CN106001568A - 一种梯度材料金属模具3d打印一体化制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，该制备方法包括如下步骤：1)CAD 3D建模阶段；2)计算配比阶段；3)送粉准备阶段；4)设置激光打印系统的阶段；5)3D打印阶段；6)金属模具后处理阶段：工控机分别控制料斗的金属粉末成分控制器和激光熔覆头的微量送粉器按照各分层切片的扫描路径分别进行控制送粉，送粉过程中，激光打印系统的激光熔覆头逐层对金属粉末进行激光熔覆处理，形成具有材料梯度的三维金属模具成形件。该制备方法具有操作方法简单易操作，精度高、制备成本低、制备时间短、模具使用寿命长、机械性能高、模具综合性能高等优点。

Description

一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法
技术领域
本发明涉及金属模具成型材料制造技术领域，尤其涉及一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法。
背景技术
梯度材料因其自身具有结构和性能在材料厚度或长度方向连续或者准确连续变化的特点，使其在材料技术领域中越来越被得到重视。目前，世界许多科研工作者、企业等高度重视并对其展开深入研究，截止目前已探索出一些基本的研究方法并制备出许多体系的梯度材料。常见的梯度材料制备工艺包括粉末成型制备法、物理气相沉积制备法、化学气相沉积制备法、等离子喷涂制备法、电镀法等；然而，这些制备工艺虽然有其自身的优点，但是也存在一些局限性，例如，粉末成型制备法中难以实现材料组分连续均匀变化，气相沉积制备法难以得到厚度大的材料等等。这些制备方法的工艺设备也较为复杂，制备工艺相对繁琐，另外，在制造过程中还存在贵重元素使用量浪费、精度不高、机械性能相对差等缺点。因而，提出一种新的制备方法克服上述缺陷具有重要的研究意义。
由于金属3D打印(增材制造)技术的优点，它在模具制造中具有明显的特点，既能实现应用金属复合材料制造模具，又能实现梯度材料模具的制造，展示了广泛的应用前景。
发明内容
针对现有技术中制备工艺存在上述不足，本发明的目的在于：提供一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，该制备方法具有操作方法简单易操作，精度高、制备成本低、制备时间短、模具使用寿命长、机械性能高、模具综合性能高等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)CAD 3D建模阶段：工作台上的工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的模具三维模型图进行分层切片处理得到每层切片材料组分信息和切片的周围轮廓轨迹，其中分层切片的厚度为10-100μm；根据每层切片材料组分信息和切片的周围轮廓轨迹信息，生成激光打印系统和送粉器的扫描路径；
2)计算配比阶段：工控机根据梯度材料的成分设计要求计算梯度金属模具不同位置处的组分配比，并将组分配比量输入至工控机中，工控机分别精确控制金属粉末成分控制器和微量送粉器的送粉比；
3)送粉准备阶段：将粒径为0.1-8μm金属粉末放置于球磨机上进行充分混合均匀，并置于烘干箱中进行烘干处理，其中烘干箱的温度控制在100-300℃范围内；金属粉末经过烘干处理后分别送入送粉器的料筒和激光打印系统的激光熔覆头中，该送粉器的料筒中还设置有金属粉末成分控制器，激光熔覆头上还设置有微量送粉器，该金属粉末成分控制器和微量送粉器分别与工作台上的工控机数据信号连接；
4)设置激光打印系统的阶段：该激光打印系统包括激光发生器和激光熔覆头；控制激光发生器的参数，其中，激光发生器的功率为100-800W、打印速率为0.05-0.1m/min，光斑直径为3-8mm，搭接率为10％-20％；打印过程中，惰性保护气体的气压为0.1-0.5MPa；
5)3D打印阶段：工控机分别控制料斗的金属粉末成分控制器和激光熔覆头的微量送粉器按照各分层切片的扫描路径分别进行控制送粉，送粉过程中，激光打印系统的激光熔覆头逐层对金属粉末进行激光熔覆处理形成三维金属模具成形件；
6)模具后处理阶段：3D打印后，获得具有材料梯度金属模具的坯件，同时对该坯件进行热处理，其中热处理的温度应当由材料的总成分确定；经过热处理后的坯件还应做表面光洁处理和精加工处理形成最终件。
