一种壶形薄壁件的3D打印增材制造方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种壶形薄壁件的3d打印方法，特别涉及一种壶形薄壁件的3d打印增材制造方法。

背景技术：

随着科学技术的飞速发展，市场对零件加工行业产品的结构、性能、精度、生产效率及产品种类的要求越来越高，且零件加工行业出现明显的定制化趋势，单件及小批量的需求比重越来越大，采用传统的机械加工无法满足需求方个性化的产品需求，为了适应市场需求，保证企业的顺利转型，目前越来越多的零件加工企业将研发的方向瞄准增材制造技术，即3d打印技术，采用3d打印技术能够有效满足当下市场所要求的高质量、高效率、多品种、小批量的生产方式，如壶形薄壁零件的传统生产中，一般使用冲压或钣金加焊接的方式进行制造，但是采用上述方法无法有效制造具有特殊结构的壶形薄壁零件，只能完成简单形状的制造，并且在金属材质的壶形薄壁零件制造时，会不可避免的出现材料回弹的现象，造成所制造的零件尺寸产生偏差，费时费力且不利于零件加工行业的正常发展，而采用3d打印技术能够有效克服上述的问题。

壶形薄壁零件不仅广泛应用于工业生产中，还是日常生活中常见的生活用具，故攻克采用3d打印技术对壶形薄壁零件的制造难题对零件加工行业的正常发展具有重大意义，现有技术中，在制造具有特殊结构的壶形薄壁件的制造过程中，由于壶体存在较大面积的悬臂特征，且悬臂角度一般低于增材制造工艺的自支撑角度，需要大量的支撑结构对悬臂特征进行支撑，造成3d打印时间增加、原材料消耗增大及后处理难度上升的问题，故如何利用3d打印技术针对具有特殊结构的壶形薄壁零件进行制造是零件加工行业亟待解决的问题。

因此，本领域亟需一种壶形薄壁件的3d打印增材制造方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够更好的壶形薄壁件的3d打印增材制造方法，以解决现有技术中的至少一项技术问题。

具体的，本发明提供了一种壶形薄壁件的3d打印增材制造方法，所述方法包括如下步骤：

建模，通过三维建模软件，使壶形薄壁件开口朝上建立实体三维模型；

切割，通过三维设计软件，对实体三维模型进行切割处理，得到切割特征数据，所述切割特征数据为悬臂特征壳体及支持特征壳体；

切片，通过三维设计软件，对切割特征数据进行z轴方向切片，获得截面轮廓数据；

填充，通过填充软件及截面轮廓数据，对打印区域进行路径填充，得到激光加工参数，生成加工信息；

扫描加工，通过加工信息，打印得到壶形薄壁件。

采用上述方案，能够用于具有复杂结构薄壁壶体的3d打印，提高3d打印的效率，减少3d打印中支撑结构的数量，从而降低产生的材料浪费，减少后期的处理工作，缩短整体的3d打印耗时，降低后续处理工序的难度，有效提高3d打印对于壶形薄壁件的打印质量。

优选的，所述切割步骤中，切割处理为使用三维设计软件提取实体三维模型中悬垂角度小于43°及大于15°的悬臂特征，提取实体三维模型中悬垂角度大于等于43°的支持特征，提取实体三维模型中悬垂角度小于等于15°的趋平行特征。

采用上述方案，能够将悬臂特征、支持特征有效分离，便于对悬臂特征及支持特征单独处理。

优选的，所述切割步骤后还包括步骤：调整，通过三维设计软件，调整实体三维模型的摆放位置，再次进行切割步骤，得到切割特征数据，并记录切割特征数据。

进一步的，所述调整步骤后还包括步骤：加固，通过三维建模软件，在分离的悬臂特征壳体及支持特征壳体上加设固定点，统计加设的固定点数量并将其与固定点数据一同添加到切割特征数据内，所述悬臂特征壳体上加设的固定点为悬臂固定点，所述支持特征壳体上述加设的固定点为支持固定点，所述悬臂固定点与支持固定点存在一一对应的联系，所述加设固定点用于使支持特征壳体及悬臂特征壳体间的对应关系更加明确，相连接的支持特征壳体及悬臂特征壳体之间有唯一确定的连接关系，保证打印时支持特征壳体及悬臂特征壳体间不会出现错位情况的发生。

