CN113814417B - 一种基于3d打印的船用增压器转子设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种船用增压器转子的增材制造及其轻量化设计方法，突破现有工艺制造存在的超大剪材浪费，复杂曲面难加工，传统加工方法带来的装配困难，一体化制造难度大问题，并进一步轻量化优化设计，采用适合金属3D打印的内部镂空水滴状自支撑结构，减少工件重量，同时工件残留应力能够得到释放，降低使用工况中的应力变形，提高工件制造效率和有效使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于3D打印的船用增压器转子制造及轻量化设计方法，具体的说是一种新型制造及设计方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
3D打印技术，也称为增材制造技术，属于快速成形技术的一种。它是一种以数字模型文件为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、振镜扫描等方式将粉末状金属材料进行逐层堆积熔融叠加成形，最终制造出实体产品的技术。
3D打印的核心原理是“分层制造，逐层叠加”，与传统“减材制造”的制造技术相比，3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通，具有实现一体制造复杂形状工件、大大缩短产品生产周期、节省大量材料、提高生产效率等明显优势。
具体来说：首先，3D打印技术的应用领域将不断扩大；其次，3D打印技术在各个应用领域的应用层面不断深入；再者，3D打印技术自身的物化形式将更加丰富。
由此，该技术必然在不久的将来快速渗透到船舶制造、航空航天、电力、汽车、生物医学模具、铸造、电力、农业、家电、工艺美术等诸多领域，深刻影响着上述领域的设计理念，并配合其他技术完善、甚至更新某些司空见惯的制造方案，使制造更为智能、简捷、绿色，产品性能更加贴近理想状态。现在3D打印技术已成为全球最关注的新兴技术之一。这种新型的生产方式与其他数字化生产模式一起将推动第三次工业革命的实现。
而现有增压器转子采用先分体减材加工，而后焊接成形，连杆部分42CrMo减材加工，浪费多，叶片部分高温合金。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是克服现有技术存在的超大剪材浪费，复杂曲面难加工，传统加工方法带来的装配困难、难以一体化制造，薄壁类零件易存在加工应力的缺点。
为解决上述现有加工技术的难点问题，本发明的技术方案如下，采用条带扫描策略3D打印的方式，减少扫描打印过程的产生的应力，优化扫描速度，一体化成形连杆和叶片。
本发明提供一种基于3D打印的船用增压器转子设计方法，其轴带采用适合金属3D打印的内部镂空水滴状自支撑结构，减少工件重量，同时工件残留应力能够得到释放，降低使用工况中的应力变形，提高工件制造效率和有效使用寿命。采用3D打印的方式，使用条带扫描策略成形，一体化成形船用增压器转子，所述船用增压器转子包括连杆、叶片轴带及与其连接的叶片；所述叶片至少为12片，沿所述叶片轴带的轴心平均分布，且叶片轴部与连杆同轴一体设计，所述连杆呈阶梯状，通过所述连杆上方的螺纹与叶片固定连接，所述叶片轴带上均匀分布有水滴状镂空结构；
所述增压器转子叶片轴带采用适合金属3D打印的内部镂空水滴状自支撑结构，减少工件重量，同时工件残留应力能够得到释放，降低使用工况中的应力变形，提高工件制造效率和有效使用寿命。
进一步的，包括具体步骤：
步骤一：零件的三维建模，采用Cero三维软件进行复杂形状建模，构造复杂曲面及一体设计三维图；
步骤二：零件的数据处理，将前述步骤中完成的建模结果由Cero三维软件中导出STL文件，并将所述STL文件放入数据处理软件Materialise Magics中进行添加支撑和分层切片处理；切片厚度为0.03-0.05mm；
步骤三：原料的选取，选取耐腐蚀抗氧化材料316L；
