CN103231055B - 一种差异化激光3d打印金属件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种差异化激光3D打印金属件的方法，该方法将每层打印层划分出外部、中部、内部，并利用激光和合金粉末对每一层打印层的外部低速精修；对每一层打印层的中部中速沉积；对每一层打印层的内部高速堆积，最后对打印得到的金属件进行后期加工，确保外形尺寸符合设计要求。该方法既满足了金属件的机械性能要求，又大大提高了金属件的成型效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印金属件的方法，特别是指一种差异化激光3D打印金属件的方法。
背景技术
3D打印技术是一种新兴的成型方法，其核心是将所需成型工件的复杂3D形体通过切片处理转化为简单的2D截面的组合，因此不必采用传统的加工机床和模具，依据工件的三维计算机辅助设计模型，激光3D打印设备在计算机控制下，沿着高度方向逐层沉积材料，并使片层与片层之间相互粘接，最终堆积成三维工件。
目前主要的3D打印方法有激光固化式方法、激光烧结式方法、激光切纸式方法、三维打印式方法和熔融挤压式方法。传统的3D打印中，一般以光敏树脂、尼龙、石蜡、纸箔等有机材料为主要原料，使用金属合金粉末进行3D打印的技术还不够成熟，对于打印同一金属件而言，其激光功率、激光扫描速度、喷粉速度等参数都是固定的，因此，成型后的金属件的内部、外部的机械性能几乎相同，而有些金属件要求表面的机械性能比内部的机械性能要高，在打印这类金属件时，往往使用满足金属表面机械性能的激光参数打印整个金属件，这样就造成金属件的成型效率非常低，而大型金属件的成型效率就更低。
此外，目前的激光3D打印方法所使用的激光头只配置一个粉末喷头，能够满足一般金属件的打印需求。但是对于大型金属件以及需要使用不同金属粉末、不同送粉速度进行3D打印时，这种打印方法效率低，粉末浪费严重，而且打印过程中容易存在一定的缺陷，导致金属件的致密性不够。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种差异化激光3D打印金属件的方法，该方法对每层打印层划分区域，利用不同的激光参数打印金属件的不同部位，从而既该方法既满足了金属件的机械性能要求，又大大提高了金属件的成型效率。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种差异化激光3D打印金属件的方法，包括：
A.在打印层上任取一点，该点到打印层边缘的最小距离设为H，当0＜H≤I时，该点属于打印层的外部；当I＜H≤I+5时，该点属于打印层的中部，当H＞I+5时，该点属于打印层的内部，其中1＜I≤3mm；
B.将预处理好的打印底板、打印底座放置在打印工位，利用激光和合金粉末在预处理好的打印底板上逐层叠加打印金属件，并对打印区域进行惰性气体保护，其中，每一层打印层的外部低速精修，激光速度(0-1]m/min，送粉速度[10-20]g/min，扫描宽度为[2-4]mm；每一层打印层的中部中速沉积，激光速度(1-3]m/min，送粉速度(20-40]g/min，扫描宽度为[2-4]mm；每一层打印层的内部高速堆积，激光速度(3-5]m/min，送粉速度(40-60]g/min，扫描宽度为[2-6]mm，若打印层的内部某区域宽度小于内部设定的扫描宽度，则该区域照中部的打印参数进行打印；
C.对金属件进行后期加工。
作为一种优选的方案，激光在打印层外部、中部、内部的打印厚度均相等，为0.5-2mm。
作为一种优选的方案，打印外部、中部所采用的激光为光纤激光，功率均为2000W，激光波长为1.06μm；打印内部所采用的激光为光纤激光，功率为4000W，激光波长为1.06μm。
作为一种优选的方案，打印外部、中部所采用的激光为二氧化碳激光，功率均为3000W，激光波长为10.6μm；打印内部所采用的激光为二氧化碳激光，功率为5000W，激光波长为10.6μm。
作为一种优选的方案，每层打印层的打印顺序为内部→中部→外部。
作为一种优选的方案，所述步骤C包括
C1、将打印后的金属件连同打印底板从打印底座上取出；
C2、将金属件与打印底板剥离；
C3、对金属件外形尺寸或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。
作为另一种优选的方案，所述步骤C包括
C11、将打印后的金属件连同打印底板从打印底座上取出；
