标记，对中间实体结构和悬空结构相应进行切削或去除。