CN207900233U - 一种基于快速成型技术制造零部件的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于快速成型技术制造零部件的系统，包括建模单元、有限元分析单元、切片单元、3D打印单元、分离单元、材料特性分析单元、激光熔化测试单元和热处理试验单元。使用本实用新型的系统，保证了零部件的使用寿命，降低制造成本和产品报废率，缩短制造周期，在成功抑制热裂纹的同时，SLM成型效率大幅提升，也大大提高了零部件的加工精度和零部件的强度，确保零部件具有良好的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及先进制造领域，尤其涉及一种基于快速成型技术制造零部件的系统。
背景技术
在电气设备维护检修作业中，由于存在大量磨损、寿命周期失效或损坏的零部件。由于厂家已不再生产该型号设备，无法提供部件更换和维护，而只能更换整个模块或者导致整套设备待修、提前结束设备使用的问题。同时，还存在紧急需要某种备\配件（如末屏盖、GIS取气口、取油口等），但采购周期长，而无法及时更换或使用的问题。在生产一线，检修人员存在自行创新和设计改进工作器具的需求，若采用传统生产方法，开模铸造，存在批量少，成本高的问题，造成单件或少量设计的工具几乎无法实现。3D打印作为一项前沿性的先进制造技术，已经成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力。然而，常规3D打印不仅成本很贵，且打印出的材质机械性能差，无法经久耐用。而快速成型技术是通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体。与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，Additive Manufacturing），是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于，提供一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其制造工时短，成本低，且强度和韧性优良。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种基于快速成型技术制造零部件的系统，包括建模单元、有限元分析单元、切片单元、3D打印单元、分离单元、锻造处理单元、热处理单元和光饰处理单元，所述建模单元用于根据用户要求通过3D软件为待打印的零部件建立3D模型，所述有限元分析单元是运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析，所述切片单元用于将所述 3D 模型进行切片处理，获得所述 3D 模型的逐层截面，所述3D打印单元用于根据所述 3D 模型的逐层截面，利用激光选区熔化成型技术进行逐层打印成型，所述分离单元用于将打印成型的物体从打印平台上分离，所述锻造处理单元用于对所述零部件进行锻造处理，所述热处理单元用于对所述零部件进行热处理，所述光饰处理单元用于对所述零部件进行光饰处理。
优选的，所述切片的厚度为0.01mm~0.03mm。
优选的，所述切片的厚度为0.02mm。
优选的，所述3D打印单元在打印成型过程中添加微量元素。
优选的，所述微量元素是通过超声共振渗透技术添加。
优选的，所述微量元素为钛。
优选的，所述锻造处理采用微分锻造技术。
优选的，所述热处理包括淬火和时效。
优选的，所述时效为人工时效。
优选的，所述光饰处理包括粗振、打磨和细振。
本实用新型的益处在于：
（1）以较低的成本满足用户的个性化需求，且效率大大提高。
（2）运用有限元技术，保证了零部件的使用寿命，降低制造成本和产品报废率，缩短制造周期。
（3）运用激光选区熔化成型技术，大大提高了零部件的加工精度。
（4）采用超声共振渗透技术添加微量元素，在成功抑制热裂纹的同时，SLM成型效率大幅提升。
（5）采用微分锻造等技术工艺，使得零部件材料结晶、合金化方面普遍优于传统锻造工艺。
（6）采用热处理技术大大提高了零部件的强度，保证良好的综合性能。
（7）通过光饰处理，确保零部件表面光整。
附图说明
图 1 是本实用新型实施例制造系统结构示意图；
图 2 是本实用新型实施例运用有限元技术分析的流程图。
具体实施方式
快速成型技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为添加制造（AM，AdditiveManufacturing），是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是：应用计算机软件设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备，用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层制造出产品。
一种基于快速成型技术制造零部件的系统，如图1所示，包括建模单元、有限元分析单元、切片单元、3D打印单元、分离单元、锻造处理单元、热处理单元和光饰处理单元。其中：
建模单元用于根据用户要求通过3D软件为待打印的零部件建立3D模型。通常采用“木”质材料将要打印的零部件雕刻成模型，然后通过3D扫描技术将该“木模”录入建模软件，由建模软件完成3D建模，获得所述零部件的3D模型。具体方法是：采用Unigraphics NX3D建模软件，进行计算机辅助设计，精密构建零部件的3D模型。
有限元分析单元是运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析。零部件的3D模型构建后，运用有限元技术，对零部件进行有限元分析。分析类型包括应力分析、疲劳分析，分析的目的是实现减小模型大倾角的曲面，实现零部件预计的使用寿命。应力分析是分析和求解机械零件和构件等物体内各点的应力和应力分布的方法，主要用于确定与机械零件和构件失效有关的危险点的应力集中、应变集中部位的峰值应力和应变。而疲劳分析则是分析在无限多次交变载荷作用下的最大破坏应力。
有限元分析的具体流程如图2所示：首先，初步确定，包括分析类型、单元类型、模型类型；然后，前处理，包括导入几何模型、定义材料属性、划分网格；接着，求解，包括施加约束和载荷、有限元求解；最后，后处理，包括评估结果、输出报告。如果分析结果满足要求，则进行下一步；不满足，则返回，对零部件的3D建模进行优化，之后重新进行有限元分析。
