CN107737928A - 金属3d打印逐层表面激光清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属3D打印逐层表面激光清洗方法，在3D打印机内设置辅助激光发生器，并提供一种激光变换装置，所述激光变换装置将辅助激光发生器发出的辅助激光光束的光斑转换成线状光斑，其中，所述辅助激光发生器发出用于蒸发杂质的激光；利用线状光斑扫描清洗3D打印机的基底表面；第一层铺粉后，利用主激光开始扫描加工，辅助激光光斑扫描位置在不超过3D打印激光扫描光斑的情况下，对已打印完成的部分进行扫描清洗；待第一层成型清洗完成后，再用步骤S3的方法开始下一层的成型和清洗，以此类推，进行逐层加工和清洗，直到完成整个工件的加工。此方法结构简单、易于实现，且能大大提高所加工的工件质量。

Description

金属3D打印逐层表面激光清洗方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体地指一种金属3D打印逐层表面激光清洗方法。

背景技术

金属3D打印技术可用于制造复杂、轻质、难熔的三维结构件，特别是一些传统工艺无法加工的结构件。比如，该技术在航天航空特殊功能梯度材料的制备过程中，通过控制每层的粉末材料属性，使两种功能不同的材料出现在同一个结构件上，可获得功能梯度结构件；该技术在新能源汽车领域，通过金属3D打印技术制造出特殊的中空结构，使得结构件轻量化，达到节约能源的目的；该技术在医疗领域，通过金属3D打印技术制造出骨骼、牙齿等一些人体组织，可帮助患者快速修复或替换上述坏损结构。总而言之，金属3D打印技术在各领域中得到越来越广泛的应用。

在金属3D打印制造过程中，激光扫描水平铺设的金属粉末，使粉末完全熔化，继而快速凝固成金属层；然后在成型的金属层上继续铺设新粉末，激光再次扫描使新粉末熔覆到前一层的上表面，以形成新的金属层。之后不断重复该过程，最终堆积形成一个三维制造件。

在目前的金属3D打印过程中，每一打印层都会出现金属氧化物、金属溅射物以及未完全熔化金属颗粒等杂质。如果不处理杂质，继续打印下一层，这些杂质将会增强球化效应，从而使金属颗粒不能完全熔化，进而产生空洞，这些空洞还可能形成应力集中源，加剧翘曲、变形等缺陷。同时这些杂质也会导致当前成型上表面比较粗糙，生成异物碎片，影响下一层的熔覆，进而影响成型件的强度等性能。

3D打印过程中的缺陷通常发生在熔化的粉末颗粒与未熔化的粉末颗粒之间的接触界面。前一层中的未完全熔化的金属颗粒、金属溅射物直径较大，一般为新铺设层的粉末颗粒直径的两倍。由此改变了当前粉末层颗粒尺寸分布，导致激光扫描后的金属层中产生孔洞和缝隙，并加剧球化效应。

目前为止，对于已经完成的金属3D打印结构件，因打印过程中产生杂质而引发的内部缺陷很难被修复，尤其是对于具有复杂几何结构的工件，修复的可能性更小。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种易于安装实施、能有效提高3D打印件质量的金属3D打印逐层表面激光清洗方法。

为了实现上述目的，本发明所涉及的金属3D打印逐层表面激光清洗方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

s1在3D打印机内设置线状的辅助激光；

s2利用线状的辅助激光光斑扫描清洗3D打印机基底表面；

s3第一层铺粉后利用3D打印激光开始扫描加工，辅助激光在不超过3D打印激光扫描光斑的情况下对已打印完成的部分进行扫描清洗；

s4待第一层加工清洗完成后，再用步骤s3的方法开始下一层的加工和清洗，以此类推，进行逐层加工和清洗，直到完成整个工件的加工。

进一步地，所述辅助激光由辅助激光发生器发出并由激光变换装置变换成线状。

更进一步地，所述激光变换装置包括辅助激光X轴振镜、辅助激光Y轴振镜和平场镜，

所述辅助激光X轴振镜用于将辅助激光进行X轴偏转；

所述辅助激光Y轴振镜用于将辅助激光进行Y轴偏转；

所述平场镜用于将辅助激光发散成一条线状激光。

再进一步地，所述辅助激光的起始位置位于远离打印方向的一侧，可以很好的避免与3D金属打印激光束发生重合。

再进一步地，所述辅助激光的线状光斑与3D打印激光的打印方向夹角为90度。

能更好的清理打印过程中两相邻路径沟壑里的杂质。

本发明的优点在于：

1、在金属3D打印过程中进行逐层清洗，实现金属3D打印成型件逐层表面杂质清洗，有效去除打印过程中的金属氧化物及杂质，提高了金属成型物的质量；

2、采用辅助激光对基底的上表面进行清洗，可以有效提高基底与金属3D打印成型件的结合力；

3、辅助激光只对杂质的清除有效果，不影响金属3D打印层，不影响金属层厚；

4、采用一束独立于主激光的辅助激光，方法容易，结构简单，易于安装在金属3D打印设备中，形成拥有双激光的3D打印一体机；

5、激光清洗的过程中产生的金属蒸汽会通过腔室内的气体循环系统排出并收集，不会形成二次污染。

附图说明

图1为本发明方法的辅助激光清洗图；

图2为本发明金属3D打印逐层清洗物体的剖视图；

图3为本发明金属3D打印逐层清洗物体在第二层的局部清洗原理图；

图4为本发明辅助激光运动的方向图；

图5为本发明方法具体工作的流程图；

图中：金属3D打印成型件101，辅助激光传播路径102，平场镜103，辅助光X轴振镜104，辅助激光Y轴振镜105，辅助激光发射器106，主激光X轴振镜107，主激光发射器108，主激光Y轴振镜109，主激光光斑110；

