CN104715091B - 一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法。通过CAD软件构建基于点阵单元的周期性点阵多孔结构的三维模型，将模型以STL格式输出，导入到SLM成形设备中，激光束根据切片层的数据选择性地熔化区域内的铝合金粉末得到二维的金属结构，经层层堆积最终可以得到与CAD模型一致的三维铝合金多孔结构，再经过热处理、分离、喷砂等后续处理即可得到表面光洁、性能良好的铝合金周期性点阵多孔结构。本发明克服了传统制造方法的如下缺陷：（1）工艺过程繁琐，制造周期长；（2）难以成形甚至不能成形形状结构复杂铝合金周期性多孔结构，难以控制周期性多孔结构的单元尺寸和孔隙率；（3）模具制造费用昂贵，成本高。

Description

一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法
技术领域
本发明涉及先进制造技术，具体涉及一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法，尤其适用于航空航天、热交换器、隔音隔热产品等应用领域所需的铝合金多孔材料的制造加工。
技术背景
轻质金属多孔结构材料具有相对密度低、质量轻、比强度高、隔音、隔热、能量吸收率高等优良的性能特点。金属多孔结构通常有两种类型：随机性多孔结构和周期性点阵多孔结构。金属随机性多孔结构一般由随机分布的开孔或闭孔组成，而金属周期性点阵多孔结构则是由点阵单元周期性重复排列形成的均匀结构。一般而言，周期性多孔材料的机械性能（如强度、刚度和能量吸收率）、负载承受能力、表观密度、结构性能的可控性都要优于随机性多孔材料。因此，金属周期性点阵多孔结构可以用来制造能够满足高附加值工程产品（如汽车、航空航天、医学器械等）所需的先进性能或多功能的轻质结构。
目前，周期多孔铝合金结构主要采用传统的精密铸造以及二维片层折叠/焊接的方法来制造，但是这些传统方法由于成形模具复杂度等的限制，只能用来成形一些结构简单的多孔结构，很难或根本无法实现点阵单元优化、复杂的周期性多孔铝合金的成形制造。目前的情况是可以设计优化出高性能多孔铝合金材料，但无法实现制造成形，极大的限制了该种材料的应用。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法，旨在省去传统加工方法的一些繁杂环节，并可制造不同单元尺寸和孔隙率的铝合金周期性点阵多孔结构。
本发明提供的一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法，包括下述步骤：
（1）在CAD软件上建立周期性点阵多孔结构模型，将CAD文件转成STL格式文件，以备进行选择性激光熔化（Selective Laser Sintering，SLM）加工；
（2）选取适合SLM工艺的铝合金粉末。其中粉末平均粒径在5-50μm范围内，颗粒形状为球形或者近球形；
（3）在惰性气体保护下，对铝合金粉末进行SLM成形，得到相应形状的工件；
（4）在惰性气体的保护下进行热处理，去除工件内部的热应力；
（5）采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，从而最终得到具有铝合金多孔结构的工件。
相对于目前制造铝合金多孔材料的方法而言，本发明具有以下优点：
（1）解决了传统加工方法难以制造或者制造周期长、成本高的问题；
（2）不需要模具，可以整体制造形状复杂的铝合金多孔结构，尤其是可以按照CAD软件设计的模型进行加工，具有很大的设计自由度。
具体实施方式
本发明的总体思路是：先通过CAD软件构建基于点阵单元的周期性点阵多孔结构的三维模型，然后将模型以STL格式输出，导入到SLM成形设备中，激光束根据切片层的数据选择性地熔化区域内的铝合金粉末得到二维的金属结构，经层层堆积最终可以得到与CAD模型一致的三维铝合金多孔结构。经过热处理、分离、喷砂等后续处理即可得到表面光洁、性能良好的铝合金周期性点阵多孔结构。
SLM方法是增材制造（Additive Manufacturing）技术中的一种粉床熔化工艺，该工艺能够直接根据CAD模型成形几乎完全致密的任意复杂的金属制件。通过逐层选择性地熔化金属粉末层并叠加来成形金属零件，可以直接制造结构复杂的金属零件，因此SLM方法可以最大限度实现设计的自由度。
具体而言，本发明实施例的铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法包括以下步骤：
（1）在CAD软件上建立周期性点阵多孔结构模型，将CAD文件转成STL格式文件，以备进行SLM加工。
