一种提高增材制造零件精度的方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种提高增材制造零件精度的方法，其能够提高增材制造零件的尺寸精度和形状精度。

背景技术：

增材制造技术(Additive Manufacturing，简称AM)在近年来得到的迅速发展，该技术是基于离散-堆积原理，采用材料逐渐累加的方法制造实体零件，即依据计算机上的零件三维设计CAD模型，利用软件按照一定层厚对其Z方向(XOZ面和YOZ面)进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓图(XOY面)，并按照这些轮廓图进行扫描填充成形，逐步顺序叠加成三维零件，相对于传统的材料去除-切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法。AM技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。

然而，目前在实际增材制造过程中，通常选用同一层厚以及扫描间距，造成零件的精度不高，特别是结构复杂的零件。对于零件，增材制造成形之后其精度不仅是指尺寸精度，还包括形状精度。对于一些复杂的、特殊的结构，如倾斜结构、尖角等，如果采用固定分层厚度和扫描间距，将不仅会因造成成形尺寸的偏差，还可能导致造成特殊形状的失真以及台阶效应导致较差的表面粗糙度等问题，加大后处理工作量。

目前国内外已经就增材制造零件的精度已经开展了一系列研究，并提出了一些提高精度和表面质量的方法。从扫描方式方面进行优化，比如专利(ZL 201610141354.7)通过将轮廓填充与实体填充分开，分别用不同的功率以及扫描速度进行扫描填充，在保证致密度前提下来提高精度。专利(ZL 201410678815.5)采用条带式分区或者棋盘式分区方法，同时沿工件实际轮廓线向内或向外偏离1mm以内的轮廓线进行扫描。上述方法只是提高了零件的表面质量，零件的尺寸和形状精度并没有改善。另外，专利(ZL 201510478131.5)从三维图像处理方面着手，采用三维数字修正模拟来降低成形误差，该方法只是解决了图形方面的误差，并没有解决实际制造过程中存在的误差。英国谢菲尔德大学Vora等人(AlSi12in-situalloy formation and residual stress reduction using anchorless selective laser melting)和德国Damien Buchbinder等人(Investigation on reducing distortion by preheating during manufacture of aluminum components using selective laser melting.Journal of Laser Applications)分别使用预热粉床和预热基板的方法来减少了制造过程中的残余应力，从而减少了零件的翘曲，提高了零件的形状精度，但是光栅填充带来的形状精度问题并没有解决。意大利Calignano,F.等人(Design optimization of supports for overhanging structures in aluminum and titanium alloys by selective laser melting)采用添加和优化零件支撑的方法对其形状精度进行改进，加大了制造工作量，去除支撑也增加了后处理的工作量，使得成形效率降低。除此以外，工程上还常采用小层厚和小扫描间距进行加工，以获得高的成形精度，但是该方法降低了成形效率，难以被推广应用。为了提高成形零件的表面质量和不降低成形效率，得过EOS公司则采用core+thin技术，即将零件分成中心区域和边沿区域，中心区域采用大层厚、大能量输入，边沿区域则采用小层厚、小能量输入。这种方法可以大幅度提高成形零件的侧面表面质量，但是无法提高其形状精度和高度方向的尺寸精度。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种提高增材制造零件精度的方法，使其能够避免复杂结构零件在制造时存在的特殊形状的失真以及台阶效应导致较差的表面粗糙度等问题，提高复杂结构零件的形状精度和高度方向的尺寸精度。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提高增材制造零件精度的方法，采用可变式非均匀填充间距和层厚对工件进行切片分层填充，利用较大的扫描间距和层厚对零件大部分区域进行分层扫描加工，利用较小的扫描间距和层厚对零件带有特殊结构的小部分区域或者缺失的区域进行分层扫描加工，确保成形零件的形状精度以及尺寸精度。解决现有技术中零件成形零件高度方向尺寸精度和特殊形状精度较差的问题，在维持激光成形过程的效率的同时，提高了成形零件的形状精度和尺寸精度，减少了后处理工作量，提高了成形质量和成品率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提高增材制造零件精度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.建立待加工零件的结构模型，将其结构模型放置于由X、Y和Z轴构成的三维坐标系中，将待加工零件的由下至上的加工方向定义为Z轴正方向；

S2.将待加工零件以平行于X0Z截面或者YOZ截面进行切割划分为多个纵向图层，根据待加工零件每个纵向图层的形状信息，将每个纵向图层划分为若干个主要区域Ⅰ和若干个次要区域Ⅱ，根据待加工零件的加工精度要求，按照预先设定的层厚将每个纵向图层中的主要区域Ⅰ和次要区域Ⅱ分别进行切片分层；

