复杂零件的分块增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种复杂零件的分块增材制造方法。
背景技术
增材制造技术不同于传统的减材制造技术，能实现很多复杂零件的快速制造，材料利用率也大大提高。同时，增材制造技术具有可设计化、自动化、快速化等突出优点，不仅提高了模型的可视性和直观性，还可直接用于功能测试，大大提高了生产效率和制造灵活性。因此，增材制造技术发展迅速，已经广泛应用于各行各业。
在进行增材制造零件时，需要对实体模型进行重新设计，并通过相关软件进行支撑设计，最终实现零件的打印。然而，在实际零件打印过程中，由于零件通常较为复杂，需要对支撑进行仔细设计。较强的支撑能实现零件的成功制造，但支撑作为零件的一部分与零件一起打印出来，打印完成后支撑结构需与零件剥离，这样零件表面可能会有一定损伤。而容易去除的支撑通常由于应力和变形的原因会导致零件打印失败。必须指出的是，支撑的设计与零件的摆放姿态息息相关。除此之外，大部分实际打印的零件，竖直方向有一定倾斜角θ，倾斜角θ对零件成型质量有重要的影响。
因此，由于添加支撑或倾斜角导致的打印零件工作面(如装配配合面、定位面)尺寸精度及表面质量不满足使用需求，若打印后机加，对于有些复杂零件，缺少机加基准面，有时还需要额外的定位及装夹工装，因此制造成本提高、制造周期延长，严重限制3D打印技术的应用及推广。
发明内容
本发明的目的在于提出一种复杂零件的分块增材制造方法，该分块增材制造方法能够保证复杂零件的工作面的尺寸精度及表面质量。
为达上述目，本发明采用了以下技术方案：
一种复杂零件的分块增材制造方法，所述分块增材制造方法包括如下步骤：
S1：建立零件的模型，并且分析所述零件的工作面；
S2：以所述工作面为参考要素，设置所述零件的打印摆放状态，并且根据所述零件的打印摆放状态判断所述工作面是否能直接打印；
S3：在步骤S2中，如所述工作面可直接打印，根据步骤S2中的打印摆放状态进行所述零件的打印成型；
S4：在步骤S2中，如所述工作面需要添加支撑才能完成打印，将所述零件的模型分割为多个所述子块，并且以多个所述子块的子工作面为参考要素，分别设置多个所述子块的打印摆放状态；
S5：根据步骤S4中的打印摆放状态进行多个所述子块的打印成型，并且将打印成型的多个所述子块进行拼接以完成所述零件的制造。
可选地，在步骤S2中，所述工作面为多个，多个所述工作面同时与打印平台平行或者多个所述工作面同时与所述打印平台垂直时，所述工作面可直接打印成型。
可选地，所述工作面打印过程中相邻两层成型层的轮廓线最外侧点的连线与所述打印平台的夹角为所述工作面的打印倾斜角，在步骤S2中，所述工作面的打印倾斜角大于90°时，所述工作面可直接打印成型。
可选地，在步骤S2中，所述工作面的打印倾斜角小于90°，且所述工作面的打印倾斜角大于预设角度时，所述工作面可直接打印成型；其中：所述预设角度为支撑临界角，所述支撑临界角由打印材料和所述增材成型设备共同决定；或者所述预设角度由所述零件的精度要求决定。
可选地，在步骤S4中，采用与所述打印平台近似垂直的平面对所述零件进行分割。
可选地，在步骤S4中，所述零件的分割位置选定为所述零件的平面延伸区域。
可选地，在步骤S4中，所述零件的分割结果需保证多个所述子块的子工作面的打印倾斜角为0°或90°。
可选地，在步骤S5中，相邻两个所述子块采用拼接组件进行连接，所述拼接组件包括一体成型在其中一个所述子块上的定位柱以及一体成型在另一个所述子块上的定位孔。
进一步地，所述拼接组件还包括分别设在相邻两个所述子块上的穿孔，以及穿在所述穿孔内的锁紧件。
本发明的复杂零件的分块增材制造方法具有以下优点：
(1)以零件的工作面为参考要素，确定零件的打印摆放状态，再根据打印摆放状态确定是否需要分块打印零件，这样较好地保证了复杂零件的工作面的尺寸精度及表面质量。
(2)每个子块均以其子工作面为参考要素设置子块的打印摆放状态保证了每个子块的成型精度，从而较好地保证了整个零件的成型精度。
(3)采用拼接的方式将多个子块拼接成完整的零件降低了增材制造的难度，提高了零件的加工效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一个具体实施例的杂零件的分块增材制造方法的具体步骤的流程图；