作为上述技术方案的进一步优化，所述CAD 3D建模要求工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的模具三维模型图进行分层切片处理，得到的每层切片不仅有材料切片的周围轮廓轨迹信息，而且有各微区的组分信息；根据此各微区的组分信息，反馈至工控机，以便它能分别精确控制金属粉末成分控制器和微量送粉器的送粉比。
作为上述技术方案的进一步优化，所述金属粉末成分控制器采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式；金属粉末成分控制器包括分别设置在送粉器中与料斗数量相配的缸筒，所述缸筒中设置有不同成分的金属粉末，工控机根据所需金属粉末成分控制对应缸筒中的粉末量。
作为上述技术方案的进一步优化，所述的金属粉末包括铁、铜、镍、钴、钛、铝、锰中任一项或者其组合；所述惰性保护气体为氮气、氩气或者其它稀有气体。
作为上述技术方案的进一步优化，所述工作台上还设置有金属粉末回收装置和工作台高度调节装置，其中金属粉末回收装置包括设置在送粉器料斗下的回收盒；所述工作台高度调节装置包括螺纹调节式伸缩套筒。
与现有技术中的常见制备方法相比，采用本发明的制备方法具有如下优异效果：
(1)制得的金属模具成形件精度大大提高，耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性等机械性能大幅度改善。
(2)操作工艺较为简单，金属模具制备周期大大缩短，制得的金属模具使用寿命也大大提高。
(3)通过宏观上的金属粉末控制器和微观上微量送粉器的送粉量控制，有效节省了贵重元素的使用量，从而降低了制备成本。
(4)通过在工控台上设置的金属粉末回收装置和工控台高度调节装置，一方面对回收金属粉末作了有效改善，另一方面通过简单易行的操作方式对工控台地设置更加人性化和提高了装置的适用性。
附图说明
附图1为本发明梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法作具体说明。
一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)CAD 3D建模阶段：工作台上的工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的模具三维模型图进行分层切片处理得到每层切片材料组分信息和切片的周围轮廓轨迹，其中分层切片的厚度为10-100μm；根据每层切片材料组分信息和切片的周围轮廓轨迹信息，生成激光打印系统和送粉器的扫描路径；
2)计算配比阶段：工控机根据梯度材料的成分设计要求计算梯度金属模具不同位置处的组分配比，并将组分配比量输入至工控机中，工控机分别精确控制金属粉末成分控制器和微量送粉器的送粉比；
3)送粉准备阶段：将粒径为0.1-8μm金属粉末放置于球磨机上进行充分混合均匀，并置于烘干箱中进行烘干处理，其中烘干箱的温度控制在100-300℃范围内；金属粉末经过烘干处理后分别送入送粉器的料筒和激光打印系统的激光熔覆头中，该送粉器的料筒中还设置有金属粉末成分控制器，激光熔覆头上还设置有微量送粉器，该金属粉末成分控制器和微量送粉器分别与工作台上的工控机数据信号连接；
4)设置激光打印系统的阶段：该激光打印系统包括激光发生器和激光熔覆头；控制激光发生器的参数，其中，激光发生器的功率为100-800W、打印速率为0.05-0.1m/min，光斑直径为3-8mm，搭接率为10％-20％；打印过程中，惰性保护气体的气压为0.1-0.5MPa；
5)3D打印阶段：工控机分别控制料斗的金属粉末成分控制器和激光熔覆头的微量送粉器按照各分层切片的扫描路径分别进行控制送粉，送粉过程中，激光打印系统的激光熔覆头逐层对金属粉末进行激光熔覆处理形成三维金属模具成形件；
6)模具后处理阶段：3D打印后，获得具有材料梯度金属模具的坯件，同时对该坯件进行热处理，其中热处理的温度应当由材料的总成分确定；经过热处理后的坯件还应做表面光洁处理和精加工处理形成最终件。
所述CAD 3D建模要求工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的模具三维模型图进行分层切片处理，得到的每层切片不仅有材料切片的周围轮廓轨迹信息，而且有各微区的组分信息；根据此各微区的组分信息，反馈至工控机，以便它能分别精确控制金属粉末成分控制器和微量送粉器的送粉比。
