[发明专利]一种基于力流引导的高性能增材制造方法

说明书

本发明涉及一种基于力流引导的高性能增材制造方法，该方法包括如下步骤：(1)基于零件的几何制造特征和力流特征，将待制造零件的三维模型划分为多个建造区域，并确认各建造区域相应的建造方向；(2)规划所划分的多个建造区域的建造顺序；(3)根据各建造区域的建造方向进行分层切片，同时生成各分层切片上相应的刀轨分布；(4)根据确定的建造区域、建造方向、建造顺序和刀轨分布完成增材制造。与现有技术相比，本发明综合优化增材制造过程的建造方向、多向建造、刀轨分布等因素，有效消除增材制造的层间各向异性以及层内各向异性对增材制造零件机械性能的减益影响，实现零件的高性能增材制造。

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法，尤其是涉及一种基于力流引导的高性能增材制造方法。

背景技术

随着增材制造(Additive manufacturing,AM)技术由制造“原型”向制造“零件”转变，其诉求重点已由“几何”转向“性能”。以熔融沉积制造(Fused deposition modeling,FDM；或Fused filament fabrication,FFF)为代表的挤出式增材制造(Extrusion-basedadditive manufacturing,EAM)，其熔融丝材从线到面、从面到体的材料沉积制造过程(1D→2D→3D)造成了线与线之间(层内)以及面与面之间(层间)较差的抗拉与抗剪强度，这种方向上的性能差异(或称性能的方向依赖性)即所谓的各向异性，对零件机械性能有直接而重要影响。相关研究表明，零件在建造方向(Build-up direction,BD)的强度相对于水平方向其抗拉性能相差约25-75％左右；依据零件受力分析对零件打印刀轨(挤出路径)优化可使其强度提高20-45％以上，而通常EAM零件强度只能达到材料强度的25-50％左右。目前，通过特殊的工艺设计减小各向异性，或采用相互正交的刀轨来达到材料性能的准各向同性(quasi-isotropy)，或优化工艺参数，或采用性能更优越的新材料(如在ABS中添加碳纤维)等做法虽然对改善零件的机械性能起到一定作用，但并不从根本上改变EAM与生俱来的各向异性的本质。与试图减小各向异性(认为各向异性是缺点)的做法不同，事实上利用各向异性的实例在工程界(如复合材料)和自然界(植物纤维)普遍存在，如果能使零件的各向异性与其在应用时所承受的载荷工况相协调匹配，则这种各向异性反倒可能会成为一种相对优势，从而极大提升增材制造零件的机械性能。

经过对现有技术文献的检索发现，从本质上解决增材制造各向异性导致的零件机械性能低下的问题，需要考虑到特定受力下的力流(主应力轨迹线)的分布，主要从改善建造方向与刀轨方面入手。