图2是采用本发明实施案例的复杂零件的分块增材制造方法成型的零件模型示意图；
图3是图2所示的零件分块结果示意图；
图4是图2所示的相邻两个分块的拼接示意图；
图5是本发明一个具体实施例的杂零件的分块增材制造方法成型的零件的一个子块的结构示意图。
图6是增材制造方法的成型原理图；
图7是增材制造方法的实际轮廓与理论轮廓的误差示意图。
附图标记：
1-零件；11-子块；N-工作面；N1-主要工作面；N2-次要工作面；θ-打印倾斜角；M-分割面；21-定位块；22-定位孔；23-穿孔；24-锁紧件。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面参考图1-图4描述本发明实施例的复杂零件的分块增材制造方法的具体步骤。
如图1所示，根据本发明复杂零件的分块增材制造方法，分块增材制造方法包括如下步骤：
S1：建立零件1的模型，并且分析零件1的工作面N；
S2：以工作面N为参考要素，设置零件1的打印摆放状态，并且根据零件1的打印摆放状态判断工作面N是否能直接打印；
S3：在步骤S2中，如工作面N可直接打印，根据步骤S2中的打印摆放状态进行零件1的打印成型；
S4：在步骤S2中，如工作面N需要添加支撑才能完成打印，将零件1的模型分割为多个子块11，并且以多个子块11的子工作面为参考要素，分别置多个子块11的打印摆放状态；
S5：根据步骤S4中的打印摆放状态进行子块11的打印成型，并且将打印成型的多个子块11进行拼接以完成零件1的制造。
可以理解的是，首先，根据零件1工作状态和使用要求，可以明确零件1的各个平面类型。具体来说，可将零件1的各个表面分成工作面N(如装配配合面、定位面)和非工作面两种。分析过程中可以评估实际使用过程中上述两种表面能承受的作用力，分析工作面N特点及各表面之间的相对关系，例如，可以分析工作面N的面积大小、曲率变化、非连续的工作面N之间的距离、角度等。在进行完上述分析之后，以工作面N的各项参数为参考要素，设置零件1的打印摆放状态。
之后，根据零件1的打印摆放状态，判断零件1的工作面N是否能直接打印。具体而言，当工作面N能够直接打印时，工作面N的成型精度较高，而如果工作面N需要支撑才能完成打印，根据增材制造的原理，需要添加支撑才能打印的表面，在打印完毕后需要去除支撑，这样就在一定程度上降低了该表面的成型精度与强度。因此，选择合适零件1的打印摆放状态使得零件1的工作面N能够直接打印可以最大限度的保证零件1的打印精度。
在本发明中，通过零件1的摆放状态判断零件1的工作面N是否能够直接打印，如果工作面N可以直接打印则直接成型零件1，如果工作面N需要支撑才能完成打印，则将零件1分割成若干子块11，再根据每个子块11的所包含的子工作面设置子块11的打印摆放状态，再根据子块11的打印摆放状态打印出各个子块11，最后将各个子块11拼接形成为完整零件1。这样根据工作面N确定打印摆放状态，再根据打印摆放状态确定是否需要分块打印的增材制造方法，既保证了零件1的打印效率，又保证了零件1的成型精度。
需要说明的是，在本发明实施例中，零件1可能存在多个工作面N，根据零件1的受力及功能可将工作面N分为主要工作面N1和次要工作面N2，当零件1的摆放状态不能同时满足主要工作面N1和次要工作面N2均能直接打印时，当以主要工作面N1为主要参考因素。也就是说在打印摆放状态需要尽可能保证主要工作面N1能够直接打印，如果主要工作面N1可以直接打印，即可直接打印零件1。如果仅次要工作面N2可直接打印，则需要分块打印零件1。当然，根据零件1的打印精度，在某些工况下，只有主要工作面N1和次要工作面N2可同时直接打印的前提下，才能直接打印零件1。
需要补充说明的是，如果打印后的材料具有各项异性的特点，还需根据打印工艺，优先选择有利于增加零件1承力能力的零件1的打印摆放状态，从而满足实际使用需求。
根据本发明实施例的复杂零件的分块增材制造方法，通过工作面N来确定是否分块，并且通过分块的方式实现不同部段有各自的打印摆放状态，打印后通过拼接成整体零件1，不需要后续机械加工，成型工艺简单。与此同时，可拆卸拼接方式，为零件1局部替换及修复提供了便利。
可选地，在步骤S2中，工作面N为多个，多个工作面N同时与打印平台平行或者多个工作面N同时与打印平台垂直时，零件1可直接打印成型。可以理解的是，如图6-图7所示，根据增材制造的原理，ε＝t/tanθ(其中，台阶效应引起的偏差为ε，t为切片厚度，θ为打印倾斜角)当工作面N与打印平台垂直时，θ为90°，当工作面N与打印平台平行时，θ为0°(非悬空状态)或者180°。在这两种情况下台阶效应引起的偏差ε为0。在此种情况下，零件1即可直接打印。