S3.将待加工零件沿垂直于Z轴方向，以步骤S2中划分好的层厚来进行切片分层，得到待加工零件中平行于XOY截面的每一横向图层的形状信息，将每一横向图层划分为主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ，根据零件的加工精度要求，按照预先设定的扫描间距将主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ划分成若干区间；

S4.根据步骤S2和S3中划分得到的图层的厚度和扫描间距，逐个填充每个横向图层中的区间，并从下至上逐层加工每个横向图层，最终加工制造出待加工零件。

进一步优选地，在步骤S2中，将每个纵向图层中带有特殊形状的结构划分进次要区域Ⅱ中，其它部分划分到主要区域Ⅰ中。较多的比较试验表明，将特殊形状的结构划分至次要区域进行精细划分，能够提高特殊结构部分的加工的精度。

优选地，在步骤S2中，对每个纵向图层进行切片分层时，采用不同的层厚分别对主要区域Ⅰ和次要区域Ⅱ进行切片分层，所述主要区域Ⅰ中的层厚大于次要区域Ⅱ中的层厚。比较多的比较测试表面，使用较大的层厚对主要区域进行切片分层加工，能够保证零件成形效率；而使用较小的层厚对次要区域进行切片分层加工，能够优化待加工零件的成形精度。

进一步优选地，在步骤S2中，设定待加工零件每个纵向图层中的主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的高度值为H，固定的层厚值为T₀，N为主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ分层后的层数，根据公式

a.当T_余为0时，所述主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的层数为N层，每层的层厚为T₀；

b.当T_余不为0时，所述主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的层数为N+1层，其中N层的层厚为T₀，第N+1层的厚度为T_余。

具体地，当T_余不为0时，图层信息会丢失，丢失图形高度为T_余数值的大小。因此，针对这种情况下图层信息不完整时进行优化，将工件次要区域最后一次使用特殊的切片层厚，切片层厚为余数大小T_余，能够保证待加工零件Z方向上的尺寸精度。

优选地，在步骤S2中，每个纵向图层中所述次要区域Ⅱ的高度为图层整体高度的1/3～1/10。较多的比较试验表明，根据待加工零件的结构，将次要区域的比例控制在上述范围内，能够同时兼顾零件加工的效率和加工制得的零件的精度，优化生产工艺。

优选地，在步骤S3中，将每个横向图层中带有特殊形状的结构划分进次要区域Ⅳ当中，其它部分划分到主要区域Ⅲ中。较多的比较试验表明，将特殊形状的结构划分至次要区域进行精细划分，能够提高特殊结构部分的加工的精度。

优选地，在步骤S3中，对每个横向图层进行切片分层时，使用不同的扫描间距分别对主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ进行填充，所述主要区域Ⅲ中的扫描间距大于次要区域Ⅳ中的扫描间距。比较多的比较测试表面，使用较大的扫描间距对主要区域进行切片分层加工，能够保证零件成形效率；而使用较小的扫描间距对次要区域进行切片分层加工，能够优化待加工零件的成形精度。

优选地，在步骤S3中，设定待加工零件在主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ的宽度值为W，扫描间距值为D₀，N’为主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ分层后的区间数，根据公式

a.当D_余为0时，主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ的区间数为N’个，扫描间距值均为D₀；

b.当D_余不为0时，主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ的区间数为N’+1个，其中N’个区间的扫描间距值为D₀，第N’+1个区间的扫描间距值为D_余。

具体地，当D_余不为0时，图层信息会丢失，丢失图形高度为D_余数值的大小。因此，针对这种情况下图层信息不完整时进行优化，将工件次要区域最后一次使用特殊的切片层厚，切片层厚为余数大小D_余，能够保证待加工零件Z方向上的尺寸精度。

优选地，在步骤S3中，每个横向图层中所述次要区域Ⅳ的宽度为图层整体宽度的1/3～1/10。较多的比较试验表明，根据待加工零件的结构，将次要区域的比例控制在上述范围内，能够同时兼顾零件加工的效率和加工制得的零件的精度，优化生产工艺。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的方法采用可变式非均匀填充间距和层厚对工件进行切片分层填充，利用较大的扫描间距和层厚对零件大部分区域进行分层扫描加工，保证其成形效率；而利用较小的扫描间距和层厚对零件带有特殊结构的小部分区域或者缺失的区域进行分层扫描加工，确保成形零件的形状精度以及尺寸精度。因此，本发明在维持激光成形过程的效率的同时，提高了成形零件的形状精度和尺寸精度，减少了后处理工作量，提高了成形质量和成品率。

