CN106807944B - 一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法 - Google Patents

一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高能束增材制造相关技术领域，并公开了一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其包括：(a)选择作为待加工对象的倾斜结构，并生成对应的原始模型；此外，将该原始模型中保留有倾斜结构下表面附近区域的部位予以分离，由此还获得反映该下表面倾斜特征信息的特性模型；(b)根据所述特征模型，采用低能量密度增材制造热源来预加工形成粉末烧结体；然后在所形成的粉末烧结体基础上，继续根据所述原始模型采用高能量密度增材制造热源行加工，熔化形成致密化实体，由此获得所需的倾斜结构产品。通过本发明，可消除或显著减轻倾斜结构下表面“挂渣”缺陷，促使其微观结构均匀化，同时还有助于进一步提高尺寸精度、表面质量和力学性能等。

Description

一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法
技术领域
本发明属于高能束增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其适于在高效率、高精度制造倾斜结构的同时，还能够有效改善其下部“挂渣”、微观组织不均匀等现象，有助于提高表面质量、尺寸精度和力学性能等。
背景技术
在航空航天、汽车、化学化工、医疗等领域中，往往需要使用到譬如三维点阵、内流道之类的倾斜零件结构，其具体倾斜角度根据需求可在0°～90°之间变化。基于粉末床增材制造技术能够直接从三维CAD模型和粉末逐层制造出实体零件，具有数字化成形、无需模具、材料利用率高、研发周期短、理论上可成形任意复杂形状零件、设计自由度高等优点，可以复杂点阵结构设计和制造提供一种新途径并使得这类结构在未来获得越来越多的广泛应用。。
然而，目前基于粉末床增材制造工艺来加工倾斜结构的过程仍存在下列问题：一方面，相邻层之间存在层间偏移量，使得同一层在成形时一部分以粉体为支撑，一部分以实体为支撑。粉体和实体的热物理性质如热导率、对激光吸收率等通常存在巨大差异，导致同一层实体支撑区域和粉体支撑区域吸收的能量以及由热传导散失的能量并不相同，同一层不同区域的温度场、熔池所受的力差异很大，因此导致微观组织不均匀，影响其力学性能的均匀性；另一方面，粉末支撑区域材料熔化所形成的金属液体在重力和毛细力共同作用下，易渗入粉末颗粒之间的间隙产生挂渣，从而造成倾斜结构成形件表面质量和尺寸精度变差。该现象在倾斜角度较小时尤为明显。因而在此情况下，如何获得高质量的倾斜结构，正构成为基于粉末床增材制造技术应用于复杂结构制造中面临的技术难点之一。
发明内容
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其中通过结合倾斜结构自身的构造特点及增材制造工艺特征，针对性提出将其划分为特征模型和原始模型、并采用不同的工艺操作及关键参数先后执行增材制造加工，相应与现有技术相比可消除或显著减轻倾斜结构下表面“挂渣”缺陷，促使其微观结构均匀化，同时还有助于进一步提高尺寸精度、表面质量和力学性能等。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)选择作为待加工对象的倾斜结构，并生成对应的原始模型；此外，将该原始模型中保留有倾斜结构下表面附近区域的部位予以分离，由此还获得反映该下表面倾斜特征信息的特性模型；
(b)首先根据所述特征模型，采用功率设定为30W～10W、扫描速度设定为1500mm/s～3000mm/s的低能量密度增材制造热源来预加工形成呈粉末烧结体形式的预烧结区域；然后，在所形成的预烧结区域的基础上，继续根据所述原始模型，采用功率设定为150W～300W、扫描速度设定为1000mm/s～2600000mm/s的高能量密度增材制造热源进行加工，并使其与所述预烧结区域熔化成一体形成致密化实体，由此获得所需的倾斜结构产品。
通过以上构思，由于预先加工形成有烧结体，测试表明可大幅度消除粉末颗粒之间的间隙，这样一方面有效抑制了采用高能量密度加工过程中熔化金属液在重力或者毛细力作用下渗入粉末之间间隙的问题，相应可消除或显著改善“挂渣”缺陷的形成；另一方面，还可以减小该区域对激光的吸收率，使得倾斜结构在成形过程中处于同一层的粉体支撑区域和实体支撑区域吸收能量的差异减小，弱化了加工过程中的倾斜结构同一层的不同区域存在的物理性质差异。从最终所获得成品特性看，可明显改善金属点阵结构的表面质量，提高了成形件的尺寸精度和力学性能。
作为本发明进一步的优选方案，在步骤(a)中，所述特征模型与所述原始模型中的对应部位保持重合。
作为本发明进一步的优选方案，在步骤(b)中，对于所述粉末烧结体而言，优选采用功率设定为50W～70W、扫描速度设定为1500mm/s～2000mm/s的低能量密度增材制造热源来执行预加工，并且其层厚优选被设定为20μm～30μm。
