CN107552788A - 用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，当零件满足一定前提条件时，可以牺牲零件下表面质量，来实现需要添加支撑而不添加支撑的目的，从而降低粉末消耗量，避免零件内部出现无法去除的支撑。包括以下步骤：a.确定零件模型的摆放形式与位置；b.添加零件模型的支撑；c.根据增材制造所采用的设备的类型，对零件模型的支撑进行相应的处理；d.根据材料的种类以及铺粉的厚度，设计用于假烧结的参数；e.利用步骤d所生成的参数进行假烧结。

Description

用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体地涉及一种用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法。

背景技术

与激光选区熔化金属增材制造相比，电子束选区熔化金属增材制造有一个特性，即可以将粉床预热到很高温度，粉末会发生结块，然后电子束进行选区熔化成形。由于预热温度高，正在增材制造的零件内部温度梯度相对较小，相应地热应力也就小；并且由于粉末结块，对零件可以起到支撑和导热的作用，因此电子束选区金属增材制造模型处理时，零件中基本不需要添加支撑或只需要添加少量支撑，就可以进行增材制造。而激光选区熔化金属增材时，预热温度相对较低，金属粉末不会结块，同时零件内的温度梯度较大，热应力也就较大，因此零件悬臂梁结构、斜面结构和孔结构等存在下表面的位置超过某一门槛值时，必须添加支撑来传导热量、承载重量以及抵抗热应力变形，才能制造成形。

图1示意了几种需要添加支撑的零件的结构图。如图1所示，当零件模型的摆放位置确定后，在基板102上的零件101中的悬臂梁结构103、斜面结构104和孔结构105等存在下表面的位置超过某一门槛时，就需要添加支撑，来传导制造过程中产生的热量、承载零件的重量以及抵抗零件的热应力变形。但是，添加支撑会使增材制造过程的粉末消耗量增加，并且有些情况下，例如狭小空间或封闭空间内添加的支撑在零件制造出来后很难去除甚至无法去除。如果支撑去除不掉，就会影响零件的使用性能，甚至导致零件无法使用而报废。

针对上述问题，通常的解决方案是修改零件模型，以便于支撑去除或修改到无需添加支撑的形式。但是修改零件模型牵扯的方面太多，需要考虑零件的强度设计、可靠性、配合关系以及使用性能等是否仍然满足要求，对模型的设计人员来说工作量较大。因此，在不考虑修改零件模型的情况下，就需要其他的解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种改进型的烧结方案，即一种用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，当零件满足一定前提条件时，可以牺牲零件下表面质量，来实现需要添加支撑而不添加支撑的目的，从而降低粉末消耗量，避免零件内部出现无法去除的支撑。

本发明提供一种用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，包括以下步骤：a.确定零件模型的摆放形式与位置；b.添加零件模型的支撑；c.根据增材制造所采用的设备的类型，对零件模型的支撑进行相应的处理；d.根据材料的种类以及铺粉的厚度，设计用于假烧结的参数；e.利用步骤d所生成的参数进行假烧结。

根据本发明的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，当增材制造所采用的设备为具有下表面烧结参数的设备时，删除符合预定条件的相应位置的支撑；当增材制造所采用的设备为不具有下表面烧结参数的设备时，删除符合预定条件的相应位置的支撑，并且，在相应位置创建与支撑生成面相同形状并具有一定厚度的薄片，并与零件模型有一定的重叠量。

根据本发明的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，符合预定条件的相应位置是热应力小、支撑的主要作用为传递热量和承载重力的位置。

所述预定条件的区域的零件本身的强度和刚度足以抵抗该区域零件的热应力变形，而支撑结构只起到导热和承载重量的作用时，适用于本发明的假烧结方法。

根据本发明的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，薄片的厚度为0.2mm～0.5mm，重叠量为0.1mm～0.3mm。

根据本发明的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，将假烧结的能量密度调整为零件实体部分的能量密度的30％-80％之间。

根据本发明的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，将假烧结的能量密度调整为零件实体部分的能量密度的50％。

本发明提供了一种改进型的烧结方案，当零件满足条件：某区域零件本身的强度和刚度足以抵抗该区域零件的热应力变形，而支撑只起到导热和承载重量的作用时，可以采用本发明的假烧结法，在牺牲一定的零件下表面质量的情况下，实现如下效果：

