CN107552801A - 3d打印复合体金属构件的方法和复合体金属构件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D打印复合体金属构件的方法和复合体金属构件，其中，所述3D打印复合体金属构件的方法包括：S10、将第一金属构件放入3D打印机的工作台上；S20、以所述第一金属构件的顶部作为基座打印所述第二金属构件，所述第一金属构件和所述第二金属构件融合形成复合体金属构件。本发明所提供的一种3D打印复合体金属构件的方法通过在第一金属构件的顶部3D打印第二金属构件，实现了第一金属构件和第二金属构件的连接，减少了加工工序，降低了生产成本。

Description

3D打印复合体金属构件的方法和复合体金属构件

技术领域

本发明涉及3D打印领域，特别涉及一种3D打印复合体金属构件的方法和复合体金属构件。

背景技术

采用传统的数控机床、线切割、深孔钻等方式成型零件的内部结构与外部结构，仅限于完成直线型或有限长度曲线孔洞的零件成型，部分有复杂内部结构设计与制造需求的零件无法生产，通过3D打印可以精度较高地加工此类零件，但是3D打印成本较高，所以现有的零件成型中，常将零件的结构简单部分与内部结构复杂与制造需求高的部分分开加工，将前者采用传统加工方式成型，后者采用3D打印技术成型。

然而，利用传统的焊接工艺将两种金属或两部分钢材料焊接在一起，工序较长，加工成本较高。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种3D打印复合体金属构件的方法，旨在解决现有的内部结构复杂的零件拆分加工时工序较长，加工成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明提出的3D打印复合体金属构件的方法，包括：

S10、将第一金属构件放入3D打印机的工作台上；

S20、以所述第一金属构件的顶部作为基座打印所述第二金属构件，所述第一金属构件和所述第二金属构件融合形成复合体金属构件。

优选地，所述步骤S20具体包括：

S21、控制刮粉刀对所述工作台进行刮粉，使所述第一金属构件的顶部铺上一层金属粉末；

S22、对所述第一金属构件上的金属粉末进行激光烧结，同时向所述第一金属构件的表面吹氮气，以使所述金属粉末与所述第一金属构件的顶部融合；

根据3D打印数字模型文件重复所述S21和S22以使金属粉末与前一层金属粉末融合，直至所述第二金属构件成型。

优选地，在所述步骤S10之前，所述3D打印复合体金属构件的方法还包括：

S30、将第一金属构件可拆卸安装于所述工作台上。

优选地，所述步骤S30具体包括：

S31、用定位销将所述第一金属构件在所述工作台上定位；

S32、用螺钉将第一金属构件固定于所述工作台上。

优选地，第一金属构件的顶部具有打印面，所述打印面为平面。

优选地，所述第一金属构件的材料为模具钢，3D打印所述第二金属构件的原料粉末为粉末钢。

优选地，所述第一金属构件的材料为1.2344模具钢，3D打印所述第二金属构件的原料粉末为1.2709粉末钢。

优选地，在所述步骤S20中，3D打印所述第二金属构件的温度为2750℃-3250℃。

优选地，在所述步骤S20之后，所述3D打印复合体金属构件的方法还包括：

S40、将所述复合体金属构件进行回火处理，回火温度为480℃-500℃，

回火时长为5-7小时。

本发明还提出一种复合体金属构件，所述复合体金属构件由上所述的3D打印复合体金属构件的方法所制得，其中所述3D打印复合体金属构件的方法包括：

S10、将第一金属构件放入3D打印机的工作台上；

S20、以所述第一金属构件的顶部作为基座打印所述第二金属构件，所述第一金属构件和所述第二金属构件融合形成复合体金属构件。

本发明所提供的3D打印复合体金属构件的方法通过在第一金属构件1上3D打印第二金属构件2，通过3D打印第二金属构件2的时产生的高温融合第一金属构件1和第二金属构件2，实现同时加工和连接两金属构件，减少了加工工序，缩短了加工时间，降低了生产成本，且提高了零件之间的连接强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明3D打印复合体金属构件的方法一实施例的工艺流程图；

图2为本发明3D打印复合体金属构件的方法中步骤S20的的具体工艺流程图；

图3为本发明3D打印复合体金属构件的方法中步骤S30的的具体工艺流程图；

图4为本发明复合体金属构件的结构示意图；

图5为复合体金属构件进行夏比冲击试验韧性检测表。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	工作台	1	第一金属构件
2	第二金属构件