3D打印金属工件的第一层201， 3D打印金属工件的第二层202， 3D打印金属工件的第三层203， 3D打印金属工件的第四层204， 3D打印金属工件的最后一层205，基底206，金属成型件207，杂质颗粒2011，主激光光斑301，辅助激光光斑302，辅助激光向右扫描303，主激光外圈向上扫描304，主激光内圈向上扫描305，主激光内圈向下扫描306。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步的详细描述：

本发明提出的金属3D打印逐层激光表面清洗的原理主要包括，在金属3D打印件的第一层打印过程中，基底表面会有杂质粉尘，杂质粉尘的来源可能是机器内部零件，如果不清洗基底表面直接进行金属3D打印，金属粉末熔化后会混杂着杂质粉尘，当金属熔液中含有杂质的时候，会导致金属熔液的表面张力增大，从而使金属凝固过程中发生球化效应，出现结构件与基底粘结不牢的风险，因此基底的激光清洗尤为重要。

待打印第一层时，金属3D打印过程中会发生金属溅射的行为，金属溅射物颗粒尺寸大于打印金属粉末颗粒尺寸。因此在铺粉过程中，金属溅射物大颗粒会卡在刮粉板与粉末层之间，使刮粉板刮出的粉床上出现沟壑，进而导致不致密的打印层。在金属3D打印过程中金属氧化物的来源通常是金属粉末的原材料制备中引入，虽然氧气含量能够控制在一定范围，但是并不能完全的消除。当金属熔液中含有氧化物，会加剧打印层的球化效应。当发生球化效应时，成型层表面会形成大颗粒，最终导致大颗粒遮挡住的一些粉末不能完全熔化，从而出现孔洞的现象。在成型件打印完成后，宏观上易出现断裂、应力集中、硬度和疲劳强度不高的情况。因此，本发明通过在金属激光3D打印机内增加一束辅助激光，根据金属氧化层、金属溅射物、杂质灰尘对辅助激光的吸收率不同的特性，使辅助激光把激光能量集中在杂质上，当杂质表面的热膨胀力和施于杂质微粒的光压两种作用力的合力大于成型件表面对杂质微粒的粘附力时，杂质微粒就会脱落；当杂质微粒吸收的激光能量大于蒸发阈值后，杂质微粒将发生蒸发，从金属3D打印成型件中剥离，由于金属3D打印层对辅助激光的吸收率不高，并不能达到升华阈值，因此可实现在不伤及打印层的情况下有效地去除金属3D打印过程中出现的金属氧化物及杂质。

本发明提出的金属3D打印逐层激光表面清洗的原理：以3D打印金属成型件的第二层202为例，如图2局部清洗原理图所示，在3D打印金属成型件的第二层202的表面有一些杂质2011，辅助激光光斑302扫描到杂质后，杂质定向吸收激光的能量，当杂质吸收的能量大于升华阈值时，杂质开始蒸发，从而使杂质从金属表面无损剥离。

本发明提出的金属3D逐层激光表面清洗的装置包括主激光系统和辅助激光系统，主激光包括主激光发射器108，位于整个装置的最上方，可以发射出200W功率的激光，发射出的激光在空间直线传播，作用在主激光X轴振镜107上，激光光束在X方向上发生偏转，经过主激光X轴振镜107后，激光束继续在空间传播，作用在主激光Y轴振镜109上。主激光X轴振镜107与主激光Y轴振镜109的角度都是经过金属3D打印机系统控制的，可以定向控制主激光光斑作用在金属3D打印成型件101上，辅助激光发射器106位于主激光发射器108的左侧。辅助激光发射器的作用是可以发射出波长为532nm的激光束，激光束在空间直线传播作用在辅助激光X轴振镜104上，辅助激光束继续在空间传播，作用在辅助激光Y轴振镜105上，辅助激光继续在空间传播，作用在平场镜103上，激光束将发生分散，形成一条线性的光斑，光斑作用在金属3D打印成型件101上，平场镜103、辅助激光X轴振镜104和辅助激光Y轴振镜105的角度都是由3D打印机系统控制的，可以把光斑作用在金属3D打印工件表面，相对位置在不超过主激光扫描光斑301的情况下，把金属杂质颗粒清除掉，而不影响金属3D打印件工件的打印层。

