CN105903961B - 一种提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法，该方法将扫描方法分为支撑扫描和实体扫描两部分，支撑扫描方法采用隔层扫描的方式，而实体扫描由外壳的轮廓偏移扫描和内部的方块分区扫描结合而成，实体的轮廓外壳扫描完之后，对内部进行逐层偏转的分区扫描，根据零件大小将内部用5*5mm‑10*10mm大小的方块填充，相邻两个方块分区之间的扫描线方向呈90°正交，零件内部实体扫描时通过光路调节提高聚焦光斑直径以提高加工效率。对层间截面内部分区方块进行逐层旋转60°，不仅防止上下层的方块发生重叠，尽可能的消除边沿凸起缺陷，同时能防治多层堆积过程中产生的应力累积缺陷。该方法可以广泛应用在增材制造制造领域。

Description

一种提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法

技术领域

本发明涉及金属零件的增材制造领域，尤其涉及一种提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法。

背景技术

增材制造又俗称3D打印，是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除(切削加工)技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。相比传统制造技术，增材制造具有能够成型复杂形状零件、成型精度高、节约材料等优点。而金属增材制造由于能够直接制造结构致密、冶金结合的高精度金属零件，成为了目前最热门的制造技术。

目前金属增材制造的成型材料主要是粉末材料，根据不同的送粉模式，分为预置式送粉模式和同轴喷粉模式两种，其中激光选区熔化和电子束选区熔化就是预置式送粉模式的代表技术，激光近净成型就是同轴喷粉模式的代表技术。这类粉末材料的金属增材制造技术能够成型结构致密、冶金结合的金属零件，而且能够成型一些传统切削方式无法成型的复杂形状零件。

其中金属增材制造的代表技术激光选区熔化的成型过程如下：铺粉装置在成型缸上铺上一层金属粉末，激光束在计算机控制下，根据成型件截面形状信息，对粉末进行选择性扫描，使扫描区域内的粉末粘结或熔化，得到成型件的单层形状；接着成型缸下降一个层厚的距离，铺粉装置重新铺粉，继续进行下一层的成型；如此逐层叠加，最终获得特定几何形状的金属零件。

因此，粉末预置式的金属增材制造成型过程都是通过激光束或电子束等热源扫描每一层截面区域，熔化成型区的粉末来填充成一个铺粉层厚的零件，最终层层叠加为一个零件。因此，加工过程中每层截面路径填充扫描方法对成型质量影响很大，不同的扫描方法对成型零件的尺寸精度、致密度和表面粗糙度都有直接的影响。

目前，粉末预置式的金属增材制造中，常见的截面路径填充扫描成型方法有单向直线扫描、双向直线扫描、正交扫描、层间交错扫描和轮廓偏移扫描等方式。不同的扫描方式都各有特点，但是都有其缺陷。其中直线扫描方式会产生起始点球化现象，起始点球化逐层叠加，会使边缘凸起，影响加工质量；其中轮廓偏移扫描的效率较高，但是热量累积过多，容易出现过熔现象；其中正交扫描和层间扫描方式能获得较高的零件致密度，但是对于大尺寸的零件，在长线扫描的过程中容易累积较多的残余应力，成型过程中出现翘曲。

此外，复杂形状金属零件在增材制造成型过程中，由于存在较多的悬垂面，为了顺利成型，需要添加较多的支撑防止塌陷和翘曲缺陷。目前对于支撑的扫描成型方法是扫描每一层的轮廓，这样成型效率较低，而且过多的支撑扫描会影响成型时的铺粉质量，容易造成铺粉不平。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法。该方法综合现有扫描方法的优点，提高成型零件的精度和表面粗糙度，并尽可能的减少成型过程的残余应力。