C12、对金属件外形尺寸或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工；
C13、将金属件与打印底板剥离；
C14、对金属件上与打印底板连接的连接面进行后期机加工。
作为进一步的改进，该方法采用的激光喷头包括三个粉末喷头，每个粉末喷头均连通送气管路和送粉管路，该三个粉末喷头旋转更换分别对打印层外部、中部、内部进行打印。
采用了上述技术方案后，本发明的效果是：该方法根据每层打印层中不同点到边缘的最小距离科学的将每层打印层划分外部、中部和内部，并对打印层的外部、中部和内部采用不同的激光速度和送粉速度进行打印，可确保成型金属件的表面机械性能的同时，还提高了金属件的成型效率。
又由于激光在打印层外部、中部、内部的打印厚度均相等，为0.5-2mm，这样可确保打印层与打印层之间更好的粘接，减少打印过程中的误差。
又由于该方法采用的激光喷头包括三个粉末喷头，每个粉末喷头均连通送气管路和送粉管路，该三个粉末喷头旋转更换分别对打印层外部、中部、内部的进行打印，因此，该方法可实现不同合金粉末和送粉速度的快速切换，使3D打印的效率更高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例1中打印层的区域划分图原理图；
图2是本发明实施例1中打印层的区域划分图；
图3是本发明实施例2中打印层的区域划分图；
图4是本发明实施例3中打印层的区域划分图；
图5是本发明实施例1中最终成型的金属件的立体图；
图6是发明实施例1利用到的激光喷头的立体图；
附图中：1.外部；2.中部；3.内部；4.连接座；5.转盘；6.粉末喷头；61.进气孔；62.送粉孔；7.动力装置；8.连接套管。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
如图1、2、5、6所示，一种差异化激光3D打印金属件的方法，包括：
A.预先划分每一层打印层中的任一点所属区域；在打印层上任取一点，该点到打印层边缘的最小距离设为H，该打印层边缘包括外边缘，若成型金属件中有孔或腔，那么该边缘还应当包括内边缘，当0＜H≤I时，该点属于打印层的外部1；当I＜H≤I+5时，该点属于打印层的中部2，当H＞I+5时，该点属于打印层的内部3，其中1＜I≤3mm，本实施例中I的选值为1mm；
B.将预处理好的打印底板、打印底座放置在打印工位，利用激光和合金粉末在预处理好的打印底板上逐层叠加打印金属件，并对打印区域进行惰性气体保护，该惰性气体一般采用氮气，其中，每一层打印层的外部1低速精修，激光速度0.5m/min，送粉速度10g/min，扫描宽度为2mm；每一层打印层的中部2中速沉积，激光速度1m/min，送粉速度20.5g/min，扫描宽度为2mm；每一层打印层的内部3高速堆积，激光速度3.5m/min，送粉速度40.5g/min，扫描宽度为2mm，若打印层的内部3某区域宽度小于内部3设定的扫描宽度，则该区域依照中部2的打印参数进行打印；
由图1、5可知，该实施例中，需要打印的金属件外部1轮廓并不规则，但是整体为柱状结构，且柱体内有两个圆孔，该两个圆孔的圆心之间的距离大于R1+R2+2(I+I+5)，因此，在电脑中模拟切片得出形状相同的打印层，由此可知，金属件的外部1轮廓即为每层打印层的外边缘，两个圆孔的内孔壁即为每层打印层的内边缘；如图1所示，取点M、N、K并分别对M、N、K划分所属区域。
该M点靠近打印层的外边缘，M点与外边缘之间的最小距离为M点到外边缘的垂线段长度，测量得到数值m1，M点到两个圆孔的内边缘之间的最小距离分别为m2、m3，比较m1、m2、m3的数值大小发现，m1＜m2＜m3，那么m1即为M点到打印层边缘的最小距离H，再将m1与I、I+5进行比较，本实施例中的I取值为1，m1就与数值1、6进行比较得出m1＜1，那么，该M点就落入打印层的外部1。同理，对N点进行分析，该N点处于两个圆心的连线上，该N点到两个圆孔内边缘的最小距离分别为n1、n2，可以明显发现，该N点到外边缘的最小距离都大于n1、n2，因此只需比较n1、n2的大小，经比较发现，n1＜n2，且n1＞6，因此，该N点落在了打印层的内部3；再确定K点所处区域，测量发现，K点到其中一个孔的内边缘最小距离为k1，到外边缘的最小距离为k2，而到另一孔的内边缘最小距离远大于k1、k2，此时，只需比较k1、k2，经比较得出以下关系：k1＜k2，且1＜k1＜6，因此，该K点处于打印层的中部2。
按照上述方法将每层打印层的所有点划分区域，每一层打印层均划分出外部1、中部2、内部3，最后得出的区域如图2所示，图2中利用三种不同形状的填充图案示意性的表示出了打印层的外部1、中部2、和内部3。