(2)本发明的方法将横向图层和纵向图层均分为主要区域和次要区域，且主要区域中的厚度或扫描间距大于次要区中的厚度扫描间距，使用较大的厚度或扫描间距对主要区域进行切片分层加工，能够保证零件成形效率；而使用较小的厚度或扫描间距对次要区域进行切片分层加工，能够优化待加工零件的成形精度。且根据待加工零件的结构，将次要区域的比例控制在上述范围内，能够同时兼顾零件加工的效率和加工制得的零件的精度，优化生产工艺。

(3)本发明的方法在处理主要区域和次要区域的剩余部分区域时，通过设置一个特殊厚度或扫描间距的区域，来避免图像层的缺失，提高了零件加工尺寸和形状精度。

(4)本发明的方法优化了增材制造技术在成形带有特殊零件时的精度，包括尺寸精度、形状精度，克服了增材制造技术在特殊结构处形状的失真，且主要区域采用较大层厚和较大扫描间距进行划分加工，保证了成形效率。该方法还具有步骤简单易于实施，对设备要求不高，便于大规模推广等优点。

附图说明

图1是实施例1未优化时Z截面按均匀层厚进行切片分层的示意图，区域b为形状失真部位。

图2是实施例1未优化时XOY截面按均匀扫描间距进行填充的示意图，区域b为形状失真部位。

图3是实施例1Z截面采用非均匀层厚进行切片分层的示意图，5为设计轮廓，6为实际轮廓。

图4是实施例1XOY截面采用非均匀扫描间距进行填充的示意图。

图5是实施例2未优化时XOY截面按均匀扫描间距进行填充的示意图，区域b为形状失真部位。

图6是实施例2XOY截面采用非均匀扫描间距进行填充的示意图。

图7是图层缺失时最后采用特殊层厚对Z方向尺寸精度优化的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-主要区域Ⅰ，2-次要区域Ⅱ，3-主要区域Ⅲ，4-次要区域Ⅳ，5-设计轮廓，6-实际轮廓，a-主体部位，b-形状失真部位。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3-7所示，本发明提供了一种提高增材制造零件精度的方法，具体包括以下步骤：

S1.建立待加工零件的结构模型，将其结构模型放置于由X、Y和Z轴构成的三维坐标系中，将待加工零件的由下至上的加工方向定义为Z轴正方向；

S2.将待加工零件以平行于X0Z截面或者YOZ截面进行切割划分为多个纵向图层，根据待加工零件每个纵向图层的形状信息，将每个纵向图层划分为若干个主要区域Ⅰ和若干个次要区域Ⅱ，根据待加工零件的加工精度要求，按照预先设定的层厚将每个纵向图层中的主要区域Ⅰ和次要区域Ⅱ分别进行切片分层；

S3.将待加工零件沿垂直于Z轴方向，以步骤S2中划分好的层厚来进行切片分层，得到待加工零件中平行于XOY截面的每一横向图层的形状信息，将每一横向图层划分为主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ，根据零件的加工精度要求，按照预先设定的扫描间距将主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ划分成若干区间；

S4.根据步骤S2和S3中划分得到的图层的厚度和扫描间距，逐个填充每个横向图层中的区间，并从下至上逐层加工每个横向图层，最终加工制造出待加工零件。

在本发明的一个优选实施例中，在步骤S2中，将每个纵向图层中带有特殊形状的结构划分进次要区域Ⅱ中，其它部分划分到主要区域Ⅰ中。将特殊形状的结构划分至次要区域进行精细划分，能够提高特殊结构部分的加工的精度。

在本发明的另一个优选实施例中，在步骤S2中，对每个纵向图层进行切片分层时，采用不同的层厚分别对主要区域Ⅰ和次要区域Ⅱ进行切片分层，所述主要区域Ⅰ中的层厚大于次要区域Ⅱ中的层厚。使用较大的层厚对主要区域进行切片分层加工，能够保证零件成形效率；而使用较小的层厚对次要区域进行切片分层加工，能够优化待加工零件的成形精度。

在本发明的另一个优选实施例中，在步骤S2中，设定待加工零件每个纵向图层中的主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的高度值为H，固定的层厚值为T₀，N为主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ分层后的层数，根据公式

a.当T_余为0时，所述主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的层数为N层，每层的层厚为T₀；

b.当T_余不为0时，所述主要区域Ⅰ或次要区域Ⅱ的层数为N+1层，其中N层的层厚为T₀，第N+1层的厚度为T_余。

在本发明的另一个优选实施例中，在步骤S2中，每个纵向图层中所述次要区域Ⅱ的高度为图层整体高度的1/3～1/10。

在本发明的另一个优选实施例中，在步骤S3中，将每个横向图层中带有特殊形状的结构划分进次要区域Ⅳ当中，其它部分划分到主要区域Ⅲ中。较多的比较试验表明，将特殊形状的结构划分至次要区域进行精细划分，能够提高特殊结构部分的加工的精度。