本发明通过下述技术方案实现：

激光束或电子束在经过金属增材制造设备聚焦后，会得到一个能量高度集中的加工点，通过该加工点去熔化金属粉末。但是加工点存在热影响区，导致成型熔道要比加工点宽。成型熔道的尺寸是一个比较重要的参数，扫描成型中要根据该尺寸的大小去调节扫描参数。尤其是在扫描支撑和零件的轮廓时，要进行加工补偿，补偿值通常设置为成型熔道尺寸大小的一半。如果不设置加工补偿，则加工零件的尺寸精度将会受到影响。

此外为了获得较高的致密度，相邻两条扫描线之间要进行搭接，设置合理的扫描线间距，使扫描线之间有20％-40％的搭接率，扫描线间距也要根据成型熔道的尺寸来设定。

本发明提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法，包括如下步骤：

由于激光光斑的热影响区和光斑补偿，扫描成型方法分别针对金属零件的支撑扫描和实体扫描两部分，其中实体扫描由外壳的轮廓偏移扫描和内部的方块分区扫描结合而成。

支撑扫描是为了提高支撑的成型效率，保证铺粉更平整；支撑扫描采用隔层扫描的方式，即第2n层铺完粉之后，支撑不扫描，第(2n+1)层铺完粉后才扫描支撑，如此循环反复；

支撑扫描时，对不同形状的支撑，采用两类扫描方法，即对于没有厚度要求的支撑类型，如线形轮廓支撑，只扫描一次轮廓；对于有厚度要求的支撑类型，如块状支撑和圆筒形支撑，进行向内偏移的轮廓扫描，偏移距离为激光光斑补偿距离6大小。

所述外壳的轮廓偏移扫描，分为前扫描和后扫描；前扫描是在扫描实体零件内部之前，先扫描一次轮廓；后扫描是在扫描实体零件内部之后，再扫描轮廓；在进行轮廓扫描时，每一层的外壳轮廓向内偏移一个激光光斑补偿距离6后扫描，偏移扫描两次，保证零件外壳的强度；零件外壳扫描时通过光路调节降低聚焦光斑直径，并提高实体的表面粗糙度；实体的轮廓外壳扫描完之后，对内部进行逐层偏转的分区扫描，根据零件大小将内部用5*5mm-10*10mm大小的方块13填充，相邻两个方块13分区之间的扫描线方向呈90°正交。零件内部实体扫描时通过光路调节提高聚焦光斑直径以提高加工效率。

为使相邻两个方块13分区之间连接紧密，扫描时设置分区之间有搭接，搭接距离为一个激光光斑补偿距离6的大小。为防止起始点球化在搭接区域产生逐层的累积，造成边沿凸起，对内部分区方块进行逐层旋转60°。不仅防止上下层的方块发生重叠，尽可能的消除边沿凸起缺陷，同时能防治多层堆积过程中产生的应力累积缺陷。