步骤四：零件的3D打印；通过激光扫描方式，将步骤三中选取的金属粉末按照扫描策略熔化成形，添加完支撑并且确认工艺参数后，将零件按照层厚进行切片处理，不同零件扫描顺序由左到右，从上到下的方向，特殊情况除外，单个零件常见扫描顺序：支撑→零件实体→零件轮廓，特殊情况除外。
步骤五：零件的热处理，不超过550℃的特殊热处理；
步骤六：零件的后处理，对前述步骤中进过特殊热处理的零件依次进行括线切割、去支撑、打磨、抛光处理，处理完毕后进行性能检测；
其中，线切割是利用移动的细金属导线作电极，对零件进行脉冲火花放电切割成形。细金属导线采用铜丝或钼丝，利用细钼丝作工具电极进行切割，贮丝筒使钼丝作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源供给，在电极丝和工件之间浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，把工件从基板上切割下来。
在线切割的基础上，通过使用电动或者手动工具，如各类钳子，刀，锯，铁丝，协作机器人等方式以去除零件上的残留支撑。
进一步的，所述步骤一中，复杂形状建模具有正面及侧面，并避免＜30°的尖锐角，在打印时，正面与侧面的粗糙度不同，侧面粗糙度大于正面粗糙度；建模时要考虑工件大于45°的位置，角度≥45°，如果零件任何方向摆放都无法保证支撑角度小于45°，则需要建模时增加辅助支撑结构；建模直接生成stl格式，避免多次转换格式；建模时还要考虑后处理的余量。
进一步的，所述步骤二中，所述的切片厚度为0.03-0.05mm，为了防止零件变形，需要在叶片薄壁处添加支撑结构，所述薄壁处为宽度远小于长度的部位，其长度方向尺寸为宽度方向尺寸的10-20倍。
进一步的，所述支撑结构为形状不同的块状支撑，各块状支撑根据所需支撑位置的不同形状及不同摆放角度设置；块状支撑表面分布方孔有利于夹杂粉末的排除，所属块状支撑上端面（与工件接触面）添加柱状支撑，增加支撑与零件壳体的结合力，防止转子受热应力而变形。
进一步的，零件的3D打印步骤，采用特定的3D打印工艺，优选填充扫描功率：300W；轮廓扫描功率：150W；扫描线偏移：0.03mm。其他参数分别为填充扫描速度：1000mm/s；填充扫描线间隙：0.1mm；轮廓扫描速度：350mm/s；条带宽度：10mm；条带偏移：-0.08mm；层间旋转角度：67°。
进一步的，零件的热处理步骤，将打印好零件进行特殊真空热处理，真空度大于10-1Pa，炉温缓慢升至550℃，保温0.5h，随后缓慢升温至750℃保温2h，随炉冷却至60℃，空冷，有效释放残留应力，降低变形与开裂风险。真空热处理能够在全部或部分在真空环境下完成，与普通热处理相比，其具有不氧化，不脱碳，变形小，不易开裂的特点，更加适合本发明的制作。
船用增压器转子轻量化设计方法，采用内部镂空采用适合金属3D打印的水滴状自支撑结构，减少实体部分的面积，总体减重16 %，减重的同时残留应力能够得到释放，零件的力学性能与优化前基本相当。
附图说明
图1为条带扫描图。
图2为本发明的块状支撑结构示意图。
图3为本发明的船用增压器转子结构示意图，（a）为正视图，（b）为侧视图，（c）为俯视图，（d）为俯视剖图。
图4为本发明具体实施案列1示意图。
图5为本发明具体实施案列2示意图。
图6为本发明中水滴状自支撑结构的示意图，（a）为正剖视图1，（b）为正剖视图2。
附图说明：1-连杆，2-叶片，3-水滴状部位，4-镂空部位，5-叶片轴带。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做详细的说明。
本发明采用3D打印技术，实现船用增压器转子的叶片和连杆一体化成形。
上述增压器转子采用条带扫描策略3D打印的方式，减少扫描打印过程的产生的应力。
上述增压器转子，其轴带采用适合金属3D打印的内部镂空水滴状自支撑结构，减少工件重量，同时工件残留应力能够得到释放，降低使用工况中的应力变形，提高工件制造效率和有效使用寿命。
实施例1