1)需要添加支撑而不添加支撑，避免零件中出现无法去除的支撑；

2)缩短增材制造时间；

3)减少增材制造粉末消耗量。

附图说明

图1示意了几种需要添加支撑的零件的结构图；

图2(a)和图2(b)为能够应用本发明的假烧结方法的零件模型示例，其中，图2(a)为球壳结构，图2(b)为小角度斜面结构；

图3(a)～图3(d)示意了创建与零件下表面等形状且具有一定厚度的薄片的示例，其中，图3(a)为零件的结构示意图，图3(b)为薄片的示意图，图3(c)示意了薄片的厚度，图3(d)示意了零件与薄片的重叠尺寸；

图4示意了本发明实施例1的假烧结方法的流程图；

图5示意了本发明实施例2的假烧结方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的假烧结方法。需要说明的是，附图仅用于示例说明，不能理解为对本发明的限制。

本发明的实施方案的关键点在于零件模型的前期处理和烧结参数的确定。首先介绍本发明的适用条件：能够应用本发明的假烧结方法的零件中的相应位置是热应力较小、支撑的主要作用为传递热量和承载重力的位置。例如长度不超过5mm的悬臂梁结构、角度小于40°但大于20°的斜面结构、以及两端与零件稳固连接的长度不大于10mm的横梁结构。同时需要考虑零件的材质因素，热应力小的材质条件可适当放宽，热应力大的材质条件应适当收窄。满足上述前提条件才可以取消该位置的支撑，并应用本发明的烧结方案，否则零件容易因应力变形而导致打印失败。

图2(a)和图2(b)为能够应用本发明的假烧结方法的零件模型示例，其中，图2(a)为球壳结构，图2(b)为小角度斜面结构。图2(a)的球壳结构为面夹角从90°到0°的过渡结构，切片后的悬臂结构不会太长，并且已成形部分可以为要成形的部分提供刚度支撑，因此可以采用本发明的假烧结方法；图2(b)为小角度斜面结构，虽然角度小，但是属于两端固定的横梁结构，两端固定可以抵抗热应力变形，因此也可以采用本发明的假烧结方法。

以下通过两个实施例来介绍本发明的假烧结方法。

[实施例1]

图4示意了实施例1的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法的流程图。本实施例采用的是有下表面烧结参数的设备，比如EOS，采用Magics或其他3D打印模型前期处理软件。

在步骤S101，通过修复、方位调整后，确定零件模型的摆放形式与位置。

在步骤S102，自动或手动添加零件模型的支撑。

在步骤S103，删除符合预定条件的相应位置的支撑。预定条件也就是前面介绍本发明的适用条件时所提及的，即热应力小、支撑的主要作用为传递热量和承载重力的位置。

在步骤S104，设计用于假烧结的参数。

用于假烧结的参数，应当比烧结零件实体所采用的能量密度要小，使得被烧结的粉末不会完全融化，粉末部分融化相互粘连成为一个有一定强度和硬度的薄层，因此称为假烧结。该假烧结薄层可以起到导热和承载重量的作用，以此假烧结薄层为基础，上部的零件实体就可以顺利的出来。

不同种类材料以及同种材料不同铺粉厚度，其假烧结的烧结参数都是不同的，需要经过工艺试验进行摸索。通常情况下，假烧结的能量密度为零件实体部分能量密度的30％-80％之间。最直接的方式是将假烧结的能量密度定为实体部分能量密度的50％。

能量密度的计算公式为：

通常情况下，扫描间隔d和铺粉厚度T不会进行调整，激光功率P和激光扫描速度V对能量密度影响较大。因此，通常调整激光功率和激光扫描速度，将假烧结的能量密度调整为实体的能量密度的50％。可以定激光功率P，提高激光扫描速度V，也可以定激光扫描速度V，降低激光功率P，从而实现对假烧结的能量密度的调整。如果参数不合适，可以以此为基础略微调整，或通过正交实验进行系统性的摸索。

在步骤S105，利用以上步骤S104生成的参数进行假烧结。对于本实施例的采用有下表面烧结参数的设备，将假烧结参数输入到设备软件中，使之作用于零件模型的下表面。然后调整烧结顺序，优先进行假烧结。

[实施例2]

图5示意了实施例2的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法的流程图。本实施例采用的是没有下表面烧结参数的设备，比如ConceptLaser，采用Magics或其他3D打印模型前期处理软件。以下结合图3(a)～图3(d)介绍实施例2的假烧结方法。

