一种增材制造面热源的设计方法及使用方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域。
背景技术
目前增材制造金属和非金属构件被广泛使用，且增加趋势明显。现有增材制造方式本质上是延续了堆焊“点-线-面-体”的工艺路线特征，由于成形过程热输入不均匀、不对称以及凝固过程非平衡的物理冶金状态，从而导致成型构件产生宏/微观组织和应力的不均匀，进而导致成型构件变形开裂以及综合力学性能低于锻件或精密铸件的现象。就其本质原因是由于不均匀的热输入产生较大温度梯度导致不均匀冶金环境和应力场，因此如何改变现有增材热输入模式是从本质上改变增材成形的一种方法。。
发明内容
本发明实施例提供了一种增材制造面热源的设计方法及使用方法，可以减少因不均匀的热输入产生较大温度梯度而导致不均匀冶金环境和应力场增材成形环境，有助于提高成形效率和成形质量。
第一方面，本发明提供一种增材制造面热源的设计方法，包括以下步骤：
以平行于基板的平面做为热源面，并将所述热源面离散分割成以类矩阵式或其它方式排列的多个微单元；
对所述多个微单元逐一进行编码以形成平面标定排列的多个协同编码区域；
以所述多个编码区域为参考，对应安装经编码且受程序化控制的脉管式铸造单元，该程序化控制为控制所述脉管式铸造单元内的液态熔融物的流向和流量；
将每一所述脉管式铸造单元与一个金属熔融液态舱直接或间接连接，并确保每一所述脉管式铸造单元的底部均处于所述热源面上且能够独立或同步进行脉管式铸造，多个金属液滴在同一平面内同时以多点融合的方式形成面热源。
进一步地，该程序化控制具体为通过控制所述脉管式铸造单元内部的N级限流和分流装置，以实现成形材料在所述脉管式铸造单元内的液态熔融物的流向和流量，且N的取值不小于1。
进一步地，所述脉管式铸造单元的截面形状为多边形、圆形或椭圆形。
进一步地，所述脉管式铸造单元的整体铸造截面面积为同种材料的单个脉管式铸造单元截面面积的0.5～2倍。
进一步地，每一所述脉管式铸造单元及其上游管路均具有加热或冷却功能，用于保持所述脉管式铸造单元内的液态熔融物处于流动状态。
进一步地，每一所述脉管式铸造单元的内部壁面、金属熔融液态舱的内部壁面及连接的内流管道均与内部的流通的液态熔融物非浸润。
第二方面，本发明提供一种增材制造面热源的设计方法设计得到的面热源的使用方法，包括以下步骤：
以待制造的成形构件为基准建立构件模型，并在数模软件中对构件模型进行分层切片，以得到多层的成形切片及每层所述成形切片的构体轮廓；
控制脉管式铸造单元响应并吻合或接近第一层构体轮廓的几何特征，然后开启驱动对应的脉管式铸造单元同步同时喷射液态熔融物至基板或坯料的表面，多点同步熔合以对第一层所述成形切片实现一次性面堆积成形；
控制所有所述脉管式铸造单元同步上升或沉积基座下降，开启第二层构体轮廓对应的脉管式铸造单元，并控制对应的脉管式铸造单元同步同时喷射液态熔融物至基板或坯料的表面，以对第二层所述成形切片实现一次性面堆积成形；
从下往上逐层依次进行一次性面堆积成形，以形成所述成形构件。
进一步地，相邻的所述脉管式铸造单元同步同时喷射形成的熔融铸态之间的搭接率为20％～70％，且该搭接率通过控制所述脉管式铸造单元内的液态熔融物的流向和流量及所述脉管式铸造单元的截面形状来改变。
进一步地，当切片轮廓为规则图形时，开启一排或一列脉管式铸造单元同步同时进行喷射，同时通过局部小范围移动成形切片所在的平面，以实现成形切片的堆积成形。
进一步地，当每个所述脉管式铸造单元喷射完液态熔融物时，通入高压气进行管道疏通。