进一步的，所述加固步骤后还包括步骤：量化，通过三维建模软件，将该摆放位置下的悬臂特征壳体量化，得到量化数据，并将量化数据添加到切割特征数据内，所述量化数据能够直观的反映出当前摆放位置下的悬臂特征壳体数量，进一步，通过量化数据能够反映出所属悬臂特征壳体的后续打印难度。

采用上述方案，能够显著提高壶形薄壁件在3d打印过程中的稳定性，降低3d打印的难度，提高3d打印的工作效率。

进一步的，所述量化步骤后还包括步骤：建库，通过三维设计软件，多次进行调整、加固、量化步骤，将所记录的切割特征数据汇总得到特征数据库。

进一步的，所述建库步骤后还包括步骤：筛选，通过计算软件，对特征数据库内所记录各个实体三维模型摆放位置的量化数据及固定点数量进行比较，筛选得到量化数据最小及固定点数量最少的实体三维模型摆放位置，并将其认定为的打印摆放位置，即选择量化数据最小及固定点数量最少的摆放位置进行3d打印。

采用上述方案，能够对3d打印中壶形薄壁件的摆放位置进行合理调整，保证在3d打印过程中所需要打印的悬臂特征最少，以减少后期的处理工作，压缩打印周期，提高打印效率。

优选的，所述切割步骤后还包括步骤：筛除，通过三维设计软件，筛除出实体三维模型中悬垂角度小于等于15°的趋平行特征。

进一步的，所述筛选步骤后还包括步骤：标记，通过三维设计软件，将实体三维模型中的趋平行特征标记为不处理特征，并将该特征数据独立出实体三维模型。

采用上述方案，能够有效去除实体三维模型中不适用本方法打印的特征，能够有效去除工作效率较低的操作步骤，优化了壶形薄壁件的3d打印步骤，提高3d打印效率。

优选的，所述切片步骤中，截面轮廓数据为x轴、y轴、z轴上的坐标参数。

优选的，所述切片步骤后还包括步骤：突出，通过三维设计软件，对截面轮廓数据突出分离得到固定轮廓数据，并将固定轮廓数据突出显示，便于后续步骤中的匹配对比，所述固定轮廓数据为固定点的截面轮廓数据。

进一步的，所述突出步骤后还包括步骤：匹配，通过三维设计软件，对悬臂特征壳体及支持特征壳体上的固定轮廓数据进行匹配，所述匹配为对固定轮廓数据的x轴、y轴、z轴的坐标参数的配合，所述匹配结果包括配合、不配合。所述匹配结果为配合时，打印工作进入下一步骤；所述匹配结果为不配合时，打印工作进入填充步骤。

采用上述方案，能够突出固定轮廓数据，并对其进行匹配，防止由于后期所加设的固定点间的坐标不配合所导致的打印问题，有效提高3d打印工作的效率。

优选的，所述扫描步骤中，打印区域包括悬臂特征打印区及支持特征打印区，所述悬臂特征打印区及支持特征打印区内分别具有不同的预设激光成型工艺参数，即悬臂特征壳体及支持壳体采用不同的激光加工参数打印。

采用上述方案，通过在一个零件上运用两种打印参数，即为悬臂特征打印区及支持特征打印区提供不同的打印工艺参数，使悬臂特征打印区及支持特征打印区具有不同的分层厚度，进而能够有效利用3d打印技术制造悬垂角度在15°-43°范围内的悬臂特征壳体，而不需要添加额外的支撑，缩短整体的3d打印耗时，降低后续处理工序的难度，有效提高3d打印对于壶形薄壁件的打印质量。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.本发明能够用于具有复杂结构薄壁壶体的3d打印，提高3d打印的效率，减少3d打印中支撑结构的数量，从而降低产生的材料浪费，减少后期的处理工作，缩短整体的3d打印耗时，降低后续处理工序的难度，有效提高3d打印对于壶形薄壁件的打印质量；

