CN105935771B - 一种金属模具3d打印激光微区处理方法 - Google Patents

一种金属模具3d打印激光微区处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属模具3D打印激光微区处理方法，包括如下步骤：1)数模分块化预处理阶段；2)建模分层扫描阶段；3)激光熔覆沉积成形阶段，在该阶段中：在第一层切片分层进行激光熔覆沉积后，对该层切片分层中的微区域进行二次激光表面强化处理，当完成该切片分层微区域的二次激光淬火表面处理后，再进行第二层切片分层激光熔覆沉积和该第二层切片分层中微区域的二次激光表面强化淬火处理，以此类推，完成所有切片分层的激光熔覆成形，形成金属模具成形件；4)后处理阶段，包括热处理、抛光和机加处理。其具有：设计合理、操作方便、金属模具成形件机械性能可靠、加工和制造作业时间短、有效降低操作工人的劳动强度和加工成本等优点。

Description

一种金属模具3D打印激光微区处理方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆进行模具加工制造技术领域，尤其涉及一种金属模具3D打印激光微区处理方法。
背景技术
模具作为现代工业生产中必不可少的制造工具，每年模具的生产量和使用量都很大，而模具在使用过程中，不可避免的会产生磨损、开裂等问题，常见的模具修复方式有焊接修复，而焊接修复的过程中存在着：操作工人劳动强度大、作业效率低、工序复杂、浪费金属粉末材料、表面处理性能不高等缺陷。因而，提出一种更为合理的金属模具成形设计与制造方法，获得质量更高的金属模具，具有重要的研究意义。
发明内容
针对现有技术中模具加工制造中存在的上述不足，本发明的目的在于：提供一种金属模具3D打印激光微区处理方法，其具有：设计合理、操作方便、金属模具成形件机械性能可靠、加工和制造作业时间短、有效降低操作工人的劳动强度和加工成本等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
1.一种金属模具3D打印激光微区处理方法，其特征在于，该处理方法包括如下步骤：
1)数模分块化预处理阶段：根据金属模具尺寸设计要求，将待制作金属模具的数模进行分块化处理，将模具各部分分为两类：①第一类：此部分基材进行铣削加工出预设的空腔结构，并对空腔结构使用丙酮进行擦拭除油、光洁处理，此部分基材的长度、宽度和厚度的尺寸均为金属模具尺寸的1.2-2倍；②第二类：具有复杂形貌部分的基材,该基材适用于增材制造技术设计与制造；
2)建模分层模拟扫描阶段：对于上述第二类基材部分，在计算机上利用CAD三维制图软件对模具的STL三维模型进行切片分层处理，层厚为0.3-3mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；根据金属模具每层切片不同位置处的机械性能的要求，模拟扫描出该不同位置处的微区域；其中，该机械性能包括表面硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳裂纹扩展性；
3)激光熔覆沉积成形阶段：将不同金属粉末按配比使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的复合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头和激光器的送粉速率和送粉量、启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对上述步骤2)中的逐层切片分层进行激光熔覆沉积成形；其中，在第一层切片分层进行激光熔覆沉积后，对该层切片分层中的微区域进行二次激光表面淬火强化处理，当完成该切片分层微区域的二次激光表面处理后，再进行第二层切片分层激光熔覆沉积和该第二层切片分层中微区域的二次激光表面淬火强化处理，以此类推，完成所有切片分层的激光熔覆成形，形成金属模具成形件；
4)后处理阶段：将成形的金属模具取出，对成形后的金属模具进行热处理、抛光或者机加处理。对成形模具的设定区域进行硬度、耐磨强度和耐蚀性进行检测。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤3)中的激光熔覆时激光器采用CO2激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝3000-4000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti、WC中的一种或者组合。
作为上述技术方案的进一步改进，上述步骤3)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤3)中的二次激光表面淬火处理时激光器的功率为1000-3000W、光斑直径D＝0.5-2mm、扫描速度0.5-2m/min，搭接率为20-30％。
与现有技术中的金属模具成形制造技术相比，采用本发明一种金属模具3D打印激光微区处理方法具有如下有益效果：
(1)本发明提出对于金属模具首先进行数模分块化预处理，将模具各部分分为两类，其中第一类采用传统加工制造方法，第二类采用采用激光熔覆和激光表面微区域淬火强化处理相结合的方法，设计合理、加工和制造作业时间短、有效地降低加工成本。
(2)采用激光熔覆和激光表面微区域淬火强化处理相结合，有效降低了金属模具的制造和加工时间，提高了作业效率，降低了操作工人的劳动强度和加工成本。
(3)金属模具成形件的机械性能(表面硬度、耐磨性、耐蚀性、抗疲劳裂纹扩展性能等)明显得到提高，模具的使用寿命也相继延长，降低了模具的消耗。
(4)该方法设计合理，并且具有广泛的适用性。
附图说明
附图1为本发明一种金属模具3D打印激光微区处理方法的简单流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种金属模具3D打印激光微区处理方法的具体步骤作以详细说明。
本发明一种金属模具3D打印激光微区处理方法包括如下步骤：
