基于slm工藝的零件輕量化設計加工方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及超輕量零件優(yōu)化設計領域，具體為一種基于SLM工藝的零件輕量化設 計加工方法。
【背景技術】
[0002] 拓撲優(yōu)化是實現(xiàn)結構輕量化設計的有效手段。但由于傳統(tǒng)加工工藝的限制，目前 拓撲優(yōu)化僅用于結構的概念設計，后期詳細設計階段由于考慮加工工藝，最終的設計重量 通常遠大于拓撲優(yōu)化結果的重量，國內(nèi)外學者及工業(yè)設計人員均認為拓撲優(yōu)化與增材制造 工藝相結合是實現(xiàn)零件輕量化設計的有效手段，并進行了初步試驗研究將拓撲優(yōu)化與選擇 性激光恪化成形技術相結合，選擇性激光恪化成形技術（SelectiveLaserMelting，SLM) 是利用零件3D模型分層數(shù)據(jù)，通過激光逐層熔化冷凝堆積金屬粉末直接成形最終零件的 工藝過程，具有復雜結構構造能力強、節(jié)約材料、無切削浪費、加工周期短、成本低、無需工 裝模具等顯著優(yōu)點，但由于現(xiàn)有拓撲優(yōu)化軟件中均無法設置SLM加工工藝約束，因此優(yōu)化 設計出的結構通常無法通過SLM工藝加工，或需要設計大量的支撐結構，且支撐結構難以 去除。
[0003] 因此，需要一種將拓撲優(yōu)化與選擇性激光恪化成形技術（SelectiveLaser Melting，SLM)相結合，同時使零件滿足SLM無支撐加工的條件，從而能夠使零件通過SLM工 藝直接加工，實現(xiàn)零件的輕量化設計與加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種將拓撲優(yōu)化與選擇性 激光恪化成形技術（SelectiveLaserMelting，SLM)相結合，同時使零件滿足SLM無支撐 加工的條件，從而能夠使零件通過SLM工藝直接加工，實現(xiàn)零件的輕量化設計與加工的基 于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法。
[0005] 本發(fā)明公開的一種基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，包括以下步驟：通 過零件的三維數(shù)字模型建立有限元模型，定義載荷及邊界條件；建立零件拓撲優(yōu)化模型并 設定拓撲優(yōu)化單向拔模約束；進行零件拓撲優(yōu)化生成初始輕量化模型，對所述初始輕量化 模型進行力學性能分析，根據(jù)初始輕量化模型的應力分布布置不同密度的自支撐多孔結 構，生成最終輕量化模型；利用生成的最終輕量化模型通過選擇性激光熔化成形技術加工 出最終輕量化實體零件；
[0006] 進一步，將所述最終輕量化模型進行零件數(shù)據(jù)分層并設定相應的工藝參數(shù)；激光 根據(jù)最終輕量化模型數(shù)據(jù)及設定的工藝參數(shù)層層熔化金屬粉末加工出最終輕量化實體零 件；
[0007] 進一步，通過選擇性激光熔化成形技術加工零件前，將生成的最終輕量化模型進 行有限元分析以驗證其力學性能是否滿足設計標準；
[0008] 進一步，利用所述最終輕量化模型生成STL模型；將所述STL模型進行零件數(shù)據(jù)分 層后生成SLI模型；將所述SLI模型導入SLM設備并設定相應的工藝參數(shù)進行選擇性激光 熔化成形技術加工后得到最終輕量化實體零件；
[0009] 進一步，建立零件拓撲優(yōu)化模型前，應確定零件基于SLM工藝的加工方向；拓撲優(yōu) 化模型建立后，根據(jù)SLM工藝的加工方向設定零件拓撲優(yōu)化單向拔模約束。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，在拓 撲優(yōu)化過程中按指定方向設定單向拔模約束，完成零件拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)了零件輕量化設計， 且基于拔模約束的拓撲優(yōu)化結果適用于SLM工藝，無需添加支撐結構，不需要繁雜的去支 撐工序，簡化了設計工序。
【附圖說明】
[0011] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述：