本发明提出的金属3D打印逐层激光表面清洗方法包括在金属3D打印时进行以下过程：

第一步，对基底206进行激光清洗，清除基底206表面上的金属氧化物及杂质粉尘，由于基底206置于金属3D打印机内，基底206难免会与空气中的氧气发生反应，形成金属氧化物，基底206上也难免会有空气中的灰尘颗粒掉在上面，如果直接进行金属3D打印，铁粉和以上杂质一起熔化，会导致熔化金属的表面张力增大，加剧球化效应，导致3D打印金属工件的第一层与基底粘结不牢，在后续的打印过程中易出现错位的影响，因此在打印之前，首先采用辅助激光器106发出波长为532nm的激光束，扫描速度250mm/s，激光束在经过X轴振镜105后在X轴方向上发生偏转，激光束继续前进，激光束经过Y轴振镜104后在Y轴方向上发生偏转，激光束继续前进，激光束经过平场镜103后发散成一条线状激光，作用在基底206表面，辅助激光沿着Y轴方向扫描，将基底206表面杂质清除掉；

第二步，待基底206表面清洗干净后，铺粉机开始3D打印金属工件的第一层201铺铁粉，采用粒度15~53um的铁粉；

第三步，铺好粉后主激光开始沿着计算机系统内轮廓扫描，主激光发射器108采用200W功率的光纤发生器，扫描速度5m/s，主激光光斑301，直径为80um，主激光经过主激光X轴振镜107，主激光Y轴振镜109，后作用在金属3D打印成型件101的表面层上，外圈向上扫描304再向右、向下，向左，扫描出金属工件207表面层的外轮廓，然后主激光光斑301重复内圈向上扫描305、主激光内圈向下扫描306；

第四步，辅助激光光斑302扫描完一层工件后，铺粉机开始工作，3D打印金属工件的第二层202外轮廓打印完成后开始内圈扫描，主激光光斑301向上、右挪、向下、右挪、向上，如此重复，如图4所示，从左至右按一条一条的路径打印。当主激光打印完第一条路径后同时辅助激光光斑302开始向右扫描303已经打印好的区域，扫描位置在不超过主激光扫描光斑301的情况下，把刚打印好金属层表面上的金属杂质颗粒清除掉，如果主打印工件过大，辅助激光光斑运动过快，接近主激光光斑时，则金属3D打印系统自动控制辅助激光关闭等待主激光打印完成一定距离后，辅助激光再开启继续扫描打印好的区域，其中，主激光完成一定距离优选为10mm。待辅助激光扫描结束后，铺上第二层铁粉。主激光301和辅助激光303开始重复以上操作，一直到3D打印金属工件的第二层202、3D打印金属成型件的第三层203、3D打印金属成型件的第四层204……直到3D打印金属成型件的最后一层205表面清洗完成后，系统自动判断金属3D打印结束，完成金属成型件207的逐层表面激光清洗处理。

优选地，辅助激光的线状光斑与3D打印激光的打印方向夹角为90度，能更好的清理打印过程中两相邻路径沟壑里的杂质。

本发明提出的金属3D打印逐层表面清洗方法可以实现在金属3D打印过程中逐层对3D打印金属成型件表面进行清洗，从而达到3D打印金属成型件内部的杂质控制，从源头上解决3D打印金属成型件的一些空洞、应力集中、开裂的问题。

虽然本发明提出的方法会增加金属3D打印设备的成本，但是由于可以显著的提高金属3D打印机打印成型件的良品率，免除了在增材制造之后的缺陷移除和表面处理操作的需要，这些操作可能需要额外的工具、人员或在设施或工位之间运输产品，与已知的后操作相比，本发明可以在成本和时间上有巨大的优势。

Claims (5)

1.一种金属3D打印逐层表面激光清洗方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1在3D打印机内设置线状的辅助激光；

s2利用线状的辅助激光光斑扫描清洗3D打印机基底表面；

s3第一层铺粉后利用3D打印激光开始扫描加工，辅助激光在不超过3D打印激光扫描光斑的情况下对已打印完成的部分进行扫描清洗；

s4待第一层加工清洗完成后，再用步骤s3的方法开始下一层的加工和清洗，以此类推，进行逐层加工和清洗，直到完成整个工件的加工。

2.根据权利要求1所述的金属3D打印逐层表面激光清洗方法，其特征在于：所述辅助激光由辅助激光发生器发出并由激光变换装置变换成线状。

3.根据权利要求2所述的金属3D打印逐层表面激光清洗方法，其特征在于：所述激光变换装置包括辅助激光X轴振镜、辅助激光Y轴振镜和平场镜，

所述辅助激光X轴振镜用于将辅助激光进行X轴偏转；

所述辅助激光Y轴振镜用于将辅助激光进行Y轴偏转；

所述平场镜用于将辅助激光发散成一条线状激光。

4.根据权利要求1所述的金属3D打印逐层表面激光清洗方法，其特征在于：所述辅助激光的起始位置位于远离打印方向的一侧，可以很好的避免与3D金属打印激光束发生重合。

5.根据权利要求1所述的金属3D打印逐层表面激光清洗方法，其特征在于：所述辅助激光的线状光斑与3D打印激光的打印方向夹角为90度。