CN105149583B - 铝材的激光选区熔化成形方法及其系统 - Google Patents

铝材的激光选区熔化成形方法及其系统 Download PDF

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Abstract

一种铝材的激光选区熔化成形方法及其系统，其中方法采用以下步骤，步骤一：利用计算机建立几何模型，生成激光扫描路径；步骤二：成形基板预热；步骤三：对成形室抽真空；步骤四：向成形室注入保护气体；步骤五：向成形室送入粉末原料；步骤六：对粉末原料进行铺粉作业；步骤七：开启波长为700‑900nm的激光，融化粉末原料；步骤八：判断产品加工是否完成，否，则进入步骤九，是，则进入步骤十；步骤九：成形室中的成形缸下降一层，进入步骤五；步骤十：清除多余粉末原料；步骤十一：取出成形件，系统采用光源系统，还设置有激光扫描系统、粉末摊铺系统和气氛控制系统，实现对铝材的激光选区熔化成形，整体结构简单，成本低廉。

Description

铝材的激光选区熔化成形方法及其系统
技术领域
本发明涉及一种三维制造技术领域，具体涉及一种铝材的激光选区熔化成形方法及其系统。
背景技术
铝及铝合金是有色金属中应用最广泛的材料之一，具有密度小，易加工，热膨胀系数低，热导率高，刚度和强度高等诸多优异性能，在航空航天、轨道交通、汽摩工业、光学仪器等领域获得广泛应用。相比而言，铝基复合材料具有更高的比强度和比刚度，更好的耐高温性和耐磨性，铝基复合材料已成为航天飞机、人造卫星、空间站、金属镜光学系统、汽车零部件等常用的结构材料。激光选区熔化成形技术(SLM)是一种新型制造技术，可以克服传统加工的减材制造对原材料的大量浪费，同时具有快速成形，细化晶粒，组织均匀无缺陷，易实现柔性加工等优点，已成为铝、铝合金以及铝基复合材料复杂结构件快速成形技术的首选。
激光选区熔化成形过程主要表现为待加工粉体材料吸收激光能量并将该能量转化为热能，粉体材料对激光能量的吸收效率对激光加工过程起决定性影响。然而，激光在铝、铝合金以及铝基复合材料表面产生强烈的反射，带走绝大部分能量，降低了激光选区熔化成形的效率，同时也对激光器的功率提出了更高的要求，提高了铝、铝合金以及铝基复合材料激光选区熔化成形系统的制造成本。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种，利用波长为700nm-900nm的激光，对铝材进行铝材的激光选区熔化成形方法及其系统，充分利用了铝、铝合金及铝基复合材料对波长为700nm-900nm的激光的高吸收性，使其在选区融化过程中能量利用效率和成形效率更高，且成形更加精准，其中成形方法具体技术方案如下：
一种铝材的激光选区熔化成形方法，采用以下步骤，
步骤一：利用计算机建立几何模型，生成激光扫描路径；
步骤二：成形基板预热；
步骤三：对成形室抽真空；
步骤四：向成形室注入保护气体；
步骤五：向成形室送入粉末原料；
步骤六：对粉末原料进行铺粉作业；
步骤七：开启波长为700-900nm的连续激光，或者为脉冲激光，或者为准连续激光，融化粉末原料；
步骤八：判断产品加工是否完成，否，则进入步骤九，是，则进入步骤十；
步骤九：成形室中的成形缸下降一层，进入步骤五；
步骤十：清除多余粉末原料；
步骤十一：取出成形件。
为更好的实现本发明方法，可进一步为：
所述步骤三中抽真空的气压范围为1×10-5Pa到1×104Pa。
所述粉末原料为铝，或者为铝合金，或者为铝基复合材料，该粉末原料的粒径范围为10nm～500μm。
其中系统的具体方案如下：
铝材的激光选区熔化成形系统，包括光源系统(1)，还设置有激光扫描系统(2)、粉末摊铺系统(3)和气氛控制系统(4)，其中所述激光扫描系统(2)设置有至少一个激光控制机构(5)，所述光源系统(1)发出的激光通过每个该激光控制机构(5)后分别经二色镜(6)进入扫描振镜(7)，该扫描振镜(7)输出的激光经聚焦透镜进入所述粉末摊铺系统(3)中；
所述粉末摊铺系统(3)设置有成形室(8)，在该成形室(8)中设有铺粉机构(9)；
所述气氛控制系统(4)由抽真空机构(10)和保护气体注入机构(11)组成，该抽真空机构(10)的抽真空口和保护气体注入机构(11)的注入口均与所述成形室(8)相通。