在步骤S201，通过修复、方位调整后，确定零件模型的摆放形式与位置，如图3(a)所示，确定零件模型301的摆放形式与位置。

在步骤S202，自动或手动添加零件模型的支撑。

在步骤S203，删除符合预定条件的相应位置的支撑。预定条件也就是前面介绍本发明的适用条件时所提及的，的相应位置是热应力小、支撑的主要作用为传递热量和承载重力的位置。

在步骤S204，在删除支撑的相应位置创建与支撑生成面相同形状并具有一定厚度的薄片，并与零件模型有一定的重叠量。建议所生成的薄片的厚度为0.2mm～0.5mm，薄片与零件的重叠量为0.2mm。

图3(b)为薄片的示意图，图3(c)示意了薄片的厚度，图3(d)示意了零件与薄片的重叠尺寸。如图3(d)所示，303表示薄片的厚度，304表示零件与薄片的重叠尺寸。

在步骤S205，设计用于假烧结的参数。

用于假烧结的参数，应当比烧结零件实体所采用的能量密度要小，使得被烧结的粉末不会完全融化，粉末部分融化相互粘连成为一个有一定强度和硬度的薄层，因此称为假烧结。该假烧结薄层可以起到导热和承载重量的作用，以此假烧结薄层为基础，上部的零件实体就可以顺利的出来。

不同种类材料以及同种材料不同铺粉厚度，其假烧结的烧结参数都是不同的，需要经过工艺试验进行摸索。通常情况下，假烧结的能量密度为零件实体部分能量密度的30％-80％之间。最直接的方式是将假烧结的能量密度定为实体部分能量密度的50％。

能量密度的计算公式为：

通常情况下，扫描间隔d和铺粉厚度T不会进行调整，激光功率P和激光扫描速度V对能量密度影响较大。因此，通常调整激光功率和激光扫描速度，将假烧结的能量密度调整为实体的能量密度的50％。可以定激光功率P，提高激光扫描速度V，也可以定激光扫描速度V，降低激光功率P，从而实现对假烧结的能量密度的调整。如果参数不合适，可以以此为基础略微调整，或通过正交实验进行系统性的摸索。

在步骤S206，利用以上步骤S205生成的参数进行假烧结。对于本实施例的采用没有下表面烧结参数的设备，创建一个新的烧结策略并输入假烧结参数，将此烧结策略赋予给新建的薄片零件。然后调整烧结顺序，优先进行假烧结。

通过以上结合实施例的具体介绍可以得知，本发明提供了一种改进型的烧结方案，当零件内存在这样的区域时：需要添加支撑但添加支撑并增材制造出零件后支撑无法去除，零件中存在无法去除的支撑通常会影响零件的使用性能甚至导致报废，但是如果不添加支撑，零件又无法增材制造出来。面对此种矛盾，我们提出了以上所介绍的假烧结法。

当零件满足以下条件：某区域的零件本身的强度和刚度足以抵抗该区域零件的热应力变形，而支撑只起到导热和承载重量的作用。当满足此条件时，可以采用本发明的假烧结法，在牺牲一定的零件下表面质量的情况下，实现如下效果：

1)需要添加支撑而不添加支撑，避免零件中出现无法去除的支撑；

2)减少增材制造时间；

3)降低增材制造粉末消耗量。

以上记载了本发明的优选实施例，但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用，这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，包括以下步骤：

a.确定零件模型的摆放形式与位置；

b.添加零件模型的支撑；

c.根据增材制造所采用的设备的类型，对零件模型的支撑进行相应的处理；

d.根据材料的种类以及铺粉的厚度，设计用于假烧结的参数；

e.利用步骤d所生成的参数进行假烧结。

2.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，其中，

当增材制造所采用的设备为具有下表面烧结参数的设备时，删除符合预定条件的相应位置的支撑；当增材制造所采用的设备为不具有下表面烧结参数的设备时，删除符合预定条件的相应位置的支撑，并且，在该相应位置创建与支撑生成面相同形状并具有一定厚度的薄片，并与零件模型有一定的重叠量。

3.根据权利要求2所述的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，其中，

所述符合预定条件的相应位置是热应力小、支撑的主要作用为传递热量和承载重力的位置。

4.根据权利要求2所述的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，其中，

所述薄片的厚度为0.2mm～0.5mm，所述重叠量为0.1mm～0.3mm。

5.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，其中，

将假烧结的能量密度调整为零件实体部分的能量密度的30％-80％之间。

6.根据权利要求5所述的用于激光选区熔化金属增材制造的假烧结方法，其中，

将假烧结的能量密度调整为零件实体部分的能量密度的50％。