基于3d打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于大型金屬或非金屬材料結(jié)構(gòu)零件的承載測試領(lǐng)域，尤其涉及一種尤其涉及一種由3D打印技術(shù)加工制造的縮小比例的非金屬零件性能獲得相應(yīng)的原尺寸金屬零件的性能的方法。該方法通過測試縮小尺寸的3D打印非金屬零件基本物理機械性能參數(shù)，采用有限元分析方法計算其承受載荷的狀態(tài)，推演出具有原尺寸的金屬零件的承受載荷的狀態(tài)。本發(fā)明的特點及有益效果：在較低的成本和較少的時間內(nèi)，通過3D打印技術(shù)加工制造出的非金屬縮小尺寸的零件，能夠快速推演出相應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)零件的承載能力。從而有效縮短產(chǎn)品零件設(shè)計制造周期、提高設(shè)計成功率。
【專利說明】基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于大型金屬或非金屬材料結(jié)構(gòu)零件的承載測試領(lǐng)域，尤其涉及一種尤其涉及一種由3D打印技術(shù)加工制造的縮小比例的非金屬零件性能獲得相應(yīng)的原尺寸金屬零件的性能的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]3D打印，也叫快速成形技術(shù)、增材制造技術(shù)，原理是將計算機設(shè)計出的三維模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機把打印材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整的物體。與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”不同，3D打印遵從的是加法原則，可以直接將計算機中的設(shè)計轉(zhuǎn)化為模型，直接制造零件或產(chǎn)品，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床。
[0003]3D打印耗材包括:塑料、橡膠、金屬、粉末、尼龍、薄膜、樹脂、石蠟、石膏、尼龍絲、鈦合金、陶瓷等不同材料?，F(xiàn)在制約3D打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵不在技術(shù)本身，而是材料，最難的是在工業(yè)級別的運用，而大型金屬結(jié)構(gòu)件更是難中之難。
[0004]雖然從長遠看，這項技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象，最終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶來顛覆式的改變，甚至引發(fā)第三次工業(yè)革命。但是由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，這項技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造法加工大型金屬結(jié)構(gòu)件。
[0005]而大型的金屬或者非金屬結(jié)構(gòu)件，進行測試性能時，采用單純的有限元分析的結(jié)果往往會與實際情況產(chǎn)生很大的誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于為了解決目前無法通過3D打印技術(shù)制造的非金屬零件獲得相應(yīng)金屬零件性能的問題，或者大型非金屬零件性能測試困難，提出了一種基于零件縮比有限元分析，通過縮小比例的3D打印非金屬零件性能獲得相應(yīng)金屬零件或者大型非金屬零件性能的方法。
[0007]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法，該方法包括如下的步驟:
[0008]一種基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法，其特征在于，該方法包括如下的步驟:
[0009]I)設(shè)計出所需金屬結(jié)構(gòu)零件三維實體模型；
[0010]2)將上述模型按照3D打印機所能接受的尺寸按比例縮小，然后采用光敏樹脂材料，基于3D打印技術(shù)加工制造出對應(yīng)的光敏樹脂非金屬縮小尺寸的零件；
[0011]3)通過常規(guī)實驗測試打印的光敏樹脂非金屬零件的基本物理機械性能；
[0012]4)按照金屬零件在實際工作中的工況搭建縮微的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗平臺上對光敏樹脂非金屬零件進行加載試驗，采用電阻應(yīng)變片法測試不同載荷條件下樹脂零件的變形分布以及變形量變化情況；
[0013]5)將步驟3)中測量的光敏樹脂非金屬零件的基本物理機械性能以及基本物理機械性能種類與步驟4)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進行樹脂零件受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟4)中實測結(jié)果進行對照，符合度大于90%進行下一步，否則返回到5)調(diào)整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求。
[0014]6)將步驟5)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和I)中的金屬材料基本物理機械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進行金屬零件受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出金屬零件的強度，即可推演出相應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)零件的零件在實際工況下不會變形過大而失效能夠承受得住相應(yīng)的載荷。
[0015]進一步地，步驟3)中所述基本物理機械性能包括:抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。
[0016]進一步地，步驟4)或5)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點和力的分布情況。
[0017]進一步地，步驟6)中載荷條件指的是施加載荷力方向、力的作用點和力的分布情況。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:本發(fā)明通過測試縮小尺寸的3D打印非金屬零件基本物理機械性能參數(shù)，采用有限元分析方法計算其承受載荷的狀態(tài)，推演出具有原尺寸的金屬零件的承受載荷的狀態(tài)。在較低的成本和較少的時間內(nèi)，通過3D打印技術(shù)加工制造出的非金屬縮小尺寸的零件，能夠快速推演出相應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)零件的承載能力。從而有效縮短產(chǎn)品零件設(shè)計制造周期、提高設(shè)計成功率。