所述铺粉机构(9)包括加工平面(91)，在该加工平面(91)一侧的上方设有送粉缸机构(92)，在靠近该送粉缸机构(92)的两侧上方相对设置有滑轨(93)，在两条该滑轨(93)间通过运动机构(94)安装有刮刀(95)；
在所述加工平面(91)的中部开有加工孔(98)，在该加工孔(98)中设有成形缸(92)，该成形缸(92)的下方连结有升降机构，在所述加工平面(91)上还设置有收粉孔(96)，该收粉孔(96)靠近所述加工孔(98)，在所述加工平面(91)的下方设置有与所述收粉孔(96)相对应的收粉腔(97)。使用中，送粉缸机构(92)将铝材粉末原料送入成形缸(92)，在运动机构(94)的带动下，刮刀(95)对成形缸(92)中的铝材粉末原材料进行铺粉，在激光完成单层成形后，通过成形缸(92)下方的升降机构调节高度，轻松的实现对成形零件下一层的扫描，在铺粉过程中和铺粉作业完成后，多余的铝材粉末原材料通过收粉孔(96)进入收粉腔(97)中。
本铝材的激光选区熔化成形系统工作原理为：将各个机构与智能控制系统连接，首先开启抽真空机构(10)，对成形室(8)进行抽真空作业，再开启保护气体注入机构(11)将保护气体注入到成形室(8)中，然后粉末摊铺系统(3)中的送粉缸机构将铝材粉末送入成形室(8)中，接下来开启光源系统(1)中的激光光源，激光经激光控制机构(5)后通过二色镜(6)扩束后进入扫描振镜(7)中，扫描振镜(7)输出的激光经聚焦透镜聚焦后的对成形室(8)中的铝材粉末原材料进行二维扫描成形，单层扫描成形后关闭激光光源，如此重复，实现三维零件成形。
为更好的实现本系统，可进一步为：
所述激光控制机构(5)包括光闸(12)，该光闸(12)的输出端依次对应设置有扩束镜(13)、功率控制器(14)和反射镜(15)。
所述聚焦透镜安装在所述成形室(8)的外壁上，结构简单，安装方便。
所述聚焦透镜为F-θ透镜，或者为动态聚焦透镜。
本发明的有益效果为：铝材的激光选区熔化成形方法采用波长为700nm-900nm的激光在保护气体的环境下对铝材粉末进行选区融化成形，充分利用了铝、铝合金及铝基复合材料对波长为700nm-900nm的激光的高吸收性，最大限度的减少了铝、铝合金及铝基复合材料对激光的反射，使其成形过程中能量利用效率高，成形速度快，而且成形精度高，实现了铝材成形的快速化；整个加工过程在真空或者保护性气体的环境下进行，使其加工部件不与空气进行接触，保证了加工产品的品质；采用波长为700nm-900nm的激光成形，使其应用材料和送料方式均多样，使3D打印技术的应用范围更加广泛，便于3D打印技术的快速推广应用；铝材的激光选区熔化成形系统整体结构简单，布局合理，有力的保证了本发明中激光选区熔化成形方法的实现，大大减小了铝材的选区融化成本。
附图说明
图1为本发明中方法的流程图；
图2为本发明中系统的结构示意图；
图3为本发明系统中铺粉机构的结构示意图；
图4为纯铝粉的激光吸收图谱粉激光吸收图谱；
图5为AlSi10Mg铝合金粉体的激光吸收图谱；
图6为铝基复合材料(AlSi10Mg/CNT)粉体的激光吸收图谱；
图7为AlSi10Mg铝合金成型件表面形貌图；
图8为AlSi10Mg铝合金成型件表面粗糙度测试图；
图9为AlSi10Mg铝合金成型件微观组织图；
图10为采用本发明所制备的AlSi10Mg铝合金成型件的硬度测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示：一种铝材的激光选区熔化成形方法，采用以下步骤，
步骤一：利用计算机建立几何模型，生成激光扫描路径；
步骤二：成形基板预热；
步骤三：对成形室抽真空，抽真空的压力范围在1×10-5Pa；
步骤四：向成形室注入保护气体，本实施例中采用氩气；
步骤五：向成形室送入粉末原料，该粉末原料为粉末原料粒径范围为10nm～500μm的AlSi10Mg铝合金粉体；
步骤六：对粉末原料进行铺粉作业；
步骤七：开启波长为808nm的连续激光束，融化粉末原料；
步骤八：根据激光扫描路径，判断产品加工是否完成，否，则进入步骤九，是，则进入步骤十；
步骤九：成形室中的成形缸下降一层，进入步骤五，对成形零件的下一层进行铺粉作业；
