[发明专利]一种数字孪生体系下的点阵结构电弧增材制造仿真过程

说明书

本发明公开了一种数字孪生体系下的点阵结构电弧增材制造仿真过程，包括输入点阵结构参数，生成加工序列，以及在获取了路径规划后，自动导出加工代码，进行加工流程。提供了对结构的最优加工路径规划，以及加工过程中的热力学仿真和产品残余应力分析，基于数字孪生系统开发的制造策略，可以提高产品在设计阶段的精确性，能够验证产品在真正自然环境中的特性，从而确保产品在制备过程中的可靠性和稳定性，在生产阶段，基于数组孪生提出的制造策略可以读取每层熔覆的结果，并将当前点阵结构的成型和仿真结果通过数据可视化的方法展现出来，从而使用户能实时的监测整个加工流程，并且可以满足用户对接下来的加工路径规划的进一步调试和更改。

技术领域

本发明涉及电弧增材制造相关技术领域，具体为一种数字孪生体系下的点阵结构电弧增材制造仿真过程。

背景技术

点阵结构是由重复且排列有序的节点及其连接杆组成单元的三维网状结构。这种结构广泛应用于航空航天、造船和汽车行业，以实现轻量化、吸能、抗爆等优异的结构性能。

金属点阵结构的制备多采用冲压折叠法、面内拉伸法、挤压电火花切割法等减材制造工艺。这些方法加工速度较快，但是制备过程对原料的利用率低，因此加工成本高，并且对点阵结构设计的大小和形状较为固定，难以满足用户的个性化需求。

为了提高点阵结构在设计上的自由度，增材制造技术被用于加工点阵结构。在现有的研究进展中，激光选取融化(SLM)和电子束熔融技术(EBM)对点阵结构的制备进行了各种尝试，然而就实际而言，无论是以激光还是电子束作为热源的增材过程是非常昂贵的。其加工过程需要价格昂贵金属粉末作为添加材料，并且加工过程能耗大，原材料利用率低，导致在后期的处理和回收材料时会有健康安全和环境方面等问题。

由于较高的沉积率和低设备耗材成本，电弧增材制造(WAAM)被逐渐作为制造金属点阵结构的粉末增材制造的有前途的替代方案。电弧增材制造以电弧作为热源，逐层熔覆金属丝材来实现增材过程。其对加工环境要求非常低，并且设备易于安装，因此对比其他的增材制造方式，它可以以较快的速度对大型点阵结构进行快速成型制造。然而目前点阵结构的电弧增材制造过程体系还不够完善，在设计点阵结构时缺乏对其加工过程的仿真；在制造点阵结构时缺乏对选择不同的路径规划方案带来的堆积效率、产品质量等结果的理论分析支持。

以上问题亟需与数字孪生体系结合，从而进一步满足电弧增材制造技术在加工点阵结构时的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字孪生体系下的点阵结构电弧增材制造仿真过程，以解决上述背景技术中提出点阵结构的电弧增材制造过程体系还不够完善，在设计点阵结构时缺乏对其加工过程的仿真的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种数字孪生体系下的点阵结构电弧增材制造仿真过程，包括下列步骤：

S1、由用户选择需要金属点阵结构的大小、结构单元类型和结构单元中连接支柱的几何尺寸；

S2、根据生成的点阵结构模型，沿着每个支柱的进行切片；

S3、基于生成的切片层，用户可以选择自动或者手动选择按照z轴高度、单个结构单元、逐个连接支柱或者混合选择等方法对其进行路径规划；

S4、在用户选定了加工路径后，此方法会并自动生成加工程序代码；

S5、按照设定的加工程序代码开始加工点阵结构。

优选的，所述S1步骤会自动检测所输入的参数是否合理，并且可以检索已有的连接支柱的几何尺寸数据库来进行自适应的调节，从而生成可视化的金属点阵结构模型。

优选的，所述S2步骤会确定结构中每个切片层的焊接位置，并且对多个连接支柱的交汇点和分离点附近的切片层进行优化，从而确保加工过程中焊枪不会发生与已加工工件碰撞，以及同一个切片层被多次焊接的问题。