基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法
技术领域
1.本发明涉及复合激光增材制造技术领域，尤其涉及一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法。
背景技术：
2.激光选区熔化(selective laser melting，slm)是激光增材制造中的一种主要技术途径。该技术以激光束作为主能量源，基于三维模型切片数据在粉末床的特定区域进行扫描，使金属粉末熔化并凝固成零件。
3.激光选区熔化为逐层累加成形，其成型系统在常规成形时，保护气氛会充满成形腔体，先由成形缸降低一个层厚，然后由铺粉车铺设一层粉末于粉末床，然后开启激光扫描系统，根据切片数据在粉末床指定区域内扫描，使粉末吸收能量熔化后凝固成零件，如此循环往复直至零件成形结束。
4.激光选区熔化技术具有成形精度高、成形质量好等优点，具备传统减材所不具备的复杂结构制造能力。然而，slm成形是一个快速熔化和凝固过程，其冷却凝固速度可达103-108℃/s，熔池表面中心和边缘之间存在巨大的温度梯度易使晶粒在熔池中容易沿温度梯度方向(倾向于《001》方向)生长为长柱状晶，引起微观组织和力学性能的各向异性。力学性能各个方向上的较大差异也限制了激光选区熔化零件的实际应用。
技术实现要素：
5.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，包括以下步骤：
8.获取待加工的零件模型，根据零件模型设计符合细晶结构特点的三维细晶骨架结构；
9.将所述三维细晶骨架结构与所述零件模型进行布尔运算，得到成形基体结构；
10.将布尔运算后得到的成形基体结构和三维细晶骨架结构，在同一三轴坐标按实际相对位置分别进行切片，得到两个切片数据；
11.根据两个切片数据，将布尔运算后得到的成形基体结构或零件模型，和三维细晶骨架结构的原位复合，完成打印准备；
12.控制超声复合slm成形系统进行打印，直至打印完成。
13.进一步地，所述超声复合slm成形系统包括：
14.激光器，用于产生激光；
15.成型缸，内置成形平台，用于支撑粉末床和放置已成形的部分零件结构；
16.成形腔体，所述成形腔体内设有铺粉单元，所述铺粉单元用于将金属粉末铺到成型缸内的成形平台上形成粉末床；
17.超声装置，用于产生作用于熔池的超声波；其中，超声装置的开启或关闭根据三维细晶骨架结构的切片数据进行控制。
18.进一步地，所述超声装置与用于放置待加工件的基板连接，所述超声装置产生的超声波通过基板和零件，传递至熔池并产生作用。
19.进一步地，所述超声装置安装在所述成形腔体内，所述超声装置的超声振子具有超声聚焦和扫描运动功能，产生的超声波根据三维细晶骨架结构的切片数据按照预设的焦距、通过气体介质传递至熔池并产生作用。
20.进一步地，所述控制超声复合slm成形系统进行打印，包括：
21.当超声复合slm成形系统在扫描三维细晶骨架结构的切片轨迹时，打开超声装置并对熔池产生作用。
22.进一步地，所述根据两个切片数据，将布尔运算后得到的成形基体结构和三维细晶骨架结构的原位复合，包括：
23.将获得的切片数据分别导入到预设的打印控制软件中，通过设置切片数据中心位置在打印坐标系的位置坐标，使得成形基体结构和三维细晶骨架结构的原位复合。
24.进一步地，采用重熔法来实现三维细晶骨架结构的超声复合slm定制：
25.将零件模型和三维细晶骨架结构的切片数据同时导入到预设的打印控制软件，设置打印顺序为先扫描成形基体结构；由于零件模型和三维细晶骨架结构存在重叠部分，所以先扫描整体零件区域再扫描三维细晶骨架结构会在已成形的整体零件区域上进行三维细晶骨架结构切片区域的重熔，此时超声装置为开启状态，超声复合重熔实现特定区域的晶粒细化，实现三维细晶骨架结构的细晶定制。
26.进一步地，采用成形法来实现三维细晶骨架结构的超声复合slm定制：
27.在完成零件模型和三维细晶骨架结构模型的结构设计后，对两个模型进行排除布尔运算，得到一个镂空了三维细晶骨架结构的成形基体结构；
28.将镂空后的基体模型和三维细晶骨架结构模型切片后导入到预设的打印控制软件中，此时成形基体结构和三维细晶骨架结构不存在重叠部分；
29.设置打印顺序为先扫描镂空后的成形基体结构，此时镂空后的成形基体结构和三维细晶骨架结构将先后成形，激光扫描三维细晶骨架结构时，超声装置波开启，实现超声复合slm成形，在成形同时实现超声波复合晶粒细化结构的制备。