作为本发明进一步的优选方案，在步骤(b)中，对于所述粉末烧结体而言，优选采用功率设定为50W、扫描速度设定为1500mm/s的低能量密度增材制造热源来执行预加工，并且其层厚优选被设定为25μm。
作为本发明进一步的优选方案，在步骤(b)中，对于所述致密化实体而言，优选采用功率设定为200W～250W、扫描速度设定为1400mm/s～2000mm/s的高能量密度增材制造热源来形成，并且其层厚优选被设定为20μm～30μm。
作为本发明进一步的优选方案，在步骤(b)中，对于所述致密化实体而言，优选采用功率设定为200W、扫描速度设定为1800mm/s的高能量密度增材制造热源来形成，并且其层厚优选被设定为25μm。
作为本发明进一步的优选方案，在步骤(b)中，所述低能量密度增材制造热源优选为激光，并采用直线光栅方式执行扫描。
作为本发明进一步的优选方案，在步骤(b)中，所述高能量密度增材增长热源优选为激光，并采用直线光栅方式执行扫描。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，所获得的倾斜结构产品整体微观组织均匀化，并且其下部基本不具备挂渣缺陷。尺寸误差可控制在1-5um，。
作为本发明进一步的优选方案，所述倾斜结构譬如为八面体三维点阵结构、内流道或其他类似结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过将倾斜结构零件模型划分为原始模型和保留有该原始模型下表面区域特征的特征模型，并对两者针对性采用不同的工艺操作来先后执行增材制造加工，相应可大幅度消除粉末颗粒之间的间隙，由此不仅能够有效抑制“挂渣”缺陷的形成，而且还有助于改善金属点阵结构的表面质量，提高成形件的尺寸精度和力学性能；
2、本发明还对针对原始模型和特征模型的关键工艺参数作出了进一步的优选设计，较多的实际测试表明，其能够有效减少粉末支撑层对激光的吸收率，使得结构在成形过程中同一层的粉体支撑区域和实体支撑区域吸收能量的差异减小，同时弱化加工过程中的倾斜结构同一层的不同区域存在的物理性质差异；
3、按照本发明的工艺方法便于操控，实施成本低、并可有效解决采用基于粉末床增材制造技术来加工倾斜结构过程中存在的突出技术问题，因而尤其适用于譬如三维点阵结构、内流道之类的各类复杂倾斜结构。
附图说明
图1是按照本发明所构建的基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺的流程示意图；
图2是用于示范性显示具备上表面和下表面的倾斜结构原始模型的示意图；
图3是用于示范性显示倾斜结构特征模型的示意图；
图4是将倾斜结构原始模型和特征模型相重合后的示意图；
图5是更为具体地显示了以铝合金八面体三维点阵结构为例、按照本发明依次执行增材制造的示意图；
图6是更为具体地显示了以铝合金斜对角线单元体三维金属点阵结构为例、按照本发明依次执行增材制造的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明所构建的基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺的流程示意图。如图1中所示，该工艺主要包括下列流程步骤：
步骤a：选择作为待加工对象的倾斜结构，并生成对应的原始模型；除此之外，还将该原始模型中保留有倾斜结构下表面附近区域的部位予以分离，由此获得反映该下表面倾斜特征信息的特性模型；
步骤b：先根据所述特征模型，采用功率优选设定为30W～70W、扫描速度优选设定为1500mm/s～2600mm/s的低能量密度增材制造热源来预加工形成粉末烧结体,其中研究表明，烧结体孔隙率优选控制在2—10％时可有效提高后期产品质量，并显著改善挂渣现象；然后，在所形成的粉末烧结体基础上，继续根据所述原始模型，采用功率优选设定为150W～300W、扫描速度优选设定为1000mm/s～2600mm/s的高能量密度增材制造热源进行加工，并将其与预烧结区域熔化成一体形成致密化实体，由此获得所需的倾斜结构产品。
更具体地，如图2中所示，对应于待加工倾斜结构所生成的原始模型1具备上表面2和下表面3，上、下表面之间具备粉末4，该原始模型可以被导出并譬如保存为STL文件。
接着，在图2所生成的原始模型1的基础上，譬如可按照1/2或其他适合的比例，继续将保留有下表面3附近区域分离出来构成带有下表面特征信息的特征模型，并同样可导出成STL文件。如图3中所示，该特征模型5同样具备上表面6和下表面7，在上、下表面之间具备粉末4。
接着，将原始模型1和特征模型5进行处理，使得下表面3和下表面7位置重合，同时保存两模型文件，相应获得如图4所示的构造。
最后，在增材制造操作过程中，依照原始模型1和处理后的特征模型为基础，预先采用低能量密度参数来加工处理后的特征模型5形成粉末烧结体并且减小粉末颗粒之间的间隙，将烧结体孔隙率控制在2-10％，然后采用高能量密度参数来加工原始模型1来继续形成致密化实体，从而获得层间冶金结合良好的致密的实体零件，并且该零件具备高尺寸精度、高表面质量和优异的力学性能。
下面将结合具体实施例来进一步解释按照本发明的测试系统的工作过程。
实施例1