2.本发明能够有效去除实体三维模型中不适用本方法打印的特征，能够有效去除工作效率较低的操作步骤，优化了壶形薄壁件的3d打印步骤，提高3d打印效率；

3.本发明能够对3d打印中壶形薄壁件的摆放位置进行合理调整，保证在3d打印过程中所需要打印的悬臂特征最少，以减少后期的处理工作，压缩打印周期，提高打印效率；

4.本发明所设置的固定点能够显著提高壶形薄壁件在3d打印过程中的稳定性，保证悬臂特征壳体及支持特征壳体一体打印时的连接稳固。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明壶形薄壁件的3d打印增材制造方法的流程图；

图2为本发明壶形薄壁件的3d打印增材制造方法一种优选实施方式的流程图。

具体实施方式：

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

本申请实施例的技术方案为解决现有技术中的至少一项技术问题，总体思路如下：

所述壶形薄壁件的3d打印增材制造方法，包括如下步骤：

建模，通过三维建模软件，使壶形薄壁件开口朝上建立实体三维模型；

切割，通过三维设计软件，对实体三维模型进行切割处理，得到切割特征数据；

切片，通过三维设计软件，对切割特征数据进行z轴方向切片，获得截面轮廓数据；

填充，通过填充软件及截面轮廓数据，对打印区域进行路径填充，得到激光加工参数，生成加工信息；

扫描加工，通过加工信息，打印得到壶形薄壁件。

采用上述方案，能够用于具有复杂结构薄壁壶体的3d打印，提高3d打印的效率，减少3d打印中支撑结构的数量，从而降低产生的材料浪费，减少后期的处理工作，缩短整体的3d打印耗时，降低后续处理工序的难度，有效提高3d打印对于壶形薄壁件的打印质量。

实施例1

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1及图2所示，本发明提供了一种壶形薄壁件的3d打印增材制造方法，包括如下步骤：

s101，建模，通过三维建模软件，使壶形薄壁件开口朝上建立实体三维模型；

在具体实施过程中，步骤s101中，通过三维建模软件，根据需求方需求的设计要求进行三维建模，得到壶形薄壁件开口向上的实体三维模型，并导出三维建模数据。

s201，切割，通过三维设计软件，对实体三维模型进行切割处理，得到切割特征数据；

在具体实施过程中，步骤s201中，所述切割处理为使用三维设计软件提取实体三维模型中悬垂角度小于43°及大于15°的悬臂特征，提取实体三维模型中悬垂角度大于等于43°的支持特征，提取实体三维模型中悬垂角度小于等于15°的趋平行特征。采用上述方案，能够将悬臂特征、支持特征有效分离，便于对悬臂特征及支持特征单独处理。

s301，切片，通过三维设计软件，对切割特征数据进行z轴方向切片，获得截面轮廓数据；

在具体实施过程中，步骤s301中，所述切片过程为对所有切割特征数据进行z轴方向切片，以获得截面轮廓数据，所述截面轮廓数据为x轴、y轴、z轴上的坐标参数。

s401，填充，通过填充软件及截面轮廓数据，对打印区域进行扫描路径填充，得到激光加工参数，生成加工信息；

在具体实施过程中，步骤s401中，所述打印区域包括悬臂特征打印区及支持特征打印区，所述悬臂特征打印区及支持特征打印区内分别具有不同的预设激光成型工艺参数，即悬臂特征壳体及支持壳体采用不同的激光加工参数打印。

s501，扫描加工，通过加工信息，打印得到壶形薄壁件。

在具体实施过程中，步骤s501中，按照步骤s401得到的扫描路径加工信息，导入到3d打印设备的打印软件中，将悬臂特征及支持特征的加工信息同时导入软件中，通过软件的层间位置检查对两个壳体连接处进行数据确认，确定三维设计软件中坐标原点(x，y，z)坐标一致，导入设备打印软件中后实现嫁接打印，对制件进行激光扫描加工，每层加工技术后会成型一定厚度的金属沉积层，层层加工叠加，最终获得壶形薄壁件制件。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s201后，还包括步骤s202：调整，通过三维设计软件，调整实体三维模型的摆放位置，再次进行切割步骤，得到切割特征数据，并记录切割特征数据。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s202后，还包括步骤s203：加固，通过三维建模软件，在分离的悬臂特征壳体及支持特征壳体上加设固定点，统计加设的固定点数量并将其与固定点数据一同添加到切割特征数据内，所述悬臂特征壳体上加设的固定点为悬臂固定点，所述支持特征壳体上述加设的固定点为支持固定点。