30.本发明的有益效果是：本发明利用超声形成特殊定制细化的亚晶及晶粒结构，实现晶粒、区域三维微结构、宏观晶体结构复合材料的多尺度数字化定制。利用不同区域晶粒结构的不同定制“晶体结构复合材料”，将“细晶骨架结构”引入到常规slm成形的材料基体内，实现细晶结构与基体结构的互补和关联获得极佳的综合性能。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
32.图1是本发明实施例中超声复合slm成形系统的一种实现方式示意图；
33.图2是本发明实施例中超声复合slm成形系统的二种实现方式示意图；
34.图3是本发明实施例中通过重熔法实现三维“细晶骨架结构”超声复合slm定制的示意图；
35.图4是本发明实施例中通过成形法实现三维“细晶骨架结构”超声复合slm定制的示意图；
36.图5是本发明实施例中一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法的步骤流程图。
具体实施方式
37.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
40.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
41.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
42.复合激光增材制造技术则是以增材制造为主体工艺，在零件制造过程中采用一种或多种辅助工艺与增材制造工艺耦合协同工作，使工艺得到优化，零件性能得以改进。超声复合激光选区熔化技术则是在激光选区熔化或重熔过程中加入超声波作用，利用超声在液态金属中产生的空化、声流、振动效应对熔体进行搅拌，从而减小熔池温差和温度梯度，均匀、细化晶粒组织，打乱织构取向，消除微观缺陷、减小残余应力、改善各向异性。
43.因此，可采用超声辅助方法实现slm成形组织晶粒的细化和定制，根据有无超声作用下slm成形的晶粒结构之间的性质与性能差别，借鉴复合材料将不同性质的材料组分优化组合并保持各组分的性能优点，利用超声形成特殊定制细化的亚晶及晶粒结构，实现晶粒、区域三维微结构、宏观晶体结构复合材料的多尺度数字化定制。利用不同区域晶粒结构的不同定制“晶体结构复合材料”，将“细晶骨架结构”引入到常规slm成形的材料基体内，实现细晶结构与基体结构的互补和关联获得极佳的综合性能。总的来说，就是利用超声辅助
slm成形方法实现晶体结构复合材料的数字化定制。
44.如图5所示，本实施例提供一种基于超声复合的slm多尺度数字化组织结构定制方法，用于将超声晶粒细化、三维结构、复合结构材料结构进行了数字化多尺度复合，该方法具体包括以下步骤：
45.s1、获取待加工的零件模型，根据零件模型设计符合细晶结构特点的三维细晶骨架结构。
46.s2、将所述三维细晶骨架结构与所述零件模型进行布尔运算，得到成形基体结构。
47.s3、将布尔运算后得到的成形基体结构和三维细晶骨架结构，在同一三轴坐标按实际相对位置分别进行切片，得到两个切片数据。
48.s4、根据两个切片数据，将布尔运算后得到的成形基体结构或零件模型，和三维细晶骨架结构的原位复合，完成打印准备。
49.s5、控制超声复合slm成形系统进行打印，直至打印完成。
50.其中，所述超声复合slm成形系统包括：
51.激光器，用于产生激光；
52.成型缸，内置成形平台，用于支撑粉末床和放置已成形的部分零件结构；
53.成形腔体，所述成形腔体内设有铺粉单元，所述铺粉单元用于将金属粉末铺到成型缸内的成形平台上形成粉末床；
54.超声装置，用于产生作用于熔池的超声波；其中，超声装置的开启或关闭根据三维细晶骨架结构的切片数据进行控制。
55.作为一种实施方式，参见图1，所述超声装置与用于放置待加工件的基板连接，所述超声装置产生的超声波通过基板和零件，传递至熔池并产生作用。
56.作为另一种实施方式，参见图2，所述超声装置安装在所述成形腔体内，所述超声装置的超声振子具有超声聚焦和扫描运动功能，产生的超声波根据三维细晶骨架结构的切片数据按照预设的焦距、通过气体介质传递至熔池并产生作用。
57.以上两种超声装置均可以通过功率调节调节超声波振幅，可以通过更换振子进行超声波频率的调整。
58.具体地，超声装置的开启或关闭根据三维“细晶骨架结构”的切片数据进行，即slm成形系统激光在扫描“细晶骨架结构”的切片轨迹时，超声波打开并产生作用。图1系统中，超声振子在激光扫描“细晶骨架结构”的切片轨迹时打开开关并产生作用即可，完成扫描时关闭。图2中，“细晶骨架结构”切片数据同时控制超声波聚焦系统与激光扫描，使两个系统的作用焦点作用到统一点位上。扫描过程中，超声波跟随激光开关信号同时关闭或开启。