可选地，打印倾斜角θ为工作面N打印过程中相邻两层成型层的轮廓线最外侧点的连线与打印平台的夹角。在步骤S2中，工作面N的打印倾斜角θ大于90°时，零件1可直接打印成型。可以理解的是，当工作面N的打印倾斜角θ大于90°时，即可判定工作面N不存在悬臂结构，也就是时候工作面N无需支撑就可直接打印。在这种情况下，工作面N的成型精度较高。因此，此时可直接进行零件1打印。
可选地，在步骤S2中，工作面N的打印倾斜角θ小于90°，且工作面N的打印倾斜角θ大于支撑临界角时，零件1可直接打印成型，其中，支撑临界角由打印材料和增材成型设备共同决定。可以理解的是，当工作面N的打印倾斜角θ小于90°时，工作面N存有悬臂结构，但是由于工作面N的打印倾斜角θ仍然大于支撑临界角，也就是说该工作面N并不需要支撑，在这种情况下，工作面N的成型精度较高。因此，此时可直接进行零件1打印。
可选地，工作面N的打印倾斜角θ大于预设角度时，零件1可直接打印成型，其中，预设角度由零件1的精度要求决定。可以理解的是，在某些对成型精度要求更高的场合，打印倾斜角θ虽然大于支撑临界角，但是根据前文打印倾斜角θ的存在仍然会降低打印精度。具体而言，一般熔融纤维线材(FFF)增材制造技术的最小打印层高为0.1mm，支撑临界角为45°。对于某个零件1，其加工精度要求控制在0.05mm以内。在某个打印摆放状态下，该零件1的工作面N的打印倾斜角θ为60°，根据前文公式可计算出模型与理论模型最大偏差ε＝0.058mm。这个时候，虽然该零件1的工作面N的打印倾斜角θ大于支撑临界角，但是由于其加工精度要求该零件不能直接打印，需要分块打印。但是，该零件1在另一个打印摆放状态时，其工作面N打印倾斜角θ为65°，此时模型与理论模型最大偏差ε＝0.046mm。此时该零件1的工作面N的打印倾斜角θ大于支撑临界角，且打印精度满足其零件精度要求。综上所述，在某些特定的场合下，打印倾斜角θ大于某个根据打印精度确定的临界值，能够更好的提高零件1的成型精度。
这里需要说明的是，在打印某些复杂零件1时，经过分析零件1的工作面N分为主要工作面N1和次要工作面N2,在经过多次摆放后发现主要工作面N1和次要工作面N2均不能同时打印。在这样的条件下，可以直接将零件1进行分块打印。也可以是综合上述条件，选择一个较为合适的摆放状态直接打印。具体而言，首先需要保证主要工作面N1的打印倾斜角θ尽量接近90°，如果主要工作面N1存在多个的情况下，需要保证全部主要工作面N1的台阶效应引起的偏差为ε满足零件1的加工精度要求，其次需要保证次要工作面N2的打印倾斜角θ需要大于支撑临界角，也就是说次要工作面N2在打印时不需要支撑。也就是说，当零件1的主要工作面N1和次要工作面N2不能同时满足上述前述直接打印的条件时，可以选择一个全部主要工作面N1的台阶效应引起的偏差满足零件1的加工精度要求，而且全部次要工作面N2不需要支撑的打印摆放状态进行直接打印。
综上，零件1是否能够直接打印可同时参考，零件1的工作面N与打印平台之间的夹角大小，工作面N的打印倾斜角θ是否满足打印精度要求以及工作面是否需要支撑三个条件。
可选地，在步骤S4中，采用与打印平台垂直的平面对零件1进行分割。由此，保证打印成型后分割面M具有准确的表面轮廓，从而减小装配偏差，提高零件1成型精度。需要补充说明的是，在某些复杂的零件中，分割面M可能不能或者不容易与打印平台垂直时，可以选择与打印平台近似垂直的面作为分割面M。也就是说，可根据零件1的实际结构选择分割面M的延伸方向，并不一定要使得分割面M准确地垂直于打印平台。
可选地，在步骤S4中，零件1的分割位置选定为零件1的平面延伸区域。由此，保证了子块11拼接的精准度从而减小装配偏差，提高零件1成型精度。这里需要说明的是，这里的平面延伸区可以是零件1的表面为平面的区域，如果零件1的形状较为复杂且表面均为曲面，此时零件1的分割位置可以选定零件1的表面相对平缓的位置。