综上，本发明将增材制造层层堆积的热量输入形式由点热源变成多点同步同时输入的面热源，合理布局增材制造热成形的能量输入单元及其输入方式，使增材制造可以根据构件的不同结构而实现程序化控制，而且面热源能量体具有空间平面的绝对“对称”，是一种较均匀的能量体，从而改变了热量的空间布局和温度场形态和增材制造的冶金成形环境，大大降低构件产生宏/微观组织和应力的不均匀的风险，有助于提高成形效率和成形质量，更促使增材制造向集成化、全自动化、高效低能耗方面转变。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明增材制造面热源的设计方法的流程图。
图2是本发明中热源面离散分割成微单元的示意图。
图3是本发明中微单元进行编码形成编码区域的示意图。
图4是本发明中增材制造面热源的使用方法的流程图。
图5是本发明中一实施例中待制造的成形构件的截面示意图。
图6是本发明中另一实施例中待制造的成形构件的截面示意图。
图7是本发明中一实施例中多点熔合成面热源的成形效果截面示意图。
图8是本发明中另一实施例中面多点熔合成面热源的成形效果截面示意图。
图9是本发明中另一实施例中含环形十字筋结构的航空零件的成形数模。
图10是本发明中图9中含环形十字筋结构的航空零件平面化分层后，进行编码形成编码区域的示意图。
图11是本发明中图9中含环形十字筋结构的航空零件的成形效果截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参阅图1至图3，第一方面，本发明提供一种增材制造面热源的设计方法，包括以下步骤：
步骤S10，以平行于基板的平面做为热源面，并将所述热源面离散分割成以类矩阵式或其它方式排列的多个微单元，如图1所示；
步骤S11，对所述多个微单元逐一进行编码以形成平面标定排列的多个协同编码区域；
如图2所示，具体的，本步骤中，编码区域的编码方式为：
第一排的编码为A11，A12，A13，A14，A15，……；
第二排的编码为B11，B12，B13，B14，B15，……；
第三排的编码为C11，C12，C13，C14，C15，……；
第四排的编码为D11，D12，D13，D14，D15，……；
……。
在本发明另一优选实施例中，编码区域的编码方式还可以为矩阵数列方式：
第一排的编码为A11，A12，A13，A14，A15，……；
第二排的编码为A21，B22，B23，B24，B25，……；
第三排的编码为A31，B32，B33，B34，B35，……；
第四排的编码为A31，B32，B33，B34，B35，……；
……。
步骤S12，以多个所述编码区域为参考，对应安装经编码且受程序化控制的脉管式铸造单元，该程序化控制为控制所述脉管式铸造单元内的液态熔融物的流向和流量；
需要说明的是，本步骤中，该程序化控制具体为通过控制所述脉管式铸造单元内部的N级限流和分流装置，以实现成形材料在所述脉管式铸造单元内的液态熔融物的流向和流量。为了更好控制成形材料在所述脉管式铸造单元内的液态熔融物的流向和流量，以得到更好的成形效果，N的取值不小于1。
具体的，本步骤中，为了便于划分单元，所述微单元和脉管式铸造单元的截面均为正方形。可以理解的，在本发明其它实施例中，所述脉管式铸造单元的截面形状还可以为多边形、圆形或椭圆形。
优选地，为了使喷射而得到多点平面凝固效果更好，所述脉管式铸造单元的整体铸造截面面积为同种材料的单个脉管式铸造单元截面面积的0.5～2倍。
进一步需要明确的是，为了便于达到较好的喷射效果，每一所述脉管式铸造单元及其上游管路均具有加热或冷却功能，用于保持所述脉管式铸造单元内的液态熔融物处于流动状态；且每一所述脉管式铸造单元的内部壁面、金属熔融液态舱的内部壁面及连接的内流管道均与内部的流通的液态熔融物非浸润。