[0019]目前絕大多數(shù)的模擬結(jié)果都沒有實測結(jié)果的驗證，因為其驗證過程耗時間耗經(jīng)費，有些甚至沒法通過實驗驗證(特別是航空、航天、核、地層等領(lǐng)域)，而本發(fā)明通過實測縮小的模型間接分析能夠通過一個正確的模擬分析結(jié)果來推演一個同等條件下的另一個分析結(jié)果從而對模擬的結(jié)果進行了一個矯正，使得結(jié)果更加精確符合實測的結(jié)果。

【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]一種基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法，該方法包括如下的步驟:
[0022]I)設(shè)計出所需金屬結(jié)構(gòu)零件三維實體模型；
[0023]2)將上述模型按照3D打印機所能接受的尺寸按比例縮小，然后采用光敏樹脂材料，基于3D打印技術(shù)加工制造出對應(yīng)的光敏樹脂非金屬縮小尺寸的零件；縮小的比例大小與之后的測試結(jié)果在定性分析上無影響，只是在數(shù)值上隨之縮小。符合3D打印機能接受的范圍，盡可能地在最大的范圍。
[0024]3)通過常規(guī)實驗測試打印的光敏樹脂非金屬零件的基本物理機械性能；基本物理機械性能包括:抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。
[0025]4)按照金屬零件在實際工作中的工況搭建縮微的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，載荷包括施加載荷的大小、方向、作用點以及分布。在試驗平臺上對光敏樹脂非金屬零件進行加載試驗，采用電阻應(yīng)變片法測試不同載荷條件下樹脂零件的變形分布以及變形量變化情況；
[0026]5)將步驟3)中測量的光敏樹脂非金屬零件的基本物理機械性能與步驟4)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進行樹脂零件受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟4)中實測結(jié)果進行對照，符合度大于90%進行下一步，否則返回到
5)調(diào)整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求。
[0027]本實施例中所指的調(diào)整基本物理機械性能種類，對于彈性變形，涉及到彈性模量、泊松比和密度；而對于塑性變形，還需要屈服強度、切線模量，通過調(diào)節(jié)，找出符合的基本物理機械性能種類。在進行有限元分析時，劃分網(wǎng)格的種類和大小采用常規(guī)的方式即可。而有限元分析中的邊界條件包括載荷的大小、方向、作用點和分布情況以及約束情況。約束是指零件固定不動的地方，包括位置及分布，調(diào)整好上述參數(shù)之后，在步驟6中也使用相同種類的參數(shù)。
[0028]6)將步驟5)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和I)中的金屬材料基本物理機械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進行金屬零件受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出金屬零件的強度，即可推演出相應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)零件的零件在實際工況下不會變形過大而失效能夠承受得住相應(yīng)的載荷。在這里，所指的載荷條件作為有限元分析中的邊界條件，包括載荷和約束。載荷包括大小、方向、位置、分布等；約束是指零件固定不動的地方，包括位置及分布等。步驟5與6相比，除了載荷的大小不一樣之夕卜，其它都需要相同。非金屬模型與實際的金屬之間的轉(zhuǎn)化是一個間接過程:第一步是非金屬模型的模擬結(jié)果和實測結(jié)果首先要符合，這樣就可認為非金屬模型的模擬分析是正確的，目前絕大多數(shù)的模擬結(jié)果都沒有實測結(jié)果的驗證，因為其驗證過程耗時間耗經(jīng)費；第二步是用第一步被證明正確的模擬過程來套用金屬模型進行模擬，其結(jié)果也相應(yīng)的為正確的了。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法，其特征在于，該方法包括如下的步驟: 1)設(shè)計出所需金屬結(jié)構(gòu)零件三維實體模型； 2)將上述模型按照3D打印機所能接受的尺寸按比例縮小，然后采用光敏樹脂材料，基于3D打印技術(shù)加工制造出對應(yīng)的光敏樹脂非金屬縮小尺寸的零件； 3)通過常規(guī)實驗測試打印的光敏樹脂非金屬零件的基本物理機械性能； 4)按照金屬零件在實際工作中的工況搭建縮微的試驗平臺，從零逐漸增加載荷，在試驗平臺上對光敏樹脂非金屬零件進行加載試驗，采用電阻應(yīng)變片法測試不同載荷條件下樹脂零件的變形分布以及變形量變化情況； 5)將步驟3)中測量的光敏樹脂非金屬零件的基本物理機械性能以及基本物理機械性能種類與步驟4)中的不同載荷條件作為基本輸入值，采用有限元分析軟件進行樹脂零件受力模擬分析；將模擬的變量分析結(jié)果與步驟4)中實測結(jié)果進行對照，符合度大于90%進行下一步，否則返回到5)調(diào)整基本物理機械性能種類及載荷條件，再次進行模擬分析，直到理論和試驗符合度達到要求。 6)將步驟5)中調(diào)整好的載荷條件、基本物理機械性能種類和I)中的金屬材料基本物理機械性能作為輸入?yún)?shù)，采用有限元分析軟件進行金屬零件受力模擬分析，從零開始增加載荷力的大小，模擬分析出金屬零件的強度，即可推演出相應(yīng)金屬結(jié)構(gòu)零件的零件在實際工況下不會變形過大而失效能夠承受得住相應(yīng)的載荷。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法，其特征在于，步驟3)中所述基本物理機械性能包括:抗拉強度、彈性模量、布氏硬度、泊松比、屈服強度、切線模量和密度。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法，其特征在于，步驟4)或5)中所述的載荷條件指的是施加載荷力的大小、力的方向、力的作用點和力的分布情況。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于3D打印技術(shù)獲得金屬零件性能的方法，其特征在于，步驟6)中載荷條件指的是施加載荷力方向、力的作用點和力的分布情況。
【文檔編號】B29C67/00GK104149340SQ201410331638
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】尚曉峰, 尚進 申請人:吉林市旭峰激光科技有限責任公司