上述增压器转子叶片及其轴带材料耐腐蚀抗氧化材料，连杆上任意部位往上采用另外一种普通合金钢，充分发挥3D打印技术的优越性，降低船用增压器转子的制作成本。
上述增压器转子是一种大型船舶用增压器转子，3D打印增材制造方法具体包括以下步骤：零件的三维建模；数据处理；原料的选取；零件的3D打印；零件的热处理；零件的后处理。
建模步骤，采用Cero三维软件建模，构造复杂曲面及一体设计三维图；
数据处理步骤，将Cero三维软件中导出的STL文件放入数据处理软件MaterialiseMagics中进行添加支撑和分层切片处理，切片厚度为0.03mm，叶片薄壁处，为了防止零件变形需要加支撑；
上述支撑结构为块状支撑，支撑块表面分布方孔有利于夹杂粉末的排除，所属块状支撑上端面（与工件接触面）添加柱状支撑，增加支撑与零件壳体的结合力，防止转子受热应力而变形；
原料的选取步骤，增压器转子叶片及其轴带选取耐腐蚀抗氧化材料，连杆上任意部位往上采用另外一种普通合金钢；
零件的3D打印步骤，增压器转子叶片及其轴带采用特定的3D打印工艺，优选填充扫描功率：300W；轮廓扫描功率：150W；扫描线偏移：0.03mm；
其他参数分别为；填充扫描速度：1000mm/s；填充扫描线间隙：0.1mm；轮廓扫描速度：350mm/s；条带宽度：10mm；条带偏移：-0.08mm；层间旋转角度：67°；
连杆上另一种普通合金钢调整参数如下：填充扫描功率：240W；轮廓扫描功率：120W；
零件的热处理步骤，将打印好零件进行特殊真空热处理，真空度大于10-1Pa，炉温缓慢升至550℃，保温0.5h，随后缓慢升温至750℃保温2h，随炉冷却至60℃，空冷，有效释放残留应力，降低变形与开裂风险。
实施例2
上述增压器转子受高温流体冲刷的叶片及连接部位采用耐高温、抗蠕变性能更好的镍基材料，连杆及其余部位采用耐腐蚀抗氧化材料，充分发挥3D打印技术的优越性，大幅提高船用增压器转子的使用寿命。
上述增压器转子是一种大型船舶用增压器转子，3D打印增材制造方法具体包括以下步骤：零件的三维建模；数据处理；原料的选取；零件的3D打印；零件的热处理；零件的后处理。
建模步骤，采用Cero三维软件建模，构造复杂曲面及一体设计三维图；
数据处理步骤，将Cero三维软件中导出的STL文件放入数据处理软件MaterialiseMagics中进行添加支撑和分层切片处理，切片厚度为0.03mm，叶片薄壁处，为了防止零件变形需要加支撑；
上述支撑结构为块状支撑，支撑块表面分布方孔有利于夹杂粉末的排除，所属块状支撑上端面（与工件接触面）添加柱状支撑，增加支撑与零件壳体的结合力，防止转子受热应力而变形；
原料的选取步骤，增压器转子受高温流体冲刷的叶片及连接部位采用耐高温、抗蠕变性能更好的镍基材料，连杆及其余部位采用耐腐蚀抗氧化材料；
零件的3D打印步骤，增压器转子叶片及其轴带采用特定的3D打印工艺，优选，填充扫描功率：240W；轮廓扫描功率：120W；扫描线偏移：0.03mm；
连杆及其余部位打印参数如下：填充扫描功率：300W；填充扫描速度：1000mm/s；填充扫描线间隙：0.1mm；扫描线偏移：0.03mm；轮廓扫描功率：150W；轮廓扫描速度：350mm/s；条带宽度：10mm，条带偏移：-0.08mm；层间旋转角度：67°。
零件的热处理步骤，将打印好零件进行特殊真空热处理，真空度大于10-1Pa，炉温缓慢升至550℃，保温0.5h，随后缓慢升温至750℃保温2h，随炉冷却至60℃，空冷，有效释放残留应力，降低变形与开裂风险。
为了获得更好的性能，可在真空热处理之前增加一道固溶工序。
尽管已经示出和描述了本发明的实施案例，对于本领域的技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和想法的情况下对实施案列进行多种变化、修改、替换和变型，比如修改采用网状或网格状轻量化设计等，都应该被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于3D打印的船用增压器转子设计方法，其特征在于：采用3D打印的方式，使用条带扫描策略成形，一体化成形船用增压器转子，所述船用增压器转子包括连杆、叶片轴带及与其连接的叶片；所述叶片至少为12片，沿所述叶片轴带的轴心平均分布，且叶片轴部与连杆同轴一体设计，所述连杆呈阶梯状，所述叶片轴带上均匀分布有水滴状镂空结构；