步骤十：清除多余粉末原料；
步骤十一：取出成形件。
如图2所示：采用上述方法的铝材的激光选区熔化成形系统，包括光源系统1，还设置有激光扫描系统2、粉末摊铺系统3和气氛控制系统4，其中所述激光扫描系统2设置有三个激光控制机构5，每个激光控制机构5的结构相同，均设有光闸12，该光闸12的输出端依次对应设置有扩束镜13、功率控制器14和反射镜15；光源系统1发出的激光为波长700-900nm的连续激光束，激光束通过光闸12和功率控制器14进行通断和功率控制，经过反射镜15反射进入二色镜6中，经二色镜6筛选后进入扫描振镜7中，该扫描振镜7输出的激光经聚焦透镜聚光，本实施中聚焦透镜采用F-θ透镜，聚光后的激光进入所述粉末摊铺系统3，对AlSi10Mg铝合金粉体进行融化；
如图3所示：所述粉末摊铺系统3设置有成形室8，该成形室8为密闭的腔体，在成形室8内设有铺粉机构9，铺粉机构9设有加工平面91，该加工平面91设在成形室8的中部，将成形室8分成上下两个腔室，在该加工平面91一侧的上方设有送粉缸机构92，在靠近该送粉缸机构92的两侧上方的成形室8的内壁上相对设置有两条滑轨93，在两条该滑轨93间通过运动机构94安装有刮刀95，其中刮刀95采用双刃对称设计，这种刮板结构简单，可以获得较薄的铺粉层厚，且铺粉粉层的平整及完整性容易得到保证，在加工平面91的中部开有方形的加工孔98，在该加工孔98中设有成形缸，该成形缸的下方连结有升降机构，该升降机构安装在成形室8的下腔室中，在加工平面91上还设置有条形收粉孔96，该收粉孔96靠近所述加工孔98，且与刮刀95在空间上平行，在所述加工平面91的下方设置有与收粉孔96相对应的收粉腔97；
所述气氛控制系统4由抽真空机构10和保护气体注入机构11组成，该抽真空机构10的抽真空口和保护气体注入机构11的注入口均与所述成形室8相通。
将光闸12、功率控制器14、扫描振镜7、铺粉机构9、抽真空机构10和保护气体注入机构11均与智能控制系统连接，在智能控制系统的控制下实现激光的选区融化。
如图5所示：经过大量实验测试得出，激光波长范围为700nm～900nm时，AlSi10Mg铝合金粉对激光的反射率最低可达32.506％，在激光成形过程中，AlSi10Mg铝合金粉可充分吸收，能量利用效率高，成形速度快，而且成形精度高，实现了AlSi10Mg铝合金粉成形的快速化。如图7所示，激光波长范围为800nm～850nm时，铝合金成型件表面光滑、致密，具有较高的成型质量，如图8所示，激光波长范围为800nm～850nm时，在优化的工艺参数条件下，铝合金成型件表面最高精度Ra可达0.62μm，具有较高的表面质量，维氏硬度值基本稳定在HV110～HV130之间波动，均值为HV120±3，大于传统AlSi10Mg铸材的HV95～HV105。说明成型件具有优异的力学性能。
作为变形，还可以采用纯铝粉末材料，或者铝基复合材料(AlSi10Mg/CNT)粉体，如图4所示，激光波长范围为700nm～900nm时，纯铝粉对激光的反射率最低可达75.464％，图6所示激光波长范围为700nm～900nm时，添加不同含量碳纳米管的AlSi10Mg/CNT复合粉体材料均对激光的反射率有明显的最低值，最低反射率在18％～25％。可说明，在波长为700nm～900nm时，AlSi10Mg/CNT复合粉体材料对激光的吸收率均有较强的峰值，吸收率超过75％。
对加工完成的产品进行测试，如图7显示，激光波长范围为800nm～850nm时，铝合金成型件表面光滑、致密，具有较高的成型质量，图8显示，激光波长范围为800nm～850nm时，铝合金成型件表面最高精度Ra可达0.62μm，具有较高的表面质量，图9显示，晶粒十分细小，组织致密，经测量平均晶粒尺寸小于1μm。灰色的胞状结构为Al基体，白色的纤维状的为Si相。根据测试结构，可得出采用本发明的方法和系统所成形的产品，品质高，外观美观，具有很高的应用价值，如图10显示，采用本发明的激光选区熔化成型方法及系统所制备的AlSi10Mg铝合金成型件在不同工艺条件下的硬度测试结果，可以看出，维氏硬度值基本稳定在HV110～HV130之间波动，均值为HV120±3，大于传统AlSi10Mg铸材的HV95～HV105，说明成型件具有优异的力学性能。