划分出区域后可按照预先设定的外部1、中部2和内部3的打印参数进行打印，在打印过程中发现，当内部3的某个区域宽度小于内部3激光扫描宽度2mm时，该区域根本无法适用内部3的激光参数进行打印，此时该区域就用中部2的激光速度和送粉速度以及扫描宽度进行打印。
本实施例中，内、中、外部3、2、1采用的激光均为光纤激光，外部1和中部2采用的激光功率为2000W，激光波长为1.06μm；打印内部3所采用的激光功率为4000W，激光波长为1.06μm。该方法使用带三个粉末喷头6的激光喷头进行打印，每个粉末喷头6均连通送气管路和送粉管路，每个送粉管路的送粉速度不同，该三个粉末喷头6旋转更换实现打印层外部1、中部2、内部3的打印。如图6所示，该激光喷头包括激光头和粉末喷头6组件，该粉末喷头6组件包括连接座4、转盘5、以及三个粉末喷头6，该连接座4上设有连接套管8，该连接套管8与激光头连接，所述转盘5转动套装在连接座4的外周，所述连接座4设有激光通过孔，该激光通过孔与激光头的激光喷射孔同轴连通，三个粉末喷头6可拆卸安装于转盘5上，该粉末喷头6相对于转盘5的旋转中心圆周均布，任一粉末喷头6旋转至工作工位上时均与所述的激光喷射孔同轴连通，所述转盘5与连接座4之间设有锁定粉末喷头6与激光喷射孔同轴的定位装置，每个粉末喷头6上均设有进气孔61和送粉孔62。其中，所述粉末喷头6与转盘5之间的可拆卸安装方式为螺栓连接。所述连接座4上设有安装腔，所述安装腔内转动安装有主动齿轮；所述转盘5的内周面上设有一圈内齿，所述主动齿轮与一圈内齿啮合，所述主动齿轮由安装于连接座4上的动力装置7驱动。
打印时，激光喷头固定在机械臂上，机械臂在电脑的智能控制下优先将打印层的内部3全部打印完成，然后动力装置7旋转更换粉末喷头6再打印中部2区域，最后再次更换粉末喷头6后对外部1区域进行精修，从而完成该打印层，然后再重复打印下一层打印层。由于金属件是由若干片打印层叠加而成，一旦出现打印层的打印厚度不均，那么这个误差会一层层累积，最终该误差会放大，导致打印得到的金属件严重变形。因此，激光在打印层外部1、中部2、内部3的打印厚度均相等，为0.5-2mm。
经过上述方法在打印工位上打印出了金属件初坯，然后再进行步骤C，对金属件初坯进行后期加工。该步骤C包括C1、将打印后的金属件连同打印底板从打印底座上取出；C2、将金属件与打印底板剥离；C3、对金属件外形尺寸或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。最终金属件的外部1轮廓尺寸、表面机械性能、以及内部3机械性能均符合设计要求。
实施例2
如图3所示，该实施例与实施例1的方法基本相同，只是打印层稍有差别，图中，金属件的内孔之间的距离小于R1+R2+2(I+I+5)而大于RI+R2+2I，其中，I取值为3mm，同样，按照实施例1中方法对图3中打印层划分区域，图3中也以三种不同图案示意性的表示了打印层的内、中、外部3、2、1。每一层打印层的外部1低速精修，激光速度1m/min，送粉速度20g/min，扫描宽度为4mm；每一层打印层的中部2中速沉积，激光速度3m/min，送粉速度40g/min，扫描宽度为4mm；每一层打印层的内部3高速堆积，激光速度5m/min，送粉速度60g/min，扫描宽度为6mm，同样，图3中有两块面积较小的内部3区域，很明显得知，该区域宽度小于内部3设定的扫描宽度6mm，因而该区域也还是依照中部2的打印参数进行打印；
打印层的外部1、中部2所采用的激光为二氧化碳激光，功率均为3000W，激光波长为10.6μm；打印内部3所采用的激光为二氧化碳激光，功率为5000W，激光波长为10.6μm。该实施例的步骤C与实施例1中稍有差别，其包括
C11、将打印后的金属件连同打印底板从打印底座上取出；
C12、对金属件外形尺寸或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工；
C13、将金属件与打印底板剥离；
C14、对金属件上与打印底板连接的连接面进行后期机加工。
实施例3