所述金属粉末成分控制器采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式；金属粉末成分控制器包括分别设置在送粉器中与料斗数量相配的缸筒，所述缸筒中设置有不同成分的金属粉末，工控机根据所需金属粉末成分控制对应缸筒中的粉末量。
所述的金属粉末包括铁、铜、镍、钴、钛、铝、锰中任一项或者其组合；所述惰性保护气体为氮气、氩气或者其它稀有气体。
所述工作台上还设置有金属粉末回收装置和工作台高度调节装置，其中金属粉末回收装置包括设置在送粉器料斗下的回收盒；所述工作台高度调节装置包括螺纹调节式伸缩套筒。
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)

1.一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)CAD 3D建模阶段：工作台上的工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的模具三维模型图进行分层切片处理得到每层切片材料组分信息和切片的周围轮廓轨迹，其中分层切片的厚度为10-100μm；根据每层切片材料组分信息和切片的周围轮廓轨迹信息，生成激光打印系统和送粉器的扫描路径；
2)计算配比阶段：工控机根据梯度材料的成分设计要求计算梯度金属模具不同位置处的组分配比，并将组分配比量输入至工控机中，工控机分别精确控制金属粉末成分控制器和微量送粉器的送粉比；
3)送粉准备阶段：将粒径为0.1-8μm金属粉末放置于球磨机上进行充分混合均匀，并置于烘干箱中进行烘干处理，其中烘干箱的温度控制在100-300℃范围内；金属粉末经过烘干处理后分别送入送粉器的料筒和激光打印系统的激光熔覆头中，该送粉器的料筒中还设置有金属粉末成分控制器，激光熔覆头上还设置有微量送粉器，该金属粉末成分控制器和微量送粉器分别与工作台上的工控机数据信号连接；
4)设置激光打印系统的阶段：该激光打印系统包括激光发生器和激光熔覆头；控制激光发生器的参数，其中，激光发生器的功率为100-800W、打印速率为0.05-0.1m/min，光斑直径为3-8mm，搭接率为10％-20％；打印过程中，惰性保护气体的气压为0.1-0.5MPa；
5)3D打印阶段：工控机分别控制料斗的金属粉末成分控制器和激光熔覆头的微量送粉器按照各分层切片的扫描路径分别进行控制送粉，送粉过程中，激光打印系统的激光熔覆头逐层对金属粉末进行激光熔覆处理形成三维金属模具成形件；
6)模具后处理阶段：3D打印后，获得具有材料梯度金属模具的坯件，同时对该坯件进行热处理，其中热处理的温度应当由材料的总成分确定；经过热处理后的坯件还应做表面光洁处理和精加工处理形成最终件。
2.根据权利要求1所述的一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，其特征在于：所述CAD 3D建模要求工控机内置有CAD三维建模软件并建立三维模型图，对所建立的模具三维模型图进行分层切片处理，得到的每层切片不仅有材料切片的周围轮廓轨迹信息，而且有各微区的组分信息；根据此各微区的组分信息，反馈至工控机，以便它能分别精确控制金属粉末成分控制器和微量送粉器的送粉比。
3.根据权利要求1所述的一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，其特征在于：所述金属粉末成分控制器采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式；金属粉末成分控制器包括分别设置在送粉器中与料斗数量相配的缸筒，所述缸筒中设置有不同成分的金属粉末，工控机根据所需金属粉末成分控制对应缸筒中的粉末量。
4.根据权利要求1所述的一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，其特征在于：所述的金属粉末包括铁、铜、镍、钴、钛、铝、锰中任一项或者其组合；所述惰性保护气体为氮气、氩气或者其它稀有气体。
5.根据权利要求1所述的一种梯度材料金属模具3D打印一体化制备方法，其特征在于：所述工作台上还设置有金属粉末回收装置和工作台高度调节装置，其中金属粉末回收装置包括设置在送粉器料斗下的回收盒；所述工作台高度调节装置包括螺纹调节式伸缩套筒。
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