[0012] 圖1為本發(fā)明的基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法的流程圖；
[0013] 圖2為本實施例的自支撐多孔結構推導示意圖；
[0014] 圖3為本實施例的自支撐多孔結構的示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 如圖1所示，本實施例的基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，包括以下步 驟：通過零件的三維數(shù)字模型建立有限元模型，定義載荷及邊界條件；進行零件拓撲優(yōu)化 生成初始輕量化模型，對所述初始輕量化模型進行力學性能分析，根據(jù)初始輕量化模型的 應力分布布置不同密度的自支撐多孔結構，生成最終輕量化模型；利用生成的最終輕量化 模型通過選擇性激光熔化成形技術加工出最終輕量化實體零件，本實施例的拓撲優(yōu)化模 型為：
[0016] findX= (χ1?χ2,Κ,χη)；
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 0 <δ< Χι< 1，i= 1，Κ，η
[0021] 其中，X為設計變量；η為設計變量個數(shù)；Φ(Χ)為目標函數(shù)；Κ為有限元模型總體 剛度矩陣；F為節(jié)點等效載荷向量；U為節(jié)點整體位移向量；Gj(X)為第j個約束函數(shù)；為 第j個約束函數(shù)的上限；J為約束的數(shù)量；δ= 10 3以避免剛度矩陣奇異；
[0022] 對拔模方向上處于同一列的單元，其偽密度在拔模方向上的順序依次為Ρρ Ρ1+1，. ..，Ρ1+"，（m= 1，Κ，Μ);拔模方向為模型的分模/型面4的法向方向，單元i距離模 型的分模/型面4最近，單元i+m距離模型的分模/型面4最遠，則：
[0023]
[0024] 對處于拔模方向上同一列的單元Py Pi+1，. . .，P i+m，（m=1，Κ，Μ)，0 <δ<χΑ1 則：
[0025]
[0026] 由上式可得：1 >Pi彡P1+1彡，· · ·，彡P1+n彡0,（m= 1，K，M)，即滿足拔模約束 條件；
[0027] 在拓撲優(yōu)化過程中按指定方向設定單向拔模約束，完成零件拓撲優(yōu)化，并根據(jù)應 力分布布置了自支撐多孔結構，實現(xiàn)了零件輕量化設計，且基于拔模約束的拓撲優(yōu)化結 果適用于SLM工藝，無需添加支撐結構，不需要繁雜的去支撐工序，簡化了設計工序。本 實施例中，對零件進行拓撲優(yōu)化后生成初始輕量化模型并對所述初始輕量化模型進行力 學性能分析，并根據(jù)初始輕量化模型的應力分布設置不同密度的自支撐多孔結構；利用 OptiStruct等程序?qū)α慵M行拓撲優(yōu)化后利用Pro/E等三維建模軟件建立拓撲優(yōu)化后的 初始輕量化模型，進行力學性能分析后根據(jù)力學分析結果，布置不同密度的自支撐多孔結 構；圖2為本實施例的自支撐多孔結構推導示意圖，圖3為本實施例的自支撐多孔結構的 示意圖；如圖2所示ZABC=ZBCE=Φ;平面ABC與平面ABE的夾角為θ;??ηφ= 1/ tanΘ，其中MB為L，（L彡5mm時，為自支撐多孔結構），在MB=BN的條件下推出結構如圖 3所示的的空間結構，該結構具有自重較輕，同時保證其具有較強的力學性能。
[0028] 本實施例中，將所述最終輕量化模型進行零件數(shù)據(jù)分層并設定相應的工藝參數(shù)； 激光根據(jù)最終輕量化模型數(shù)據(jù)及設定的工藝參數(shù)層層熔化金屬粉末加工出最終輕量化實 體零件，利用該技術加工零件具有復雜結構構造能力強、節(jié)約材料、無切削浪費、加工周期 短、成本低、無需工裝模具等顯著優(yōu)點。
[0029] 本實施例中，通過選擇性激光熔化成形技術加工零件前，將生成的最終輕量化模 型進行有限元分析以驗證其力學性能是否滿足設計標準，由于設置多孔結構后將削弱零 件的力學性能，因此，在設置多孔結構后應再次進行力學性能分析，以確保零件達到設計標 準。
[0030] 本實施例總，利用所述最終輕量化模型生成STL模型；將所述STL模型進行零件數(shù) 據(jù)分層后生成SLI模型；將所述SLI模型導入SLM設備并設定相應的工藝參數(shù)進行選擇性 激光熔化成形技術加工后得到最終輕量化實體零件。
