[发明专利]金属液滴多层沉积过程的周期间隔优化方法

说明书

本发明公开了金属液滴多层沉积过程的周期间隔优化方法，可以降低因凝固时间分布离散导致的热应力分布不均问题，避免样件生产后出现变形或失效。本发明首先采用生死单元法与格子玻尔兹曼方程，建立金属液滴多层铺展过程的数值模型。根据样件几何结构和材料热物性参数，对样件中金属单元的相变过程进行模拟。将数据进行后处理，得到每个单元的凝固时间，计算该沉积周期方案下的凝固时间标准差。根据样件几何结构和所得凝固时间分布情况，对原有沉积周期模式进行调整，重复模拟和后处理步骤，并将所得凝固时间标准差与原方案对比。反复调整沉积周期方案，根据实际生产需要得到最优化的周期间隔方案。

技术领域

本发明涉及一种金属液滴多层沉积过程中沉积周期间隔优化方法，可降低金属单元凝固时间分布的离散程度。本发明属于金属增材制造领域。

背景技术

金属增材制造技术是一种直接成型的制造技术，具有成型过程简单、速度快、损耗低等优势，在航空、航天和汽车工业中备受瞩目。该技术能够结合计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术，采用逐层沉积的方式，完成复杂三维结构的制造。

基于液滴按需喷射(Drop-on-Demand)的金属液滴沉积制造技术(Metal DropletDeposition Method)，不仅继承了金属增材制造技术的优势，还无需昂贵的能量源或特殊的模具。该技术将打印材料加热至液态，经过喷嘴形成热源液滴，逐滴沉积在基板上，并快速冷却凝固。已凝固金属表面受热源液滴影响发生局部熔化，并与热源液滴形成冶金结合。

采用金属液滴沉积制造技术对样件进行多层铺展的过程中，液滴凝固时间受到沉积位置和凝结周期等因素影响，难以实现均匀分布。凝固时间的离散化程度过高会导致热应力分布不均匀，甚至会使样件发生变形、力学性能下降等风险。为提高金属液滴技术的生产质量，尝试通过改变液滴沉积周期间隔的方法，降低凝固时间分布的离散程度。

发明内容

本发明是基于金属液滴沉积制造技术，通过改进多层沉积过程中的沉积周期间隔，降低凝固时间分散程度的一种方法。分别通过建立数值模型、计算凝固时间分布和优化沉积周期间隔三步，实现金属液滴沉积制造技术的沉积周期间隔优化。

本发明采用的技术方案为金属液滴多层沉积过程的周期间隔优化方法，该方法主要包括以下步骤：

1)建立数值模型：采用生死单元法与格子玻尔兹曼方法相结合，建立金属液滴多层铺展过程的数值模型。该数值模型采用基于焓的传热格子玻尔兹曼方程模拟系统中的传热过程，以及基于密度的运动格子玻尔兹曼方程模拟流体的运动过程。采用浸没边界法设置相变界面上的边界条件。数值模型传热边界条件采用一阶差分反弹格式，运动边界条件采用具有二阶精度的非平衡态反弹格式。根据样件实际结构和尺寸建立几何模型，并输入实际材料热物理参数进行模拟，通过实验验证模型的可靠性和准确性。用所得数值模型对沉积不同的周期间隔进行模拟，将每个金属单元的三维坐标、温度、相变率分别保存。

2)计算凝固时间分布：按坐标对数据分类，并统计每个坐标下相变率大于0的数据个数，根据时间步长换算成实际时间。将结果分别保存至相应的坐标下，得到关于凝固时间的三维矩阵。计算样件内所有单元的凝固时间标准差，得到凝固时间分布的离散化程度。

3)优化沉积的周期间隔：根据凝固时间分布规律，对沉积周期进行修改，并重新进行模拟和后处理过程，得到新的凝固时间分布和离散化程度。经过对比得到凝固时间分布离散化程度较小的方案，直到满足实际生产需要。

本发明可以预测金属液滴多层铺展过程中凝固时间分布，并可以得到降低离散程度的最优沉积周期间隔，所涉及的模拟和验证方法成熟，不仅能够降低成本，还能够保证可靠性，并且操作过程简单。

附图说明

图1是本发明金属液滴多层沉积过程的周期间隔优化方法的操作步骤流程图。

图2是本发明金属液滴多层沉积过程的周期间隔优化方法的模拟过程图。