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种3D打印复合体金属构件的方法。

在本发明实施例中，如图4所示，该3D打印复合体金属构件的方法包括：

S10、将第一金属构件1放入3D打印机的工作台10上；

S20、以所述第一金属构件1的顶部作为基座打印所述第二金属构件2，所述第一金属构件1和所述第二金属构件2融合形成复合体金属构件。

在本实施例中，第二金属构件2在第一金属构件1的顶部3D打印成型，3D打印时产生的高温使金属粉末在烧结的同时和第一金属构件1的顶部融合。一般地，第一金属构件1内部结构较简单，内部结构为直线型或有限长度曲线孔洞的，第一金属构件1采用传统工艺加工成型，例如采用传统的数控机床、线切割、深孔钻等方式成型第一金属构件1的内部结构与外部结构，工艺较成熟，耗时较短，成本较低；而第二金属构件2内部结构较复杂，采用常规的加工方法很难实现。

第一金属构件1和第二金属构件2的材料很接近，在嫁接时不需要助溶剂，因此加工后，也不会有助溶剂的残留。若将第一金属构件1与第二金属构件2焊接，焊接焊料的成分、微观结构与机械强度都与模具钢较大差异，在焊接后整体受力、冲击时，零件通常都从焊接边界位置或焊料部分发生变形、断裂。在模具应用中，焊接位置因材料性能差异，导致注塑成型产品在焊接处出现表面差异性缺陷。焊接材料与钢材结合后，即使进行热处理也仍然不能改善两种材料的明显差异。

将3D打印成型复杂内部结构的第二金属构件2与低成本加工成型的第一金属构件1复合成型，避免了3D打印整个零件的高成本，同时，在加工第二金属构件2的同时完成与第一金属构件1的焊接，减少了加工工序，且两者的连接强度大于焊接的强度。

在将第一金属构件1安装于工作台10上之前，在工作台10上安装底板，将底板与工作台10定位并固定，再在底板上安装基座，将基座与底板定位并固定，在每个工件对应一个基座，再将第一金属构件1固定于基座上。固定完第一金属构件1后，调整工作台10的高度，使第一金属构件1位于刮粉刀之下，再调整工作台10的水平。

本发明所提供的3D打印复合体金属构件的方法通过在第一金属构件1上3D打印第二金属构件2，通过3D打印第二金属构件2的时产生的高温融合第一金属构件1和第二金属构件2，实现同时加工和连接两金属构件，降低了加工成本，提高了内部结构复杂的零件的加工精度，且提高了零件之间的连接强度。

进一步地，所述步骤S20具体包括：

S21、控制刮粉刀对所述工作台10进行刮粉，使所述第一金属构件1的顶部铺上一层金属粉末；

S22、对所述第一金属构件1上的金属粉末进行激光烧结，同时向所述第一金属构件1的表面吹氮气，以使所述金属粉末与所述第一金属构件1的顶部融合；

根据3D打印数字模型文件重复所述S21和S22以使金属粉末与前一层金属粉末融合，直至所述第二金属构件2成型。

在本实施例中，在开始3D打印之前，将工作区进行加热，避免激光烧结时温度剧变使工作区的部件发生裂变。加热完后，关闭舱门，向内充氮气，对3D打印的零件进行脱氧保护，防止氧化，一般地，到氧含量低于0.3％停止充氮气。

刮粉刀的长度大约为工作台10一侧边的长度，刮粉刀从工作台10的一侧向另一侧移动一次，刮粉一次，工作台10的顶面铺上一层金属粉末。铺完粉末后，开启激光器，激光器会依照第二金属构件2的结构逐层烧结金属粉末。烧结的同时，氮气进口会向3D打印的工作表面吹氮气，将3D打印产生的废烟和渣滓吹向氮气出口，防止废烟和渣滓融入第二金属构件2，造成其内部成分不纯净，力学强度会降低，而影响打印出的零件品质。

进一步地，在所述步骤S10之前，所述3D打印复合体金属构件的方法还包括：

S30、将第一金属构件1可拆卸安装于所述工作台10上。

在本实施例中，为防止第一金属构件1固定不稳定，需要将第一金属构件1安装与工作台10上。

进一步地，所述步骤S30具体包括：

S31、用定位销将所述第一金属构件1在所述工作台10上定位；

S32、用螺钉将第一金属构件1固定于所述工作台10上。

在本实施例中，需要在基座上和第一金属构件1上均开定位孔，在将定位销从基座的底部穿过基座插入第一金属构件1。基座上和第一金属构件1上均开有螺纹孔，将螺钉固定基座和第一金属构件1。

进一步地，第一金属构件1的顶部具有打印面，所述打印面为平面。在本实施例中，第一金属构件1的顶部可以为平面也可以为凹面，若第打印面为平面，激光烧结时，能完全烧结打印面上的金属粉末，第一层打印时，金属粉末烧结时也能完全和第一金属构件1融合，而避免有烧结不完全，导致第二金属构件2和第一金属构件1连接部稳固。