[0031] 本實施例中，建立零件拓撲優(yōu)化模型前，應確定零件基于SLM工藝的加工方向；拓 撲優(yōu)化模型建立后，根據(jù)SLM工藝的加工方向設定零件拓撲優(yōu)化單向拔模約束，在對零件 進行拓撲優(yōu)化之前，根據(jù)零件邊界條件及載荷確定零件設計區(qū)域，并確定零件基于SLM工 藝的加工方向，在拓撲優(yōu)化時，才能根據(jù)該加工方向設定零件拓撲優(yōu)化單向拔模約束，確保 實際加工中的拔模方向與設定的加工方向一致，實現(xiàn)無支撐加工，保證SLM加工的順利進 行。
[0032] 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本 發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，其特征在于，包括以下步驟： 通過零件的三維數(shù)字模型建立有限元模型，定義載荷及邊界條件； 建立零件拓撲優(yōu)化模型并設定拓撲優(yōu)化單向拔模約束； 進行零件拓撲優(yōu)化生成初始輕量化模型，對所述初始輕量化模型進行力學性能分析， 根據(jù)初始輕量化模型的應力分布布置不同密度的自支撐多孔結構，生成最終輕量化模型； 利用生成的最終輕量化模型通過選擇性激光熔化成形技術加工出最終輕量化實體零 件。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，其特征在于：將 所述最終輕量化模型進行零件數(shù)據(jù)分層并設定相應的工藝參數(shù)；利用激光根據(jù)生成的最終 輕量化模型及設定的工藝參數(shù)層層熔化金屬粉末加工出最終輕量化實體零件。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，其特征在于：通 過選擇性激光熔化成形技術加工零件前，將生成的最終輕量化模型進行有限元分析以驗證 其力學性能是否滿足設計標準。4. 根據(jù)權利要求2所述的基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，其特征在于：利 用所述最終輕量化模型生成STL模型；將所述STL模型進行零件數(shù)據(jù)分層后生成SLI模型； 將所述SLI模型導入SLM設備并設定相應的工藝參數(shù)進行選擇性激光熔化成形技術加工并 得到最終輕量化實體零件。5. 根據(jù)權利要求1所述的基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，其特征在于：建 立零件拓撲優(yōu)化模型前，應確定零件基于SLM工藝的加工方向；拓撲優(yōu)化模型建立后，根據(jù) 確定的SLM工藝的加工方向設定零件拓撲優(yōu)化單向拔模約束。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于SLM工藝的零件輕量化設計加工方法，包括以下步驟：通過零件的三維數(shù)字模型建立有限元模型，定義載荷及邊界條件；建立零件拓撲優(yōu)化模型并設定拓撲優(yōu)化單向拔模約束；進行零件拓撲優(yōu)化生成初始輕量化模型,對所述初始輕量化模型進行力學性能分析,根據(jù)初始輕量化模型的應力分布布置不同密度的自支撐多孔結構,生成最終輕量化模型；利用生成的最終輕量化模型通過選擇性激光熔化成形技術加工出最終輕量化實體零件,在拓撲優(yōu)化過程中按指定方向設定單向拔模約束，完成零件拓撲優(yōu)化，實現(xiàn)了零件輕量化設計，且基于拔模約束的拓撲優(yōu)化結果適用于SLM工藝，無需添加支撐結構，不需要繁雜的去支撐工序，簡化了設計工序；引入不同密度的自支撐多孔結構,進一步降低了結構的重量。
【IPC分類】G06F17/50, G06T17/00
【公開號】CN105373645
【申請?zhí)枴緾N201510559822
【發(fā)明人】張正文, 李忠華, 羅珺, 徐華鵬
【申請人】蘇州西帝摩三維打印科技有限公司, 重慶朗蘭科技有限公司, 重慶西帝摩科技有限公司
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年9月6日