步骤S13，将每一所述脉管式铸造单元与一个金属熔融液态舱连接，并确保每一所述脉管式铸造单元的底部均处于所述热源面上且能够独立或同步进行脉管式铸造，多个金属液滴在同一平面内同时以多点融合的方式形成面热源。
请参阅图4，第二方面，本发明提供一种增材制造面热源的设计方法设计得到的面热源的使用方法，包括以下步骤：
步骤S20，以待制造的成形构件为基准建立构件模型，并在数模软件中对构件模型进行分层切片，以得到多层的成形切片及每层所述成形切片的构体轮廓；
请参阅图5和图6，为本发明两个实施例中待制造的成形构件的截面示意图，图5中切片轮廓的截面为矩形框，图6中切片轮廓的截面为椭圆环。
步骤S21，控制脉管式铸造单元响应并吻合或接近第一层构体轮廓的几何特征，然后开启驱动对应的脉管式铸造单元同步同时喷射液态熔融物至基板或坯料的表面，多点同步熔合以对第一层所述成形切片实现一次性面堆积成形；
具体的，本步骤中，通过多点铸造，从而达到面热源的效果。为了达到更好的成形效果，相邻的所述脉管式铸造单元同步同时喷射形成的熔融铸态之间的搭接率为20％～70％。而且该搭接率通过控制所述熔融铸态单元内的液态熔融物的流向和流量及所述脉管式铸造单元的截面形状来改变。
请参阅图7和图8，为本发明两个实施例中面热源融化成形效果的截面示意图。图7中为开启10排×10列的熔池单元进行喷射，每排的搭接率为30～50％，每列的搭接率为20～30％。图8中为开启围成圈的13个熔池单元进行喷射，搭接率为20～25％。
在本发明另一优选实施例中，当切片轮廓为规则图形时，开启一排或一列脉管式铸造单元同步同时进行喷射，同时通过局部小范围移动成形切片所在的平面，以实现成形切片的堆积成形，其本质上就是多点同步同时聚合成面形成面形热量输入，也可以达到较好的成形效果。例如图7中，可以开启一排10个所述脉管式铸造单元或一列10个所述脉管式铸造单元同步同时进行喷射，同时通过局部小范围移动成形切片所在的平面，以实现10排×10列的成形效果。
步骤S22，控制所有所述脉管式铸造单元同步上升或沉积基座下降，开启第二层构体轮廓对应的脉管式铸造单元，并控制对应的脉管式铸造单元同步同时喷射液态熔融物至基板或坯料的表面，以对第二层所述成形切片实现一次性面堆积成形；
步骤S23，从下往上逐层依次进行一次性面堆积成形，以形成所述成形构件。
需要说明的是，本发明中，当每个所述脉管式铸造单元喷射完液态熔融物时，通入高压气进行管道疏通，以免发生堵塞。
请参阅图9至图11，为本发明另一实施例中，采用本发明中的使用方法来制造含环形十字筋结构的航空零件。
首先将基于数模的环形十字筋结构进行平面化分层，然后对脉管式平面热源进行数模比对编码，如图10所示：1、2、3～35、36、37；a、b、c～r、s、t；A、B、C～J、K、L。
最后准备好支撑座、所需气氛环境、熔炼环境、及其脉管铸造环境后，同时同平面开启图10中对应编码的脉管式铸造单元进行多点融合式的铸造，成形结果如图11所示，然后同步关闭脉管式铸造单元，待凝固成形后，依据数模进行第二层平面式增材成形，直至完成数模成形为止。
综上，本发明将增材制造层层堆积的热量输入形式由点热源变成多点同步同时输入的面热源，合理布局增材制造热成形的能量输入单元及其输入方式，使增材制造可以根据构件的不同结构而实现程序化控制，而且面热源能量体具有空间平面的绝对“对称”，是一种较均匀的能量体，从而改变了热量的空间布局和温度场形态和增材制造的冶金成形环境，大大降低构件产生宏/微观组织和应力的不均匀的风险，有助于提高成形效率和成形质量，更促使增材制造向集成化、全自动化、高效低能耗方面转变。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
