CN107552798A - 一种提高3d打印或电弧增材成形零件强度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法，涉及3D打印技术领域。本发明是为了解决现有的采用3D打印或电弧增材的方式制作成形制品，制品的层内和层与层之间存在因冷却不一致性而产生的层间残余应力，随着3D打印叠层的不断增加，层内和层间残余应力不断累积，导致层内和层间结合力弱，极易造成构件变形、开裂的问题。借助超声振动，使用3D打印或电弧增材技术制作成形零件过程中，每打印一层或者多层零件表面厚度，采用超声振动消除应力的方式直接作用于3D打印零件最新成形的零件表面，使零件表面发生微塑性变形，释放零件表面中的每层层内和相邻层之间的残余应力。它用于消除成形零件中的每层内及相邻层间残余应力，提高零件强度。

Description

一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法。属于3D打印技术领域。

背景技术

传统3D打印技术及电弧增材成形零件，采用逐层铺粉、送粉、送丝的方式，逐层对粉体、丝材进行熔化、快速烧结、快速凝固，实现增材制造的目的。

现有3D打印及电弧增材成形的制品可以看做由多个平面层叠加、摞放在一起的层状结构。层内和层与层之间必然存在因冷却不一致性而产生的层间残余应力，随着3D打印叠层的不断增加，层内与层间残余应力不断累积，极易造成构件变形，尤其是大尺寸构件残余内应力极大且应力状态不稳定，层内和层与层之间必然因烧结应力取向而存在不同层内和层间的原子间结合力弱于正常键和的原子间的结合力，构件变形、开裂趋势更大。

发明内容

本发明是为了解决现有的采用3D打印或电弧增材的方式制作成形制品，制品的层内和层与层之间存在因冷却不一致性而产生的层间残余应力，随着3D打印叠层的不断增加，层内和层间残余应力不断累积，导致层内和层间结合力弱，极易造成构件变形、开裂的问题。现提供一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法。

一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、使用3D打印或电弧增材技术，打印m层零件表面厚度后，停止打印，m为1～2000的正整数；

步骤二、根据打印零件的材质和零件待打印层的有效壁厚，选用相应超声频率的超声振动装置，根据每次零件待打印层的有效壁厚，选用超声振动装置的冲击针、冲击片或特殊设计的冲击冲头的尺寸，调整好超声振动冲击装置后，采用超声振动冲击装置对步骤一中最新打印成形的m层零件表面厚度进行超声振动，使最新打印成形的m层零件表面厚度发生微塑性变形，消除步骤一中m层零件表面厚度中的每层内及相邻层间的应力；

步骤三、完成超声振动后，使用3D打印或电弧增材技术在m层零件表面厚度上继续打印n层零件表面厚度，n为1～2000的正整数，n根据本次打印的零件表面厚度的有效壁厚进行选择；

步骤四、按照步骤二的方式对步骤三形成的零件表面厚度进行超声振动，消除步骤三中最新打印成形的n层零件表面厚度中的每层内及相邻层间应力；

步骤五、重复操作步骤三至步骤四，每打印出1层或者多层，对最新打印成形的1层或者多层进行一次每层内及相邻层间消除应力处理，直到零件打印或者制作成形，对最后打印出的1层或者多层零件表面厚度进行最后一次超声振动，消除最后1层或者多层零件表面厚度中的每层内及相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作。

本发明的有益效果为：

本申请借助超声振动，使用3D打印或电弧增材技术制作成形零件过程中，每打印(1～2000)层，采用超声振动消除应力的方式直接作用于3D打印零件最新成形的零件表面，使零件表面发生微塑性变形，并释放零件表面中的每层层内和相邻层之间的残余应力。

然后交替进行“3D打印——在最新打印出的零件表面进行超声振动，消除应力”的过程，完成3D打印零件的构建过程。

本申请的制作成形零件的过程显著提高了3D打印层间界面原子及层内原子间的结合力，提高了成形零件的强度，大幅降低3D打印零件的变形与开裂倾向的同时，提升3D打印制品的综合力学性能。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、使用3D打印或电弧增材技术，打印m层零件表面厚度后，停止打印，m为1～2000的正整数；

步骤二、根据打印零件的材质和零件待打印层的有效壁厚，选用相应超声频率的超声振动装置，根据每次零件待打印层的有效壁厚，选用超声振动装置的冲击针、冲击片或特殊设计的冲击冲头的尺寸，调整好超声振动冲击装置后，采用超声振动冲击装置对步骤一中最新打印成形的m层零件表面厚度进行超声振动，使最新打印成形的m层零件表面厚度发生微塑性变形，消除步骤一中m层零件表面厚度中的每层内及相邻层间的应力；

步骤三、完成超声振动后，使用3D打印或电弧增材技术在m层零件表面厚度上继续打印n层零件表面厚度，n为1～2000的正整数，n根据本次打印的零件表面厚度的有效壁厚进行选择；

步骤四、按照步骤二的方式对步骤三形成的零件表面厚度进行超声振动，消除步骤三中最新打印成形的n层零件表面厚度中的每层内及相邻层间应力；

步骤五、重复操作步骤三至步骤四，每打印出1层或者多层，对最新打印成形的1层或者多层进行一次每层内及相邻层间消除应力处理，直到零件打印或者制作成形，对最后打印出的1层或者多层零件表面厚度进行最后一次超声振动，消除最后1层或者多层零件表面厚度中的每层内及相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作。