在具体实施过程中，步骤s203中，所述悬臂固定点与支持固定点存在一一对应的联系，所述加设固定点用于使支持特征壳体及悬臂特征壳体间的对应关系更加明确，相连接的支持特征壳体及悬臂特征壳体之间有唯一确定的连接关系，保证打印时支持特征壳体及悬臂特征壳体间不会出现错位情况的发生。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s203后，还包括步骤s204：量化，通过三维建模软件，将该摆放位置下的悬臂特征壳体量化，得到量化数据，并将量化数据添加到切割特征数据内。

在具体实施过程中，步骤s204中，通过三维建模软件能够筛选出悬臂特征后，并计算其体积，通过体积数据反映出悬臂特征的大小，所述量化数据能够直观的反映出当前摆放位置下的悬臂特征壳体数量，进一步，通过量化数据能够反映出所属悬臂特征壳体的后续打印难度。采用上述方案，能够显著提高壶形薄壁件在3d打印过程中的稳定性，降低3d打印的难度，提高3d打印的工作效率。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s204后，还包括步骤s205：建库，通过三维设计软件，多次进行调整、加固、量化步骤，将所记录的切割特征数据汇总得到特征数据库。

在具体实施过程中，步骤s205中，所述多次进行调整、加固、量化步骤为采用遍历方法，将所有实体三维模型摆放位置，及所对应的固定点数据、量化数据，汇总得到特征数据库，所述特征数据库可以为具有存储功能的通用的终端设备如手机、平板电脑等。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s205后，还包括步骤s206：筛选，通过计算软件，对特征数据库内所记录各个实体三维模型摆放位置的量化数据及固定点数量进行比较，筛选得到量化数据最小及固定点数量最少的实体三维模型摆放位置，并将其认定为的打印摆放位置。

在具体实施过程中，步骤s206中，所述打印摆放位置，即选择量化数据最小及固定点数量最少的摆放位置进行3d打印。采用上述方案，通过量化数据最小能够确定该摆放位置下的悬臂特征最少，在此基础上通过固定点数量最少能够确定悬臂特征与支持特征连接点最少，从而确定最优的打印摆放位置，以达到对3d打印中壶形薄壁件的摆放位置进行合理调整，保证在3d打印过程中所需要打印的悬臂特征最少，以减少后期的处理工作，压缩打印周期，提高打印效率。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s206后，还包括步骤s207：筛除，通过三维设计软件，筛除出实体三维模型中悬垂角度小于等于15°的趋平行特征。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s207后，还包括步骤s208：标记，通过三维设计软件，将实体三维模型中的趋平行特征标记为不处理特征，并将该特征数据独立出实体三维模型。采用上述方案，能够有效去除实体三维模型中不适用本方法打印的特征，能够有效去除工作效率较低的操作步骤，优化了壶形薄壁件的3d打印步骤，提高3d打印效率。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s301后，还包括步骤s302：突出，通过三维设计软件，对截面轮廓数据突出分离得到固定轮廓数据，并将固定轮廓数据突出显示，便于后续步骤中的匹配对比，所述固定轮廓数据为固定点的截面轮廓数据。

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤s302后，还包括步骤s303：匹配，通过三维设计软件，对悬臂特征壳体及支持特征壳体上的固定轮廓数据进行匹配，所述匹配为对固定轮廓数据的x轴、y轴、z轴的坐标参数的配合。

在具体实施过程中，所述匹配结果包括配合、不配合，所述匹配结果为配合时，打印工作进入下一步骤；所述匹配结果为不配合时，打印工作进入切片步骤。采用上述方案，能够突出固定轮廓数据，并对其进行匹配，防止由于后期所加设的固定点间的坐标不配合所导致的打印问题，有效提高3d打印工作的效率。