该实施例1用于制备铝合金八面体三维点阵结构。如图5所示，原始模型对应于单元体支杆垂直截面为1mm×1mm正方形原始图形处于最左侧，特征模型对应于中间图形，最右侧则对应进行移动重合后的特征模型。
该实施例可采用激光选区熔化加工，具体包括以下步骤：
(1)处理铝合金八面体三维点阵结构原始模型，得到带有支杆下表面特征信息，垂直截面为弦长为0.4mm×1mm的矩形的特征模型，对这两个模型进行，使两模型对应位置重合，然后保存两模型。
(2)处理后的模型贝导入加工控制系统，并设置如下的加工工艺参数：
原始模型加工工艺参数：激光功率：150W～300W、优选200W；层厚：20—30um；扫描速度：1000—2600mm/s；扫描方式：直线光栅；特征模型加工工艺参数:激光功率：30W～70W，优选50W；层厚：20—30um；扫描速度：1500-3000mm/s。整个加工过程先加工特征模型后加工原始模型，逐层加工，直至零件加工完成。
实施例2
该实施例用于制备铝合金斜对角线单元体三维金属点阵结构。如图6所示，原始模型对应于单元体直径1mm，高度10mm的原始模型；特征模型对应于中间图形，最右侧则对应进行移动重合后的特征模型。
该实施例可采用激光选区熔化加工，具体包括以下步骤：
(1)处理斜对角线单元体三维金属点阵原始模型，得到带有支杆下表面特征信息，垂直截面为弦长为0.75mm的扇形的特征模型，对这两个模型进行，使两模型对应位置重合，然后保存两模型。
(2)处理后的模型被导入加工控制系统，并设置如下的加工工艺参数：
原始模型加工工艺参数：激光功率：150W～300W、优选200W；层厚：20—30um；扫描速度：1000—2600mm/s；扫描方式：直线光栅；特征模型加工工艺参数:激光功率：30W～70W，优选50W；层厚：20—30um；扫描速度：1500-3000mm/s。整个加工过程先加工特征模型后加工原始模型，逐层加工，直至零件加工完成。
综上，通过本发明所构建的工艺方法可有效解决倾斜结构下部“挂渣”技术难题，并改善微观组织不均匀性，提高其尺寸精度、表面质量和力学性能。该方法还能够有效提升采用基于粉末床高能束增材制造技术加工的倾斜结构件的表面质量和组织均匀性，并具备便于操控，节约成本，易于工程应用等优点，因而可广泛用于基于粉末床高能束增材技术制造加工倾斜结构的应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)选择作为待加工对象的倾斜结构，并生成对应的原始模型；此外，将该原始模型中保留有倾斜结构下表面附近区域的部位予以分离，由此还获得反映该下表面倾斜特征信息的特征模型；
(b)首先根据所述特征模型，采用功率设定为30W～100W、扫描速度设定为1500mm/s～3000mm/s的低能量密度增材制造热源来预加工形成呈粉末烧结体形式的预烧结区域；然后，在所形成的预烧结区域的基础上，继续根据所述原始模型，采用功率设定为150W～300W、扫描速度设定为1000mm/s～2600mm/s的高能量密度增材制造热源进行加工，并使其与所述预烧结区域熔化成一体形成致密化实体，由此获得所需的倾斜结构产品。
2.如权利要求1所述的一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述特征模型与所述原始模型中的对应部位保持重合。
3.如权利要求1或2所述的一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于所述粉末烧结体而言，采用功率设定为50W～70W、扫描速度设定为1500mm/s～2000mm/s的低能量密度增材制造热源来执行预加工，并且其层厚被设定为20μm～30μm。
4.如权利要求3所述的一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于所述粉末烧结体而言，采用功率设定为50W、扫描速度设定为1500mm/s的低能量密度增材制造热源来执行预加工，并且其层厚被设定为25μm。
5.如权利要求3所述的一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于所述致密化实体而言，采用功率设定为200W～250W、扫描速度设定为1400mm/s～2000mm/s的高能量密度增材制造热源来形成，并且其层厚被设定为20μm～30μm。
6.如权利要求5所述的一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于所述致密化实体而言，采用功率设定为200W、扫描速度设定为1800mm/s的高能量密度增材制造热源来形成，并且其层厚被设定为25μm。
7.如权利要求1或2所述的一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述低能量密度增材制造热源、高能量密度增材制造热源均为激光，并采用直线光栅方式执行扫描。
8.如权利要求1或2所述的一种基于粉末床的倾斜结构增材制造工艺方法，其特征在于，所述倾斜结构为三维点阵结构或者内流道结构。
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