所述增压器转子叶片轴带采用适合金属3D打印的内部镂空水滴状自支撑结构，减少工件重量，同时工件残留应力能够得到释放，降低使用工况中的应力变形，提高工件制造效率和有效使用寿命；
包括如下具体步骤，步骤一：零件的三维建模，采用Cero三维软件进行复杂形状建模，构造复杂曲面及一体设计三维图；
步骤二：零件的数据处理，将前述步骤中完成的建模结果由Cero三维软件中导出STL文件，并将所述STL文件放入数据处理软件Materialise Magics中进行添加支撑和分层切片处理；切片厚度为0.03-0.05mm；所述的切片厚度为0.03-0.05mm，为了防止零件变形，需要在叶片薄壁处添加支撑结构，所述薄壁处为宽度远小于长度的部位，其长度方向尺寸为宽度方向尺寸的10-20倍；所述支撑结构为形状不同的块状支撑，各块状支撑根据所需支撑位置的不同形状及不同摆放角度设置；块状支撑表面分布方孔有利于夹杂粉末的排除，所属块状支撑上端面，即与工件接触面添加柱状支撑，增加支撑与零件壳体的结合力，防止转子受热应力而变形；
步骤三：原料的选取，选取耐腐蚀抗氧化材料316L；
步骤四：零件的3D打印；通过激光扫描方式，将步骤三中选取的金属粉末按照扫描策略熔化成形，添加完支撑并且确认工艺参数后，将零件按照层厚进行切片处理，不同零件扫描顺序由左到右，从上到下的方向，单个零件常见扫描顺序：支撑→零件实体→零件轮廓；
步骤五：零件的热处理，不超过550℃的特殊热处理；
步骤六：零件的后处理，对前述步骤中进过特殊热处理的零件依次进行括线切割、去支撑、打磨、抛光处理，处理完毕后进行性能检测；
其中，线切割是利用移动的细金属导线作电极，对零件进行脉冲火花放电切割成形；利用细钼丝作工具电极进行切割，贮丝筒使钼丝作正反向交替移动，加工能源由脉冲电源供给，在电极丝和工件之间浇注工作液介质，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序，根据火花间隙状态作伺服进给移动，从而合成各种曲线轨迹，把工件从基板上切割下来，并在线切割的基础上，通过使用电动或者手动工具以去除零件上的残留支撑。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的船用增压器转子设计方法，其特征在于：所述步骤一中，复杂形状建模具有正面及侧面，并避免＜30°的尖锐角，在打印时，正面与侧面的粗糙度不同，侧面粗糙度大于正面粗糙度；建模时要考虑工件大于45°的位置，角度≥45°，如果零件任何方向摆放都无法保证支撑角度小于45°，则需要建模时增加辅助支撑结构；建模直接生成stl格式，避免多次转换格式；建模时还要考虑后处理的余量。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印的船用增压器转子设计方法，其特征在于：零件激光3D打印参数如下：填充扫描功率：300W；填充扫描速度：1000mm/s；填充扫描线间隙：0.1mm；扫描线偏移：0.03mm；轮廓扫描功率：150W；轮廓扫描速度：350mm/s；条带宽度：10mm；条带偏移：-0.08mm；层间旋转角度：67°。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印的船用增压器转子设计方法，其特征在于：先将打印好零件进行特殊真空热处理，真空度大于10-1 Pa，炉温缓慢升至550℃，保温0.5h，随后缓慢升温至750℃保温2h，随炉冷却至60℃，空冷，有效释放残留应力，降低变形与开裂风险。
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