实施例2

本实施例为壶形薄壁件的3d打印增材制造方法的一个优选的实施方式，本实施例中所示壶形薄壁件的壁厚1.06mm，悬臂特征角度27°，具体包括如下步骤：

建模：d101，通过三维建模软件，建立开口朝上的壶形薄壁件的实体三维模型，输出*.stl格式文件；

切割：d201，通过三维设计软件对壶形薄壁件的实体三维模型进行切割处理及支撑结构设计；d202，将*.stl格式文件的模型导入magic软件；d203，使用magics软件对零件壳体进行数据修复，消除破边、缝隙等数据转化问题；d204，在magics软件调出打印平台，将模型数据加载至平台合适位置；d205，使用magics软件，将壶形制件大幅面的底部做实体拉伸处理，底部整个平面拉伸2mm；d206，将零件底部加载至软件加工平台上，保证z＝0mm的高度上加工平台上出现需打印的实体数据；d207，使用magics软件，将壳体进行结构分离，将悬臂特征与支持特征进行壳体切割分离；

切片：d301，使用三维设计软件对从d207中得到的两个壳体模型进行沿z轴方向切片填充，获得截面轮廓数据，其中支持特征数据切片层厚为0.03mm，悬臂特征数据切片层厚为0.005mm；并输出*.cli切片文件；

填充：d401，将切片数据导入填充软件，对打印区域进行分区，各区域填充扫描路径，选用预先设定的激光成型工艺参数，两个结构适用不同的激光加工参数，生成相应加工信息；d402，把支持特征*.cli切片文件导入ephatch填充软件中；d403，在ephatch填充软件中，填入支持特征激光打印参数，对该切片数据进行激光扫描路径规划，激光打印参数数据填充，具体工艺参数如下：激光光斑直径为0.09-0.11mm，激光扫描功率为270-370w，激光扫描速度为700-1300m/s，区域重叠为0.01mm，激光扫描间距为0.1mm；d404，将支持特征数据填充完毕的数据进行保存，并输出*.epi填充文件；d405，把悬臂特征*.cli切片文件导入ephatch填充软件中；d406，在ephatch填充软件中，填入悬臂特征激光打印参数，对该切片数据进行激光扫描路径规划，激光打印参数数据填充，具体工艺参数如下：激光光斑直径为0.09-0.11mm，激光扫描功率为70-120w，激光扫描速度为1500-2500m/s，区域重叠为0.01mm，激光扫描间距为0.1mm；d407，将悬臂特征数据填充完毕的数据进行保存，并输出*.epi填充文件；d408，将两组数据的*.cli和*.epi导入设备中，对其进行数据嫁接；

扫描加工：d501，按照步骤d408得到的扫描路径加工信息，对制件进行激光扫描加工，每层加工技术后会成型一定厚度的金属沉积层，层层加工叠加，最终获得壶形薄壁件制件；d502，清理3d打印设备，具体包括粉料仓、成型仓、废料仓、回收风管、成型舱舱壁，保证无其他金属粉末，防止污染；d503，调整舱室加工环境参数，预热基板，对基板进行调平校正，通过观察设备铺粉情况，校正刮刀与基板间的间距及平面度；d504，将原材料粉末装入粉料仓；d505，关闭成型舱舱门，冲入氩气保护；d506，开始打印，激光能量束按每层扫描填充数据选区熔融当前层的材料粉末，加工出当前层；d507，成型仓、粉料仓下降一个层厚高度，柔性刮刀回到原位，粉料仓上升一定高度，刮刀将粉末铺满成型仓当前层；d508，设备调取下一层打印数据进行成型，直至壶形薄壁件打印完成。

综上所述，本发明适用于薄壁复杂结构壶体打印时使用，减少打印支撑结构产生的材料浪费，缩短打印时间，降低后处理工序难度；本发明能够用于具有复杂结构薄壁壶体的3d打印，提高3d打印的效率，减少3d打印中支撑结构的数量，从而降低产生的材料浪费，减少后期的处理工作，缩短整体的3d打印耗时，降低后续处理工序的难度，有效提高3d打印对于壶形薄壁件的打印质量；本发明能够有效去除实体三维模型中不适用本方法打印的特征，能够有效去除工作效率较低的操作步骤，优化了壶形薄壁件的3d打印步骤，提高3d打印效率；本发明能够对3d打印中壶形薄壁件的摆放位置进行合理调整，保证在3d打印过程中所需要打印的悬臂特征最少，以减少后期的处理工作，压缩打印周期，提高打印效率；本发明所设置的固定点能够显著提高壶形薄壁件在3d打印过程中的稳定性，保证悬臂特征壳体及支持特征壳体一体打印时的连接稳固。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。