1)数模分块化预处理阶段：根据金属模具尺寸设计要求，将待制作金属模具的数模进行分块化处理，将模具各部分分为两类：①第一类：此部分基材进行铣削加工出预设的空腔结构，并对空腔结构使用丙酮进行擦拭除油、光洁处理，此部分基材的长度、宽度和厚度的尺寸均为金属模具尺寸的1.2-2倍；②第二类：具有复杂形貌部分的基材,该基材适用于增材制造技术设计与制造；
2)建模分层模拟扫描阶段：对于上述第二类基材部分，在计算机上利用CAD三维制图软件对模具的STL三维模型进行切片分层处理，层厚为0.3-3mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；根据金属模具每层切片不同位置处的机械性能的要求，模拟扫描出该不同位置处的微区域；其中，该机械性能包括表面硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳裂纹扩展性；
3)激光熔覆沉积成形阶段：将不同金属粉末按配比使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的复合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头和激光器的送粉速率和送粉量、启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对上述步骤2)中的逐层切片分层进行激光熔覆沉积成形；其中，在第一层切片分层进行激光熔覆沉积后，对该层切片分层中的微区域进行二次激光表面淬火强化处理，当完成该切片分层微区域的二次激光表面处理后，再进行第二层切片分层激光熔覆沉积和该第二层切片分层中微区域的二次激光表面淬火强化处理，以此类推，完成所有切片分层的激光熔覆成形，形成金属模具成形件；
4)后处理阶段：将成形的金属模具取出，对成形后的金属模具进行热处理、抛光或者机加处理。对成形模具的设定区域进行硬度、耐磨强度和耐蚀性进行检测。
所述的步骤3)中的激光熔覆时激光器采用CO2激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝3000-4000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。
所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti、WC中的一种或者组合。
上述步骤3)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
所述步骤3)中的二次激光表面淬火处理时激光器的功率为1000-3000W、光斑直径D＝0.5-2mm、扫描速度0.5-2m/min，搭接率为20-30％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金属模具3D打印激光微区处理方法，其特征在于，该处理方法包括如下步骤：
1）数模分块化预处理阶段：根据金属模具尺寸设计要求，将待制作金属模具的数模进行分块化处理，将模具各部分分为两类：第一类：此部分基材进行铣削加工出预设的空腔结构，并对空腔结构使用丙酮进行擦拭除油、光洁处理，此部分基材的长度、宽度和厚度的尺寸均为金属模具尺寸的1.2-2倍；第二类：具有复杂形貌部分的基材,该基材适用于增材制造技术设计与制造；
2）建模分层模拟扫描阶段：对于上述第二类基材部分，在计算机上利用CAD三维制图软件对模具的STL三维模型进行切片分层处理，层厚为0.3-3mm；计算机控制系统控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；根据金属模具每层切片不同位置处的机械性能的要求，模拟扫描出该不同位置处的微区域；其中，该机械性能包括表面硬度、韧性、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳裂纹扩展性；
3）激光熔覆沉积成形阶段：将不同金属粉末按配比使用混粉机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的混合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；计算机控制系统控制3D打印机送粉器喷头和激光器的送粉速率和送粉量、启动激光器和惰性气体保护气体供气装置，对上述步骤2）中的切片分层进行激光熔覆沉积成形；其中，在第一层切片分层进行激光熔覆沉积后，对该层切片分层中的微区域进行二次激光表面淬火强化处理，当完成该切片分层微区域的二次激光表面处理后，再进行第二层切片分层激光熔覆沉积和该第二层切片分层中微区域的二次激光表面淬火强化处理，以此类推，完成所有切片分层的激光熔覆成形，形成金属模具成形件；
4）后处理阶段：将成形的金属模具取出，对成形后的金属模具进行热处理、抛光或者机加处理；对成形模具的设定区域的硬度、耐磨强度和耐蚀性进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种金属模具3D打印激光微区处理方法，其特征在于：所述的激光熔覆时激光器采用CO2激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P=1000-5000W，光斑直径D=2-8mm，扫描速度V=2-3m/min，搭接率为30-40%。
3.根据权利要求1所述的一种金属模具3D打印激光微区处理方法，其特征在于：所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti、WC中的一种或者组合。
4.根据权利要求1所述的一种金属模具3D打印激光微区处理方法，其特征在于：上述步骤3）中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
5.根据权利要求2所述的一种金属模具3D打印激光微区处理方法，其特征在于：所述步骤3）中的二次激光表面淬火处理时CO2激光器的功率为1000-3000W、光斑直径D=0.5-2mm、扫描速度0.5-2m/min，搭接率为20-30%。
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