具体包括：建立点阵单元的模型，单元尺寸在2-9mm，并通过CAD软件将点阵单元排布堆叠成周期性点阵多孔结构三维模型，多孔结构的孔隙率在20-95%之间。其中，单元结构可以通过数学方法定义，在构建连通的多孔网络时能够精确地控制单元尺寸和孔隙率，从而根据需求加工出具有不同单元尺寸和孔隙率的铝合金周期性点阵多孔结构。
（2）选取适合SLM工艺的铝合金粉末。其中粉末平均粒径在5-50μm范围内，颗粒形状为球形或者近球形。这里的铝合金包括：AlSi10Mg、AlSi7Mg、Al-Si12等各种铝合金材料。
（3）在惰性气体保护下，对铝合金粉末进行SLM成形，得到相应形状的工件。其中，待工件冷却后，用压缩空气吹、用毛刷刷或用水冲洗等手段，清除多孔结构表面的浮粉，得到与CAD模型一致形状的工件。
（4）在惰性气体的保护下进行热处理，去除工件内部的热应力。所述热处理具体为：在400-450℃烘箱中进行热处理4-5小时。
（5）采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，从而最终得到具有铝合金多孔结构的工件。
下面结合几个实例对本发明作进一步描述。
实例1：
（1）建立点阵单元尺寸为2mm的模型，并通过CAD软件将点阵单元排布堆叠成孔隙率为20%的周期性点阵多孔结构的三维模型。将CAD文件转成STL格式文件，以备进行SLM加工。
（2）选取粒径分布在5-20μm范围内的AlSi10Mg铝合金粉末。该粉末具有球形或者近球形的表面。
（3）激光源为Yb光纤激光，设置激光功率为100W，光斑直径为100μm。在氩气的保护下，对铝合金粉末进行SLM成形。等到制件冷却后，清除表面的浮粉，得到与CAD模型一致形状的工件。
（4）在氩气的保护下在400℃烘箱中进行热处理4小时，去除工件内部的热应力。
（5）采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，得到具有较高表面质量的铝合金多孔结构。
实例2：
（1）建立点阵单元尺寸为5mm的模型，并通过CAD软件将点阵单元排布堆叠成孔隙率为60%的周期性点阵多孔结构的三维模型。将CAD文件转成STL格式文件，以备进行SLM加工。
（2）选取粒径分布在10-30μm范围内的Al-Si12铝合金粉末。该粉末具有球形或者近球形的表面。
（3）激光源为Yb光纤激光，设置激光功率为100W,光斑直径为100μm。在氩气的保护下，对铝合金粉末进行SLM成形。等到制件冷却后，清除表面的浮粉，得到与CAD模型一致形状的工件。
（4）在氩气的保护下在450℃烘箱中进行热处理3小时，去除工件内部的热应力。
（5）采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，得到具有较高表面质量的铝合金多孔结构。
实施例3：
（1）建立点阵单元尺寸为9mm的模型，并通过CAD软件将点阵单元排布堆叠成孔隙率为95%的周期性点阵多孔结构的三维模型。将CAD文件转成STL格式文件，以备进行SLM加工。
（2）选取粒径分布在10-30μm范围内的AlSi7Mg铝合金粉末。该粉末具有球形或者近球形的表面。
（3）激光源为Yb光纤激光，设置激光功率为100W,光斑直径为100μm。在氩气的保护下，对铝合金粉末进行SLM成形。等到制件冷却后，清除表面的浮粉，得到与CAD模型一致形状的工件。
（4）在氩气的保护下在450℃烘箱中进行热处理3小时，去除工件内部的热应力。
（5）采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，得到具有较高表面质量的铝合金多孔结构。
以上为本发明的较佳实例，并非来限制本发明保护范围，故凡依本发明申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请范围内。

Claims (2)

1.一种铝合金周期性点阵多孔结构的快速成形制造方法，该方法包括下述步骤：
(1)在CAD软件上建立周期性点阵多孔结构模型，首先，建立点阵单元的模型，点阵单元的尺寸在2-9mm，并通过CAD软件将点阵单元排布堆叠成周期性点阵多孔结构三维模型，所述多孔结构的孔隙率在20-95％之间，将CAD文件转成STL格式文件，以备进行SLM加工；
(2)选取适合SLM工艺的铝合金粉末，其中粉末平均粒径在5-50μm范围内，颗粒形状为球形或者近球形；
(3)在惰性气体保护下，对铝合金粉末进行SLM成形，得到相应形状的工件；
(4)在惰性气体的保护下进行热处理，去除工件内部的热应力，所述热处理具体为：在400-450℃烘箱中进行热处理4-5小时；
(5)采用线切割工艺将工件从基板上分离，并进行陶瓷珠喷砂处理，从而最终得到具有铝合金多孔结构的工件。
2.根据权利要求1所述的制造方法，步骤(2)中，所述铝合金粉末为AlSi10Mg、AlSi7Mg或Al-Si12。
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