CN107671286A - 一种提高金属3d打印速度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高金属3D打印速度的方法,属于增材制造领域。本发明通过对零件上表面、下表面、轮廓以及填充部分实施不同的扫描策略,优化了打印工艺,旨在提高金属打印成型效率,保证成型性能并具有良好的表面质量,特别适合于激光选区熔融工艺(SLM),对降低打印成本,推进技术应用具有指导意义,对其他3D打印工艺也具有借鉴意义。
Description
技术领域
本发明有关增材制造领域的成型效率,特别涉及一种金属选区激光熔化打印速度的提升方法,有望用于金属3D打印的成型工艺,减少制造成本。
背景技术
选区激光熔化是应用最为广泛的金属增材制造技术,在航空航天、医疗植入、牙科、模具等领域具有广阔的应用空间。其基本原理是通过高能量激光束连续熔化单层金属粉末,直至实现金属零件的堆叠制造。该技术在加工个性化、复杂零件方面具有优势,如针对于不同病人植入体的个性化、轻量化需求,航空零部件的集成化制造需求,以及传统加工无法实现的精密制造需求等。同时,选区激光熔化技术在节省材料、减少成本和缩短制造周期方面具有较大优势,在牙科、模具方面表现突出,尤其是在牙科方面已得到批量应用,其较高的制造精度、更低的制造成本以及在交货周期方面的优势使其成为选区激光熔化技术应用最为成熟的领域。
虽然该技术拥有很多优势和较大的应用空间,其制造成本仍是困扰其发展的重要原因,而成型效率决定了制造成本的高低。
影响选区激光熔化打印成型效率的因素包括刮刀铺送粉速度、分层厚度、填充扫描速度、扫描间距以及扫描策略。为保证设备的稳定性,刮刀铺送粉速度往往固定不变,因此需要从打印工艺方面来提高速度。分层厚度决定了刮刀的行程次数,分层越大刮刀铺粉次数越少,成型速度越快;单层扫描速度越快,成型效率越高;同时通过对于扫描策略的优化来提高打印速度。
发明内容
本发明的工艺方案主要目的在于提高金属打印的速度,同时要求零件具有较好的表面质量与优良的性能。通常零件的表面质量受分层厚度、激光功率以及扫描速度的影响,选区激光熔化的分层厚度往往为0.02mm或0.03mm,较大的分层厚度及不当的工艺参数会造成零件侧表面粘粉,为解决打印质量与提高打印速度的问题,对打印工艺进行了改善。
一种提高金属3D打印速度的方法,方法包括轮廓工艺参数,工件内部填充工艺参数,上/下表面工艺参数,以及扫描策略;轮廓参数包括激光功率、扫描速度以及分层厚度;填充工艺参数与上/下表面工艺参数均包括激光功率、扫描速度、扫描间距以及分层厚度;
其特征在于:
轮廓工艺参数执行轮廓分层厚度,内部填充执行填充分层厚度,填充分层厚度是轮廓分层厚度的两倍,上/下表面执行轮廓分层厚度;成型缸每次下降的高度为轮廓分层厚度,每一层均打印轮廓;在需要打印填充的切片层,先打印轮廓再打印填充;
上表面的含义为:当第N层相比第N+1层伸出不小于一个激光光斑直径尺寸时,伸出的部分为上表面,第N层执行上表面工艺;下表面的含义为:当第N层相比第N+1层至少缩进一个激光光斑直径尺寸时,第N+1层伸出的部分或者悬空面为下表面,第N+1层伸出的部分执行下表面工艺;
上表面的扫描策略为:若第N层为上表面,当第N-1层恰好位于填充层的待扫描层,则第N层执行填充分层厚度与填充扫描参数;若上表面为填充扫描策略的待扫描层,则上表面即第N层与第N-1层执行轮廓分层厚度与上表面填充参数,其中第N-1层扫描一次,上表面即第N层执行相互垂直的两次扫描;
进一步,若打印的零件第一层与基板相连,则第一层先打印轮廓再打印填充部分,且填充部分扫描两次,方向相互垂直,之后填充部分每层扫描一次,且相邻两次填充扫描方向旋转一奇数角度;若打印的零件第一层与基板不相连,或遇下表面及悬空面时,则零件第一层或下表面或悬空面第一层填充部分执行轮廓分层厚度,激光扫描两次,方向相互垂直。
本发明所采用的工艺方案是:
(1)工艺方案由四部分组成,包括轮廓工艺参数,工件内部填充工艺参数,上/下表面工艺参数以及扫描策略。
(2)轮廓参数包括激光功率、扫描速度以及分层厚度;填充工艺参数与上/下表面工艺参数均包括激光功率、扫描速度、扫描间距以及分层厚度。轮廓、上/下表面与内部填充执行不同的分层厚度、扫描策略以及其他激光参数。
(3)轮廓、上/下表面执行同一分层厚度,即轮廓分层厚度,填充分层厚度为轮廓分层厚度的两倍,按照使用经验,SLM金属打印分层厚度一般为0.02mm或0.03mm。通过试验确定可获得光滑侧表面的轮廓参数,以及可获得良好致密度和力学性能的填充工艺参数组合;在分层厚度为轮廓分层厚度的条件下通过实验获得可打印光滑上/下表面的参数组合。