在本发明的另一个优选实施例中，在步骤S3中，对每个横向图层进行切片分层时，使用不同的扫描间距分别对主要区域Ⅲ和次要区域Ⅳ进行填充，所述主要区域Ⅲ中的扫描间距大于次要区域Ⅳ中的扫描间距。使用较大的扫描间距对主要区域进行切片分层加工，能够保证零件成形效率；而使用较小的扫描间距对次要区域进行切片分层加工，能够优化待加工零件的成形精度。

在本发明的另一个优选实施例中，在步骤S3中，在步骤S3中，设定待加工零件在主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ的宽度值为W，扫描间距值为D₀，N’为主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ分层后的区间数，根据公式

a.当D_余为0时，主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ的区间数为N’个，扫描间距值均为D₀；

b.当D_余不为0时，主要区域Ⅲ或次要区域Ⅳ的区间数为N’+1个，其中N’个区间的扫描间距值为D₀，第N’+1个区间的扫描间距值为D_余。

在本发明的另一个优选实施例中，在步骤S3中，每个横向图层中所述次要区域Ⅳ的宽度为图层整体宽度的1/3～1/10。

为了更好地解释本发明，以下给出几个具体实施例：

实施例1：

以增材制造成形一种三角体形零件为例，如图1和图2所示，当采用传统方法大层厚与扫描间距进行切片分层填充时，图中区域2会出现尺寸或者形状的失真，因此应采用非均匀层厚和扫描间距对其进行优化，主要步骤包括：

1、XOZ面或者YOZ面

如图3所示，根据该三角体零件的XOZ或者YOZ截面信息，将工件下方大部分15mm划分为主要区域Ⅰ，高度值为h_主，靠近尖角顶端部位5mm划分为次要区域Ⅱ,高度值为h_次。主要区域Ⅰ使用1mm层厚进行切片分层，次要区域Ⅱ使用0.2mm层厚进行切片分层。采用0.2mm分层之后，明显实际轮廓精度更加贴近设计轮廓。当特殊形状尖角部位层厚过大时，会使尖角形状失真，而采用0.2mm分层之后，尖角形状更加精确。主要区域Ⅰ采用1mm层厚，主要为了保证加工效率。

2、XOY面

如图4所示，根据上述该三角体零件整体分层切片后的每一层XOY截面信息，将工件中间大部分划分为主要区域Ⅲ，周围3个带有特殊形状尖角的部位划分为次要区域Ⅳ。主要区域Ⅲ宽度划分为W_主为1.2mm，使用0.1mm扫描间距进行填充；次要区域Ⅳ宽度划分为W_次0.4mm(相当于零件总宽的1/5)，使用扫描间距0.06mm进行填充(次要区域Ⅳ宽度和扫描间距参数可以根据自身要求改变，扫描间距越小，精度越高)。次要区域Ⅳ随着扫描间距的减小，填充得更加完全，使得尖角部位形状更加精确。

实施例2：

以增材制造成形一种圆柱形零件为例，XOY截面为圆形，填充边界处会出现形状的缺失，如图5中区域2所示；采用非均匀扫描间距的方法对其进行优化。另外，该零件Z截面为长方形，不考虑形状精度的问题。

如图6所示，根据零件XOY截面信息，将工件中间大部分划分为主要区域Ⅲ，左右两边界2个带有特殊形状圆弧的部位划分为次要区域Ⅳ。主要区域Ⅲ宽度划分为W_主为1.5mm，使用0.15mm扫描间距进行填充；次要区域Ⅳ宽度划分为W_次2.5mm(相当于零件总宽的1/8)，使用扫描间距0.04mm进行填充。次要区域Ⅳ随着扫描间距的减小，填充得更加完全，使得圆弧部位形状更加精确。

实施例3：

为了更加清楚的表示层厚缺失和采用该发明对其进行改善，采用长方形截面对其进行说明，如附图7所示。该长方形截面高度H为20.5mm，使用层厚T₀＝1mm进行切片，根据公式可得，N＝20，T_余＝0.5mm。因此最后一层改变层厚进行切片，改变后的层厚大小等于T_余，从而填补了缺失的图层，提高了Z方向的尺寸精度。

本发明的方法采用非均匀层厚和非均匀扫描间距对增材制造技术进行优化，改善了该技术在成形带有特殊形状时的尺寸精度、形状精度，保证特殊形状不失真，适当提高了表面光洁度，并且保证了成形效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。