进一步地，所述第一金属构件1的材料为模具钢，3D打印所述第二金属构件2的原料粉末为粉末钢。

在本实施例中，第一金属构件1的材料和3D打印第二金属构件2的原料粉末材料应相近，才能很好的融合。

进一步地，所述第一金属构件1的材料为1.2344模具钢，3D打印所述第二金属构件2的原料粉末为1.2709粉末钢。

在本实施例中，当第一金属构件1的材料为1.2344模具钢，并且3D打印第二金属构件2的原料粉末为1.2709粉末钢时，两者打印完成后的连接处的韧性较高。实验选取3件加工成品作为样品，对每件样品进行夏比冲击实验以检测韧性，具体地，每件样品的测验处分别加工出V形槽和U形槽，将样品处于夏比冲击试验机上，使之处于简支梁状态，分别对V形槽和U形槽处进行冲击，通过冲断样品所产生的吸收功值，来判断韧性，吸收功值越大，样品韧性越大，吸收功值越小，样品韧性越小。如图5所示，为三组样品进行夏比冲击实验所产生的数据，三件样品分别为样品A、样品B和样品C，A1为在样品A的测验处开V形槽，A2为在样品A的测验处开U形槽，B1为在样品B的测验处开V形槽，B2为在样品B的测验处开U形槽，C1为在样品C的测验处开V形槽，C2为在样品C的测验处开U形槽，在常温下分别对该六处产品做冲击试验，得到六组吸收功值数据，从该六组吸收功值数据可知，产品的最低吸收功值为10.553J，要大于一般地焊接工艺做该试验的吸收功值，由此可见，三组样品的韧性较高，因此通过3D打印嫁接第一金属构件和第二金属构件，两者的连接强度较高。

进一步地，在所述步骤S20中，3D打印所述第二金属构件2的温度为2750℃-3250℃。

在本实施例中，温度为2750℃-3250℃时，较接近第一金属构件1和第二金属构件2的熔点，在此温度下，第一金属构件1和第二金属构件2融合后的连接强度较高，根据该所需温度，调节激光激的功率，实现第一金属构件1和第二金属构件2的高强度连接。

进一步地，在所述步骤S20之后，所述3D打印复合体金属构件的方法还包括：

S40、将所述复合体金属构件进行回火处理，回火温度为480℃-500℃，

回火时长为5-7小时。

在本实施例中，为消除第一金属构件1和第二金属构件2之间产生的应力，防止应力集中导致两构件的连接处产生疲劳裂纹而断裂，提高复合体金属构件的结构强度，对该结构进行回火调制，以消除应力集中。其中，回火温度为480℃-500℃，特别地，当温度为490℃时，回火后连接处的结构强度较高，且回火时长为5-7小时，优选地，回火6小时效果最佳。图5示出三组样品经过热处理前后且硬度的变化。

本发明还提出一种复合体金属构件，该复合体金属构件通过如上所述的3D打印复合体金属构件的方法制得，该3D打印复合体金属构件的方法的具体结构参照上述实施例，由于本复合体金属构件采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，包括：

S10、将第一金属构件放入3D打印机的工作台上；

S20、以所述第一金属构件的顶部作为基座打印所述第二金属构件，所述第一金属构件和所述第二金属构件融合形成复合体金属构件。

2.如权利要求1所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，所述步骤S20具体包括：

S21、控制刮粉刀对所述工作台进行刮粉，使所述第一金属构件的顶部铺上一层金属粉末；

S22、对所述第一金属构件上的金属粉末进行激光烧结，同时向所述第一金属构件的表面吹氮气，以使所述金属粉末与所述第一金属构件的顶部融合；

根据3D打印数字模型文件重复所述S21和S22以使金属粉末与前一层金属粉末融合，直至所述第二金属构件成型。

3.如权利要求1所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，在所述步骤S10之前，所述3D打印复合体金属构件的方法还包括：

S30、将第一金属构件可拆卸安装于所述工作台上。

4.如权利要求3所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，所述步骤S30具体包括：

S31、用定位销将所述第一金属构件在所述工作台上定位；

S32、用螺钉将第一金属构件固定于所述工作台上。

5.如权利要求3所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，第一金属构件的顶部具有打印面，所述打印面为平面。

6.如权利要求1所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，所述第一金属构件的材料为模具钢，3D打印所述第二金属构件的原料粉末为粉末钢。

7.如权利要求6所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，所述第一金属构件的材料为1.2344模具钢，3D打印所述第二金属构件的原料粉末为1.2709粉末钢。

8.如权利要求1所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，在所述步骤S20中，3D打印所述第二金属构件的温度为2750℃-3250℃。

9.如权利要求1所述的3D打印复合体金属构件的方法，其特征在于，在所述步骤S20之后，所述3D打印复合体金属构件的方法还包括：

S40、将所述复合体金属构件进行回火处理，回火温度为480℃-500℃，回火时长为5-7小时。

10.一种复合体金属构件，其特征在于，所述复合体金属构件由如权利要求1至9中任意一项所述的3D打印复合体金属构件的方法所制得。