Claims (5)

1.一种铝材的激光选区熔化成形方法，其特征在于：采用以下步骤，
步骤一：利用计算机建立几何模型，生成激光扫描路径；
步骤二：成形基板预热；
步骤三：对成形室抽真空；
步骤四：向成形室注入保护气体；
步骤五：向成形室送入粉末原料,所述粉末原料为铝，或者为铝合金，或者为铝基复合材料，该粉末原料的粒径范围为10nm～500μm；
步骤六：对粉末原料进行铺粉作业；
步骤七：开启波长为700-900nm的连续激光，或者为脉冲激光，或者为准连续激光，融化粉末原料；
步骤八：判断产品加工是否完成，否，则进入步骤九，是，则进入步骤十；
步骤九：成形室中的成形缸下降一层，进入步骤五；
步骤十：清除多余粉末原料；
步骤十一：取出成形件；
所述铝材的激光选区熔化成形方法的系统，包括光源系统(1)，还设置有激光扫描系统(2)、粉末摊铺系统(3)和气氛控制系统(4)，其中所述激光扫描系统(2)设置有至少一个激光控制机构(5)，所述光源系统(1)发出的激光通过每个该激光控制机构(5)后分别经二色镜(6)进入扫描振镜(7)，该扫描振镜(7)输出的激光经聚焦透镜进入所述粉末摊铺系统(3)中；
所述粉末摊铺系统(3)设置有成形室(8)，在该成形室(8)中设有铺粉机构(9)；
所述气氛控制系统(4)由抽真空机构(10)和保护气体注入机构(11)组成，该抽真空机构(10)的抽真空口和保护气体注入机构(11)的注入口均与所述成形室(8)相通；
所述铺粉机构(9)包括加工平面(91)，在该加工平面(91)一侧的上方设有送粉缸机构(92)，在靠近该送粉缸机构(92)的两侧上方相对设置有滑轨(93)，在两条该滑轨(93)间通过运动机构(94)安装有刮刀(95)；
在所述加工平面(91)的中部开有加工孔(98)，在该加工孔(98)中设有成形缸(92)，该成形缸(92)的下方连结有升降机构，在所述加工平面(91)上还设置有收粉孔(96)，该收粉孔(96)靠近所述加工孔(98)，在所述加工平面(91)的下方设置有与所述收粉孔(96)相对应的收粉腔(97)。
2.根据权利要求1所述一种铝材的激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述步骤三中抽真空的气压范围为1×10-5Pa到1×104Pa。
3.根据权利要求1所述一种铝材的激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述激光控制机构(5)包括光闸(12)，该光闸(12)的输出端依次对应设置有扩束镜(13)、功率控制器(14)和反射镜(15)。
4.根据权利要求1所述一种铝材的激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述聚焦透镜安装在所述成形室(8)的外壁上。
5.根据权利要求1所述一种铝材的激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述聚焦透镜为F-θ透镜，或者为动态聚焦透镜。
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