本与现有技术相比，本发明至少具有以下优点和效果：

1)支撑扫描时，采用隔层扫描的方式，提高了成型效率，使铺粉更加平整。

2)实体的外壳采用了加工补偿的轮廓偏移扫描，通过光路自动调节降低聚焦光斑直径，提高了成型零件的精度和表面粗糙度。

3)实体内部采用逐层偏转的分区扫描方式，通过光路自动调节提高聚焦光斑直径，提高了零件的致密度，减少了加工时的热应力，降低了零件发生翘曲缺陷的概率。

4)使用本发明的路径扫描方法，针对中、大型金属零件(零件尺寸在150mm以上)的增材制造具有明显优势，可以避免大面积扫描产生的应力累积而造成的局部变形。

附图说明

图1为激光聚焦光斑和实际成型熔道(包括热影响区)示意图。

图2为没有激光光斑补偿的轮廓扫描示意图。

图3为设置了激光光斑补偿的轮廓扫描示意图。

图4为零件第3n层截面的扫描方法示意图。

图5为零件第3n+1层截面的扫描方法示意图。

图6为零件第3n+2层截面的扫描方法示意图。

图7为零件内部方块分区的边界搭接示意图。

图中附图标记：聚焦后的激光光斑1(尺寸)；成型熔道2(成型熔道2的尺寸，包括热影响区尺寸)；零件的理论轮廓3；零件成型后的实际轮廓4；激光光斑中心的扫描轨迹5；激光光斑补偿距离6；支撑的理论轮廓线7；光斑补偿后的支撑第一条轮廓扫描线8；光斑补偿后的支撑第二条轮廓扫描线9；实体零件的理论轮廓线10；光斑补偿后的实体第一条轮廓扫描线11；光斑补偿后的实体第二条轮廓扫描线12；方块13(实体内部的分区方块)；分区方块内部的填充扫描线14。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1所示，激光束在经过金属增材制造设备聚焦后，会得到一个能量集中的加工点(聚焦后的激光光斑1)，通过该加工点去熔化金属粉末。但是加工点存在热影响区，使得成型熔道要比加工点宽。成型熔道2的尺寸是一个比较重要的参数，扫描成型中要根据该尺寸的大小去调节扫描参数。

尤其是在扫描支撑和零件的轮廓时，要进行加工补偿，补偿值通常设置为成型熔道2尺寸大小的一半。

如图2和图3所示，假如加工时没有设置激光光斑补偿，扫描轮廓边缘时，激光光斑中心的扫描轨迹5和零件的理论轮廓3重合。由于热影响区的存在，这样的扫描成型方法会使加工零件的尺寸精度受到影响。图2中虚线为零件成型后的实际轮廓4。

此外为了获得较高的致密度，相邻两条扫描线之间要进行搭接，设置合理的扫描线间距，使扫描线之间有20％-40％的搭接率，扫描线间距也要根据成型熔道的尺寸来设定。假设激光光斑的热影响区为150μm，若要设置30％的搭接率，则两条熔道的重合搭接距离应该为45μm。

下面结合附图对本发明扫描成型方法作具体说明

本发明扫描成型方法包括支撑部分的扫描成型方法和实体零件部分的扫描成型方法。

其中对于支撑部分的扫描成型，为了提高支撑的成型效率，保证铺粉更平整，本发明对支撑部分采用隔层扫描的方式，即第2n层铺完粉之后，支撑不扫描，第(2n+1)层铺完粉后才扫描支撑，如此循环反复。支撑扫描时，对不同形状的支撑，采用两类扫描方法。其中对于没有厚度要求的支撑类型，如线形轮廓支撑，只扫描一次轮廓；对于有厚度要求的支撑类型，如块状支撑和圆筒形支撑，进行向内偏移的轮廓扫描，偏移距离为一个加工补偿大小(激光光斑补偿距离6)。

如图4所示，该支撑为有厚度要求的圆筒形支撑。图中附图标记代表：支撑的理论轮廓线7；光斑补偿后的支撑第一条轮廓扫描线8；光斑补偿后的支撑第二条轮廓扫描线9；实体零件的理论轮廓线10；光斑补偿后的实体第一条轮廓扫描线11；光斑补偿后的实体第二条轮廓扫描线12；方块13；分区方块内部的填充扫描线14。其中实体零件部分的扫描由外壳的轮廓偏移扫描和内部的方块分区扫描结合而成。

轮廓扫描分为前扫描和后扫描。前扫描是在扫描实体零件内部之前，先扫描一次轮廓；后扫描是在扫描实体零件内部之后，再扫描轮廓。本方法同时采用前扫描和后扫描，前扫描可以提高零件的成型精度，后扫描可以对轮廓进行重熔，提高零件的表面质量。在进行轮廓扫描时，每一层的外壳轮廓向内偏移一个激光光斑补偿距离6后扫描，外壳轮廓扫描时，通过调节光路减小聚焦光斑大小。实体的轮廓外壳扫描完之后，对内部进行逐层偏转的分区扫描，根据零件大小将内部用2*2mm-10*10mm大小的方块13填充，相邻两个方块13分区之间的扫描线方向呈90°正交，内部填充扫描时，通过调节光路提高聚焦光斑大小。