切片单元用于将所述 3D 模型进行切片处理，获得所述 3D 模型的逐层截面。作为本实用新型优选的实施方式，可应用 mlab 模块 ( 一个基于 python 的模块，可以制作3D 图像 ) 对 3D 模型进行切片处理，同时可根据精度需求对每层截面的厚度以及分辨率等进行设置。一般切片的厚度为0.01mm~0.03mm，优选切片的厚度为0.02mm。
3D打印单元用于根据所述 3D 模型的逐层截面，利用激光选区熔化成型技术进行逐层打印成型，获得所述零部件。本实用新型通过读取 3D 模型的逐层截面信息，利用激光选区熔化成型技术进行逐层打印继而将逐层粘合形成一个实物。
激光选区熔化成型技术（Selective Laser Melting，SLM）所应用的材料已涵盖钛合金、高温合金、铁基合金、钴铬合金和少量强度不高的铝合金等材料体系。为解决现有SLM成型合金材料的热裂问题，本实用新型从传统合金材料设计的角度出发，通过在SLM成型合金中添加微量元素的方法，获得了致密无裂纹的试样。本实用新型通过超声共振渗透技术添加钛微量元素，可使相结构与相变温度发生改变，即钛合金存在 3 种基体组织，也就是α,（α+β）和β，铝是稳定α元素，钼、铌和钒是稳定β元素，在成功抑制热裂纹的同时，SLM成型效率大幅提升。与原有粗大的柱状晶显微组织不同，微量元素改性后的组织为1mm量级的等轴晶；在细晶强化和析出强化的共同作用下，极限抗拉强度提升12%。
所述分离单元用于将打印成型的物体从打印平台上分离。打印成型后，需要去除剩余的粉末，具体的可利用毛刷等工具扫除剩余的粉末，获得与打印平台一体成型的物体。接着可将打印成型的物体从打印平台上切割下来。
所述锻造处理单元用于对所述零部件进行锻造处理。由于3D打印成型过程是无压力加工过程，无法获得锻造件的特性。为提高零部件的机械特性，必须对零部件进行锻造处理。所谓锻造就是借助外力的作用使零部件产生塑性变形，改变金属材料形状、改善金属内部金相组织，从而获得所需形状、尺寸和一定组织性能。本发明采用微分锻造等技术工艺，使得零部件材料结晶、合金化方面普遍优于传统锻造工艺。
所述热处理单元用于对所述零部件进行热处理。热处理就是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。其目的是通过改变材料的表面或内部组织，来改变工件性能，来获取需要的机械性能的工艺。为了提高零部件的硬度和耐磨性，同时改善零部件的材料性能或化学性能，本实用新型的热处理包括淬火和人工时效两种工艺。淬火是将零部件加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法，其目的是增加零部件的强度和硬度。淬火中常用的淬火剂有水、油、碱水和盐类溶液等。人工时效是将零部件加热到550~650℃并保持5-20小时进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底，确保最终的零部件具有优良的机械性能。
经过锻造处理和热处理，大大提高了零部件的强度，保证良好的综合性能。
所述光饰处理单元用于对所述零部件进行光饰处理。光饰也称光整，是一项工件表面光饰加工新工艺。即将一定比例的工件、磨料和填加剂放在光饰机的容器中，依靠容器的周期性振动，使工件和磨料运动并相互磨削，其目的是使零部件表面光整、去毛刺、倒圆角、光亮抛光、去除合模线等等。本实用新型的光饰处理包括粗振、打磨和细振。具体过程是：将零部件放到震动桶进行粗振，时间持续2.5小时；然后用尼龙轮打磨零部件合模线处；最后又将零部件放到震动桶进行细振，时间持续0.5小时左右。
综上所述，本实用新型基于快速成型技术制造零部件的系统，针对不同的部位条件，通过 3D 打印技术打印出最适合该部位的个性化零部件，通过运用有限元技术、激光选区熔化成型技术、超声共振渗透技术、微分锻造技术、热处理技术和光饰处理技术等，保证了零部件的使用寿命，降低制造成本和产品报废率，缩短制造周期，在成功抑制热裂纹的同时，SLM成型效率大幅提升，也大大提高了零部件的加工精度和零部件的强度，确保零部件良好的综合性能。
Claims (10)
1.一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，包括建模单元、有限元分析单元、切片单元、3D打印单元、分离单元、锻造处理单元、热处理单元和光饰处理单元，所述建模单元用于根据用户要求通过3D软件为待打印的零部件建立3D模型，所述有限元分析单元是运用有限元技术对所述3D模型进行应力分析及疲劳分析，所述切片单元用于将所述3D 模型进行切片处理，获得所述 3D 模型的逐层截面，所述3D打印单元用于根据所述 3D模型的逐层截面，利用激光选区熔化成型技术进行逐层打印成型，所述分离单元用于将打印成型的物体从打印平台上分离，所述锻造处理单元用于对所述零部件进行锻造处理，所述热处理单元用于对所述零部件进行热处理，所述光饰处理单元用于对所述零部件进行光饰处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述切片的厚度为0.01mm~0.03mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述切片的厚度为0.02mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述3D打印单元在打印成型过程中添加微量元素。
5.根据权利要求4所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述微量元素是通过超声共振渗透技术添加。
6.根据权利要求4所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述微量元素为钛。
7.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述锻造处理采用微分锻造技术。
8.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述热处理包括淬火和时效。
9.根据权利要求8所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述时效为人工时效。
10.根据权利要求1所述的一种基于快速成型技术制造零部件的系统，其特征在于，所述光饰处理包括粗振、打磨和细振。
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