(4)实体零件打印过程中,轮廓和填充部分采用调试好的激光参数,其中轮廓采用轮廓分层厚度,填充部分采用填充分层厚度。第一层填充须扫描两次,且两次扫描方向垂直,保证零件与基板紧密结合,且相邻填充层扫描方向旋转一定角度。
(5)当第N层相比第N+1层伸出一个激光光斑直径尺寸时,第N层伸出的部分执行上表面工艺;当第N层相比第N+1层缩进一个激光光斑直径尺寸时,第N+1层伸出的部分执行下表面工艺。
(6)当遇上表面第N层时,若第N-1层恰好位于填充层扫描策略的待扫描层,则第N-1层执行填充分层厚度与填充扫描参数;若上表面第N层为填充扫描策略的待扫描层,则上表面第N层执行轮廓分层厚度与上表面填充参数,第N-1层即打印轮廓也打印填充且填充部分执行上表面填充参数。其中第N-1层与上表面垂直接触的部分扫描一次,上表面执行相互垂直的两次扫描。下表面及悬空面,填充部分执行轮廓分层厚度,激光扫描两次,方向相互垂直。
与现有的打印工艺相比,融合了表面质量与打印速度两方面的要求,与轮廓和填充分层厚度取相同值的工艺相比,两者在表面质量方面并无明显区别,表面光亮且侧表面光滑;在性能方面,两种工艺的致密度、拉伸强度以及硬度处于同等水平;在打印速度方面,采用本发明的工艺方案打印速度提升明显,且打印的零件越高,缩短的时长越长,相应的打印成本也随之降低。
附图说明
图1:零件切片层
图2:上表面及扫描策略
图3:下表面及扫描策略
图4:填充隔层扫描策略
图5:零件三视图
图6:第一层扫描策略
图7:第二层扫描策略
图8:第三层扫描策略
图9:悬空层扫描策略
图10:第N层扫描策略
具体实施方式
1.图4为具体实施打印的零件,假设该零件的斜侧面满足上下表面特征,其包含斜侧上/下表面、悬空面、上表面特征。具体打印过程执行以下工艺:
2.零件第一层先扫描轮廓,填充部分沿扫描路径扫描两次,方向相互垂直,如图6;零件从第二层填充部分开始执行隔层扫描,即第二层只扫描轮廓,如图7;第三层根据隔层扫描策略先扫描轮廓,再扫描填充部分,且扫描线与第一层第二次扫描线旋转了71度,如图8。
3.当遇悬空面时,由于支撑的存在,激光可直接进行扫描粉末,此时填充部分执行轮廓分层厚度,激光扫描两次,方向相互垂直,如图9所示。
4.当打印至第N层时,如图5左视图,该层既包含上表面又包含斜面,假设该零件满足斜上/下表面的定义,则在斜上/下表面执行相应的参数和扫描策略。若上表面第N层为填充扫描策略的待扫描层,则上表面与第N-1层执行轮廓分层厚度与上表面填充参数,其中第N-1层扫描一次,上表面执行相互垂直的两次扫描。若第N-1层的上表面垂直区域处于填充扫描策略的待扫描层,则第N-1层执行填充分层厚度与填充扫描参数;倾斜上/下表面执行相应的工艺参数,且执行相互垂直的两次扫描,如图10所示。
Claims (2)
1.一种提高金属3D打印速度的方法,方法包括轮廓工艺参数,工件内部填充工艺参数,上/下表面工艺参数,以及扫描策略;轮廓参数包括激光功率、扫描速度以及分层厚度;填充工艺参数与上/下表面工艺参数均包括激光功率、扫描速度、扫描间距以及分层厚度;
其特征在于:
轮廓工艺参数执行轮廓分层厚度,内部填充执行填充分层厚度,填充分层厚度是轮廓分层厚度的两倍,上/下表面执行轮廓分层厚度;成型缸每次下降的高度为轮廓分层厚度,每一层均打印轮廓;在需要打印填充的切片层,先打印轮廓再打印填充;
上表面的含义为:当第N层相比第N+1层伸出不小于一个激光光斑直径尺寸时,伸出的部分为上表面,第N层执行上表面工艺;下表面的含义为:当第N层相比第N+1层至少缩进一个激光光斑直径尺寸时,第N+1层伸出的部分或者悬空面为下表面,第N+1层伸出的部分执行下表面工艺;
上表面的扫描策略为:若第N层为上表面,当第N-1层恰好位于填充层的待扫描层,则第N层执行填充分层厚度与填充扫描参数;若上表面为填充扫描策略的待扫描层,则上表面即第N层与第N-1层执行轮廓分层厚度与上表面填充参数,其中第N-1层扫描一次,上表面即第N层执行相互垂直的两次扫描。
2.根据权利要求1所述方法,其特征在于:
若打印的零件第一层与基板相连,则第一层先打印轮廓再打印填充部分,且填充部分扫描两次,方向相互垂直,之后填充部分每层扫描一次,且相邻两次填充扫描方向旋转一奇数角度;若打印的零件第一层与基板不相连,或遇下表面及悬空面时,则零件第一层或下表面或悬空面第一层填充部分执行轮廓分层厚度,激光扫描两次,方向相互垂直。
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