如图4所示，该实施例与实施例1的方法基本相同，只是打印层形状稍有差别，图中，金属件的内孔之间的距离小于R1+R2+2I，其中，I的取值为2mm，同样，按照实施例1中方法对图4中打印层划分区域，图4中也以三种不同图案示意性的表示了打印层的外部1、中部2、内部3。本实施例外部1、中部2、内部3均采用光纤激光，打印层的外部1、中部2所采用的激光功率均为2000W，激光波长为1.06μm；打印内部3所采用的激光功率为4000W，激光波长为1.06μm。每一层打印层的外部1低速精修，激光速度0.8m/min，送粉速度15g/min，扫描宽度为2.5mm；每一层打印层的中部2中速沉积，激光速度2m/min，送粉速度30g/min，扫描宽度为3mm；每一层打印层的内部3高速堆积，激光速度4m/min，送粉速度50g/min，扫描宽度为4mm，图4中的打印层内部3区域同样包括两块面交较小的区域，该区域宽度小于内部3设定的扫描宽度2，因而依旧依照中部2的打印参数进行打印。
上述实施例1、2、3揭示的方法属于同一发明构思，即将每层打印层划分不同区域，对内部3区域高速沉积，提高金属件的成型效率，特别是大型金属件的成型，其成型效率提高的尤为凸显。而外部1区域低速精修，保证打印质量，减少打印缺陷，确保金属件表面机械性能符合要求。而对于打印层外部1、中部2、内部3所使用的合金粉末可以根据具体金属件的要求而定，例如可以采用同种合金粉末进行打印，也可以采用不同的合金粉末分别打印。本实施例1、2、3中打印中部2和打印外部1所使用的激光功率相同，其实也可以根据具体金属件的要求而使用不同激光功率打印。更有甚者，可以使用不同种类的激光打印不同部位，例如，使用二氧化碳激光打印内部、光纤激光打印外部，而半导体激光打印中部。这些方案也并未脱离本发明的主要构思，也应落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1. 一种差异化激光3D 打印金属件的方法，包括：
A. 在每层打印层上任取一点，该点到打印层边缘的最小距离设为H，当0 ＜ H ≤ I 时，该点属于打印层的外部；当I ＜ H ≤ I+5 时，该点属于打印层的中部，当H ＞ I+5 时，该点属于打印层的内部，其中1mm ＜ I ≤ 3mm ；
B. 将预处理好的打印底板、打印底座放置在打印工位，利用激光和合金粉末在预处理好的打印底板上逐层叠加打印金属件，并对打印区域进行惰性气体保护，其中，每一层打印层的外部低速精修，激光速度（0-1]m/min，送粉速度[10-20]g/min，扫描宽度为[2-4]mm ；每一层打印层的中部中速沉积，激光速度（1-3]m/min，送粉速度（20-40]g/min，扫描宽度为[2-4]mm ；每一层打印层的内部高速堆积，激光速度（3-5]m/min，送粉速度（40-60]g/min，扫描宽度为[2-6]mm，若打印层的内部某区域宽度小于内部设定的扫描宽度，则该区域依照中部的打印参数进行打印；
C. 对金属件进行后期加工。
2. 如权利要求1 所述的一种差异化激光3D 打印金属件的方法，其特征在于：激光在每层打印层的外部、中部、内部的打印厚度均相等，为0.5-2mm。
3. 如权利要求2 所述的一种差异化激光3D 打印金属件的方法，其特征在于：打印外部、中部所采用的激光为光纤激光，功率均为2000W，激光波长为1.06μm ；打印内部所采用的激光为光纤激光，功率为4000W，激光波长为1.06μm。
4. 如权利要求2 所述的一种差异化激光3D 打印金属件的方法，其特征在于：打印外部、中部所采用的激光为二氧化碳激光，功率均为3000W，激光波长为10.6μm；打印内部所采用的激光为二氧化碳激光，功率为5000W，激光波长为10.6μm。
5. 如权利要求3 或4 所述的一种差异化激光3D 打印金属件的方法，其特征在于：每层打印层的打印顺序为内部→中部→外部。
6. 如权利要求5 所述的一种差异化激光3D 打印金属件的方法，其特征在于：所述步骤C 包括
C1、将打印后的金属件连同打印底板从打印底座上取出；
C2、将金属件与打印底板剥离；
C3、对金属件外形尺寸或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工。
7. 如权利要求5 所述的一种差异化激光3D 打印金属件的方法，其特征在于：所述步骤C 包括
C11、将打印后的金属件连同打印底板从打印底座上取出；
C12、对金属件外形尺寸或表面精度未符合设计要求的部位进行后期机加工；
C13、将金属件与打印底板剥离；
C14、对金属件上与打印底板连接的连接面进行后期机加工。
8. 如权利要求1 所述的一种差异化激光3D 打印金属件的方法，其特征在于：该方法采用的激光喷头包括三个粉末喷头，每个粉末喷头均连通送气管路和送粉管路，该三个粉末喷头旋转更换分别对打印层外部、中部、内部进行打印。
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