可选地，在步骤S4中，零件1的分割结果需保证多个子块11的子工作面的打印倾斜角θ为0°或90°。根据前文，打印倾斜角θ为0°或者90°，零件1的打印精度较高，由此，保证了子块11的打印精度，从而提高了零件1成型精度。当然，在零件1的结构较为复杂的条件下，无论怎样分割都不能保证多个子块11的子工作面的打印倾斜角θ为0°或90°，在这样的条件下，可以保证多个子块11的子工作面的打印倾斜角θ近似为0°或者90°。如果相差较大，也需保证多个子块11的子工作面的打印倾斜角θ大于支撑临界角，或者根据打印倾斜角θ计算出的台阶效应引起的偏差为ε满足整个零件1的加工精度要求。
可选地，如图5所示，在步骤S5中，相邻两个子块11采用拼接组件进行连接，拼接组件包括一体成型在其中一个子块11上的定位柱21以及一体成型在另一个子块11上的定位孔22。由此，保证了相邻两个子块11的拼接精准性，从而提高了零件1成型精度。当然，为了进一步保证子块11的拼接精准性，定位孔22和定位柱21各表面打印倾斜角均大于支撑临界角，打印时无需添加支撑。
进一步地，如图4所示，拼接组件还包括分别设在相邻两个子块11上的穿孔23，以及穿在穿孔23内的锁紧件24。由此，保证了多个子块11拼接后的零件1整体刚性，保证了零件1的力学性能。
可选地，相邻的两个子块11之间可以添加垫片，从而降低了打印收缩量对拼接精度的影响。
可选地，为保证拼接精度，每个子块11上的定位柱21和定位孔22需要不添加支撑直接打印，或者定位柱21和定位孔22的定位面的打印倾斜角θ满足定位精度要求。
实施例1：
下面描述一个具体实施例的复杂零件的分块增材制造方法。
(1)建立零件1的模型，并且分析零件1的工作面N。如图4所示的零件1为通过对双曲曲面增厚设计而成，曲面上分布有若干法向孔。所有法向孔分别为主要工作面N1，起定位作用，需保证较高的精度和表面质量，曲面凹面为次要工作面N2，需保持相对准确的表面轮廓，其余各面为非主要工作面。实际使用过程中，各法向孔承受轴向及径向作用力。根据设计要求，零件1采用熔融纤维线材(FFF)增材制造技术。
(2)以主要工作面N1为参考要素，设置零件1的打印摆放状态，摆放过程中，需要考虑到各法向孔和零件1凹面为主要工作面N1及次要工作面N2，需尽量避免这些表面添加支撑，因此整体打印摆放趋势为各孔轴线尽量垂直于打印平台，凹面尽量平行于打印平台向上。除此之外，零件1制造工艺为FFF技术，具有各向异性的特点，层间结合力稍弱于同层材料结合力，打印时各孔轴线尽量竖直，有利于增加孔轴向承力能力。
(3)根据多次摆放，由于零件1结构的复杂性，多个孔的轴线并不能同时垂直于打印平台，在摆放过程中总有一个或多个孔在打印过程中需要支撑。因此确定将该零件1进行分块打印。
(4)分块，考虑到需要足够的对接、连接空间，依照各孔打印倾斜角θ尽量靠近90度的原则，经过多次调整分割面M角度、位置以及子块11各自打印姿态。如图3所示，将该零件1分为三块。这里需要注意是，对于三个子块11，在保证主要工作面N1打印倾斜角θ近似垂直于打印平台的情况下，子块11最高点和最低点高度差尽量小，从而减少支撑用量以及减小打印过程发生的翘曲。
(5)采用具有两个四边形定位柱21、两个螺栓锁紧结构的拼接组件作为两个子块11的拼接结构。定位柱21的各个定位面与打印平台所成锐角夹角大于60°，其中一子块11拼接对接面上有两个四边形定位柱21，两个定位柱21间距应尽量远，从而更好地保证定位精度，另一个子块11上对应位置有两个轮廓一致的四边形定位孔22，定位孔22与定位柱21单边间距为0.02。这里需要说明的是，传统的定位方式为圆形定位销定位或V型槽、燕尾槽等方式定位，其中圆形定位销接近水平方向摆放定位两个部段，导致定位销底部需要支撑，影响定位精度，而凹槽定位方式也不能充分保证各个方向自由度均被有效限制。而在本实施例中采用四边形的定位柱21配合定位孔22的定位方式可以限制沿定位轴向的周向定位，而螺钉拧紧后可以限制垂直定位孔22轴向自由度。
需要补充说明的是，在实际打印三个子块11时，FFF技术打印子块11时把子块11划分成三部分：上下表面层、墙、填充区，其中每部分对应一个或几个参数。增加上下表层厚度、填充率可以增加所打印子块11的刚性；墙厚增加可以实现增加各法向孔以及连接处定位块和锁紧件24安装区域刚性，起到局部填充率增加的效果。打印该子块11时可以选用的打印材料为尼龙+碳纤维短切纤维，这种材料打印收缩量减小，因此打印时可不进行收缩补偿。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