59.进一步作为可选的实施方式，所述铺粉单元包括铺粉导轨、铺粉刮刀、粉料缸和进气导轨；
60.所述粉料缸用于装放金属粉末；
61.所述铺粉刮刀用于从粉料缸内刮带金属粉末，并沿着所述铺粉导轨到达预设的位置后落粉；
62.进气导轨，用于输入保护气体。
63.作为一种可选的实施方式，铺粉刮刀将粉料缸的粉末通过其下方的刮刀将粉末刮到成型缸上方并铺平，每成型一层，粉料缸上移一层，成型缸下降一层，铺粉刮刀铺粉一次，
往复循环。作为另一种可选的实施方式，金属粉末装放在粉料缸内，而粉料缸设置在成型平台附近，通过吸粉嘴或者其他吸粉部件吸取金属粉末，并通过运动平台，将吸取到的金属粉末运送到成型平台上方进行铺粉。作为另一种可选的实施方式，金属粉末装放在粉料瓶内，该粉料瓶设置在成型腔外，粉料瓶通过管道与落粉嘴连接，该落粉嘴设置在成型腔内，通过气压将粉料瓶内的金属粉末输送至落粉嘴上，通过运动平台将落粉嘴移动至预设的位置进行铺粉。
64.进一步作为可选的实施方式，所述激光选区熔化系统还包括扫描振镜，所述激光器产生的激光输入所述扫描振镜；所述扫描振镜用于控制激光的扫描运动，以使激光在粉末床内预设区域内进行扫描。
65.在一些实施例中，可以通过扫描振镜控制激光的发射角度的角度，以使激光照射在所述成型缸上的不同位置上，实现对成型缸上所有的金属粉末进行熔化。在另一些实施例中，在成型缸上安装有移动平台，通过控制移动平台的位置移动，以使激光照射到待加工件上的不同位置，从而实现熔化所有位置上的金属粉末。
66.三维“细晶骨架结构”超声复合slm定制方法主要有两种，分别为重熔法和成形法。
67.参见图3，重熔法直接将零件模型和三维“细晶骨架结构”切片数据同时导入到打印控制软件，设置打印顺序为先扫描成形基体结构，由于零件模型和三维“细晶骨架结构”存在重叠部分，所以先扫描整体零件区域再扫描三维“细晶骨架结构”会在已成形的整体零件区域上进行三维“细晶骨架结构”切片区域的重熔，此时超声为开启状态，超声复合重熔实现特定区域的晶粒细化，实现三维“细晶骨架结构”的细晶定制。
68.参见图4，成形法则在完成零件模型和三维“细晶骨架结构”模型的结构设计后，对两个模型进行“排除”布尔运算得到一个镂空了三维“细晶骨架结构”的成形基体结构(成形基体模型减去三维“细晶骨架结构”模型)。此时将镂空后的基体模型和三维“细晶骨架结构”模型切片后导入到打印控制软件内，此时成形基体结构和三维“细晶骨架结构”不存在重叠部分。设置打印顺序为先扫描镂空后的成形基体结构，此时镂空后的成形基体结构和三维“细晶骨架结构”将先后成形，激光扫描三维“细晶骨架结构”时超声波开启，实现超声复合slm成形，在成形同时实现超声波复合晶粒细化结构的制备。
69.综上所述，本技术将超声晶粒细化、三维结构、复合结构材料结构进行了数字化多尺度复合：
①
首先对复合材料进行三维空间结构模型进行设计，即根据零件模型先设计出符合细晶结构特点的三维“细晶骨架结构”，该三维“细晶骨架结构”可进行任意数字化设计。
②
并将“细晶骨架结构”与原零件模型进行布尔运算。
③
然后将布尔运算后的整体零件模型和三维“细晶骨架结构”在同一三轴坐标按实际相对位置分别进行切片得到两个切片数据。
④
同时，将获得的切片数据分别导入到打印控制软件中，通过设置切片数据中心位置在打印坐标系的位置坐标使得布尔运算后的整体零件模型和三维“细晶骨架结构”模型的原位复合。
⑤
完成打印准备后开启超声复合slm成形系统进行打印，直至打印完成。本技术利用超声形成特殊定制细化的亚晶及晶粒结构，实现晶粒、区域三维微结构、宏观晶体结构复合材料的多尺度数字化定制。利用不同区域晶粒结构的不同定制“晶体结构复合材料”，将“细晶骨架结构”引入到常规slm成形的材料基体内，实现细晶结构与基体结构的互补和关联获得极佳的综合性能。
70.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实
施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式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方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。
71.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
72.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。