如图7所示，为了保证相邻分区之间连接紧密，扫描时设置分区之间有一定的搭接，搭接距离为一个加工补偿距离(激光光斑补偿距离6)大小。

如图4、图5和图6所示，为了防止起始点球化在搭接区域产生逐层的累积，造成边沿凸起严重，本发明对内部分区方块进行逐层旋转60°，防止上下层的方块发生重叠，尽可能的消除边沿凸起缺陷。

现以圆筒形支撑和椭圆形实体截面作为例子，则具体的扫描成型步骤如下：

首先，进行支撑扫描，进行2-3次向内偏移的轮廓扫描，偏移一个加工补偿距离(激光光斑补偿距离6)。支撑扫描时进行隔层扫描策略，第2n层铺完粉之后，支撑不扫描，第(2n+1)层铺完粉后才扫描支撑，如此循环反复。

然后，进行实体零件的轮廓扫描。先进行轮廓前扫描，通过调节光路降低聚焦光斑直径到70微米，每一层的外壳轮廓向内偏移一个加工补偿的距离(激光光斑补偿距离6)后，偏移扫描两次，扫描线轨迹为光斑补偿后的实体第一条轮廓扫描线11和光斑补偿后的实体第二条轮廓扫描线12，保证零件外壳的强度和成型精度；等实体零件的内部扫描完之后，进行轮廓的后扫描，提高成型零件的表面质量。

最后，进行实体零件内部的方块分区扫描，通过调节光路提高聚焦光斑直径到100微米，根据零件大小将内部用5*5mm-10*10mm大小的方块填充，相邻两个方块分区之间的扫描线方向呈90°正交。分区之间的搭接距离为一个加工补偿的大小(激光光斑补偿距离6)。为了防止起始点球化在搭接区域产生逐层的累积，造成边沿凸起，内部分区方块进行逐层旋转60°，即第3n层内部方块平行于水平方向，第3n+1层内部方块方向与水平正方向呈60°，第3n+2层内部方块方向与水平正方向呈120°。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法，其特征在于包括如下步骤：

由于激光光斑的热影响区和光斑补偿，扫描成型方法分别针对金属零件的支撑扫描和实体扫描两部分，其中实体扫描由外壳的轮廓偏移扫描和内部的方块分区扫描结合而成；

所述支撑扫描采用隔层扫描的方式，即第2n层铺完粉之后，支撑不扫描，第(2n+1)层铺完粉后才扫描支撑，如此循环反复；

支撑扫描时，对不同形状的支撑，采用两类扫描方法，即对于没有厚度要求的支撑类型，只扫描一次轮廓；对于有厚度要求的支撑类型，进行向内偏移的轮廓扫描，偏移距离为一个加工补偿大小。

2.根据权利要求1所述提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法，其特征在于：

所述外壳的轮廓偏移扫描，分为前扫描和后扫描；前扫描是在扫描实体零件内部之前，先扫描一次轮廓；后扫描是在扫描实体零件内部之后，再扫描轮廓；在进行轮廓扫描时，每一层的外壳轮廓向内偏移一个激光光斑补偿距离(6)后扫描；零件外壳扫描时通过光路调节降低聚焦光斑直径；实体的轮廓外壳扫描完之后，对内部进行逐层偏转的分区扫描，根据零件大小将内部用5*5mm-10*10mm大小的方块(13)填充，相邻两个方块(13)分区之间的扫描线方向呈90°正交。

3.根据权利要求2所述提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法，其特征在于：为使相邻两个方块(13)分区之间连接紧密，扫描时设置分区之间有搭接，搭接距离为一个激光光斑补偿距离(6)的大小。

4.根据权利要求2所述提高金属零件增材制造成型质量的扫描成型方法，其特征在于：为防止起始点球化在搭接区域产生逐层的累积，造成边沿凸起，对内部分区方块进行逐层旋转60°。