本实施方式中，m和n为相同值或者不同值。根据待打印零件的几何结构设置首次需要打印的层数，接下来每次需要打印的层数，根据本次待打印的零件表面厚度的有效壁厚度进行设置，如果本次打印出的零件表面厚度的有效壁薄，那么此次打印的层数比上次少，如果本次打印出的零件表面厚度的有效壁厚，那么此次打印的层数比上次多。

每打印完一层或者多层零件表面厚度后，需要采用超声振动冲击装置对打印成形的一层或者多层零件表面厚度进行超声振动，其中，超声振动冲击装置的冲击针、冲击片或冲头的尺寸根据待打印成形的一层或者多层零件的有效壁厚进行选择，如果待打印成形的一层或者多层零件的有效壁薄，则选用尺寸小的冲击针、冲击片或冲击冲头，如果打印成形的一层或者多层零件的有效壁厚，则选用尺寸大的冲击针、冲击片或冲击冲头。

本实施方式中，有效壁厚为每次打印的零件表面厚度中最薄处的厚度。

3D打印方式包括：电子束选区熔化/烧结、电子束熔丝沉积、激光选区熔化/烧结、激光熔融沉积、等离子弧熔丝沉积、等离子弧选区熔化/烧结或电弧增材制造。

当3D打印或电弧增材成形的零件尺寸较大时，可采取边增材成形、边振动超声的方式消除应力。本申请首先打印m层零件表面厚度，在m层零件表面最后一层形成过程中，同时对该表面层进行超声振动以消除m层中的每层内和相邻层间的应力，超声振动的过程中，可以同步在已完成超声振动的区域进行增材制造新的零件表面厚度。前提条件是增材成形过程与待超声振动消除应力工序不能产生工艺相干性。

实施例：

使用3D打印进行铺粉激光选区烧结(SLS)成形某铝合金翼板800mm×300mm×20mm，

所述方法包括以下步骤：

步骤一、选区铺粉烧结3D打印3层构造表面厚度后，停止打印；

步骤二、选用超声频率为40000Hz，激光振动冲击针直径为1.0mm的超声振动装置，调整完超声振动装置后，使用超声振动冲击针对步骤一中的构造表面厚度进行超声振动，使表面发生微塑性变形，消除3层构造表面厚度中每层内和相邻层间的应力；

步骤三、完成超声振动后，在3层构造表面厚度上继续进行3D打印3层构造表面，打印完成后，停止打印；

步骤四、由于该翼板最薄处的有效壁厚在10mm以上，继续使用直径的激光振动冲击针进行超声振动消除应力处理；

步骤五、重复操作步骤三至步骤四，每打印出3层，对3层进行一次层内和层间消除应力处理，直到零件打印或者制作成形，对最后打印出的k层构造表面进行最后一次超声振动，k为小于等于3的正整数，消除最后k层构造表面厚度中每层内和相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作。

通过本发明所使用的全过程超声振动耦合3D打印方式，可以有效消除翼板的残余应力，翼板的变形趋势减小，翼板未开裂且强度得到改善，取得了良好的效果。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法作进一步说明，本实施方式中，超声频率为40000Hz。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法作进一步说明，本实施方式中，超声振动设备的冲击针的直径为1.0mm。

Claims (3)

1.一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、使用3D打印或电弧增材技术，打印m层零件表面厚度后，停止打印，m为1～2000的正整数；

步骤二、根据打印零件的材质和零件待打印层的有效壁厚，选用相应超声频率的超声振动装置，根据每次零件待打印层的有效壁厚，选用超声振动装置的冲击针、冲击片或特殊设计的冲击冲头的尺寸，调整好超声振动冲击装置后，采用超声振动冲击装置对步骤一中最新打印成形的m层零件表面厚度进行超声振动，使最新打印成形的m层零件表面厚度发生微塑性变形，消除步骤一中m层零件表面厚度中的每层内及相邻层间的应力；

步骤三、完成超声振动后，使用3D打印或电弧增材技术在m层零件表面厚度上继续打印n层零件表面厚度，n为1～2000的正整数，n根据本次打印的零件表面厚度的有效壁厚进行选择；

步骤四、按照步骤二的方式对步骤三形成的零件表面厚度进行超声振动，消除步骤三中最新打印成形的n层零件表面厚度中的每层内及相邻层间应力；

步骤五、重复操作步骤三至步骤四，每打印出1层或者多层，对最新打印成形的1层或者多层进行一次每层内及相邻层间消除应力处理，直到零件打印或者制作成形，对最后打印出的1层或者多层零件表面厚度进行最后一次超声振动，消除最后1层或者多层零件表面厚度中的每层内及相邻层间的应力，从而完成成形零件的制作。

2.根据权利要求2所述的一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法，其特征在于，超声频率为40000Hz。

3.根据权利要求3所述的一种提高3D打印或电弧增材成形零件强度的方法，其特征在于，超声振动设备的冲击针的直径为1.0mm。