CN108772562A - 基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，步骤包括：采用优化对比法获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数；然后建立需要制备的零件结构的三维模型；然后以获取的最优工艺参数作为3D打印参数，对建立的三维模型进行分层和扫描路径规划处理，从而生成3D打印所需的打印文件；然后将生成的打印文件导入3D打印设备，并以钴铬合金粉末为成型材料进行3D打印。本发明基于选区激光熔化技术，可根据实际要求精确制造各种复杂结构的金属零件；采用优化对比法获取钴铬粉末成型的最优工艺参数，能根据实际需要的力学性能情况而设定不同的最优工艺参数，灵活度高且动态性能好。

Description

基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法

技术领域

本发明涉及一种金属粉末成型方法，特别是涉及一种金属粉末的增材制造成型方法，还涉及一种激光熔化材料成型方法，应用于机械制造加工技术领域。

背景技术

钴铬合金由于具有优良的组织力学性能和生物相容性，广泛应用于临床医学牙科、义齿和植入体加工制造领域。传统的钴铬合金加工工艺普遍存在流程复杂、影响因素多、加工周期长，材料浪费严重、精细复杂结构难以精确加工等问题。

而选区激光熔化技术具有其它加工方法都不具备的柔性制造特性，可以较好地克服上述问题。目前基于选区激光熔化技术粉末成型工艺的加工参数基本上是厂商所提供的固定加工参数，灵活度较低且动态性能较差，导致其最终成型的产品与实际使用环境难以吻合，严重时会影响零件寿命。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，采用选区激光熔化工艺，根据实际要求，精确制造各种复杂结构的金属零件；本发明采用优化对比法，获取钴铬粉末成型的最优工艺参数，能根据实际需要的力学性能情况而设定不同的最优工艺参数，灵活度高且动态性能好，最终成型的产品与实际使用环境吻合度高，制备的零件精度高、质量好且寿命长。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，包括如下步骤：

A.采用优化对比法，获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数；优选所述钴铬合金粉末成型的最优工艺参数包括最优激光功率、最优扫描速度、最优扫描间距和最优分层厚度中的任意一种参数或者任意几种参数的组合；

B.建立需要制备零件结构的三维模型；

C.以在所述步骤A中获取的最优工艺参数作为3D打印参数，对建立的三维CAD模型进行分层和扫描路径规划处理，从而生成3D打印所需的打印文件；

D.将在所述步骤C中生成的打印文件导入3D打印设备，并以钴铬合金粉末为成型材料进行3D打印。

作为本发明优选的技术方案，在所述步骤A中，在采用优化对比法，获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数时，包括如下步骤：

A1.建立边长为10毫米的正方体模型；

A2.根据设定的激光功率节点、扫描速度节点、扫描间距节点、分层厚度节点和在所述步骤A1中构建的正方体模型逐一进行加工，从而得到各个节点相应的零件模型；优选所述设定的激光功率节点为100W功率节点、120W功率节点、140W功率节点、160W功率节点和180W 功率节点中的任意一种或任意几种的组合，作为加工功率节点；优选所述设定的扫描速度节点为200mm/s速度节点、300mm/s速度节点、400mm/s速度节点、500mm/s速度节点和600mm/s 速度节点中的任意一种或任意几种的组合；优选所述设定的扫描间距节点为0.06mm间距节点、0.09mm间距节点、0.12mm间距节点、0.15mm间距节点、0.18mm间距节点和0.21mm 间距节点中的任意一种或任意几种的组合；优选所述设定的扫描层厚节点为厚度为0.03～ 0.07mm的中的任意一种厚度的层厚节点或任意几种厚度组合的层厚节点；优选设定的激光功率节点、扫描速度节点、扫描间距节点和分层厚度节点均为两个或两个以上的节点；

A3.采用激光共聚焦显微镜，测量在所述步骤A2中得到的各个节点相应零件模型的表面形貌图像，然后根据采集的图像初步确定钴铬合金粉末成型的最优工艺参数所对应的节点范围；

A4.根据阿基米德原理，计算在所述步骤A3中初步确定的节点范围内每个节点相应零件模型的致密度，然后根据计算出的致密度确定钴铬合金粉末成型的最优工艺参数。

作为本发明优选的技术方案，在所述步骤C中，生成3D打印所需的打印文件时，包括如下步骤：

C1.确定打印的方向；

C2.在三维模型沿打印方向的底部设置支撑结构，并对支撑结构的形状、高度、分布和疏密程度进行设计；

C3.以在所述步骤A中获取的最优工艺参数作为3D打印参数，沿打印方向按设定的层厚将分层预处理后的三维模型分解为层厚相等的层片，对建立的三维CAD模型进行分层处理；

C4.对建立的三维CAD模型的每一个层片进行扫描路径规划，在扫描路径填充完毕后，将分解的层片数据保存到Obj格式的打印文件中。

作为本发明优选的技术方案，在所述步骤D中，进行3D打印时，包括如下步骤：

D1.启动3D打印设备，等待3D打印设备预热至需要的工作温度；

D2.将在所述步骤C中生成的打印文件导入3D打印设备中；

D3.以钴铬合金粉末为成型材料，3D打印设备根据获取的最优工艺参数，使用钴铬合金材料粉末进行3D打印。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法基于选区激光熔化工艺，可根据实际要求精确制造各种各样复杂结构的金属零件；

2.本发明方法采用优化对比法获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数，能根据实际所需力学性能情况而设定不同的最优工艺参数，灵活度高且动态性能好，最终成型的产品与实际使用环境吻合度高，制备的零件精度高、质量好且寿命长；

3.本发明方法工艺简单、成本低廉、操作简便，可广泛应用于工业生产制造。

附图说明

图1为本发明实施例一基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法的流程图。

图2为本发明实施例一的步骤A获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数的流程图。

图3为本发明实施例一的步骤C生成3D打印所需的打印文件的流程图。

图4为本发明实施例一的步骤D进行3D打印的流程图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

在本实施例中，参照图1～图4，本实施例钴铬合金粉采用ASTM F75标准钴铬合金粉，其粉末为球状颗粒；选区激光熔化SLM设备采用选区激光熔化设备；对三维模型进行分层和扫描路径规划处理所采用的软件为Materialize公司的Magics 21.0软件。

在本实施例中，一种基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，用于制备钴铬合金义齿基冠的过程，包括如下步骤：

A.采用优化对比法，获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数；所述钴铬合金粉末成型的最优工艺参数包括最优激光功率、最优扫描速度、最优扫描间距和最优分层厚度；其中对于激光功率，在进行优化对比时，先设定不同的功率，然后按照设定的功率逐一加工出对应的零件，接着对加工出的零件进行逐一性能比对，最后根据比对的结果获取最优激光功率；

在采用优化对比法，获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数时，参照图2，具体包括如下步骤：

A1.在计算机中建立边长为10毫米的义齿基冠的正方体模型，使各个进行优化对比的对象具有更好的可对比性；

A2.根据设定的激光功率节点、扫描速度节点、扫描间距节点、分层厚度节点和在所述步骤A1中构建的正方体模型逐一进行加工，从而得到各个节点相应的零件模型；所述设定的激光功率节点为100W功率节点、120W功率节点、140W功率节点、160W功率节点和180W功率节点，作为加工功率节点；所述设定的扫描速度节点为200mm/s速度节点、300mm/s速度节点、400mm/s速度节点、500mm/s速度节点和600mm/s速度节点中；所述设定的扫描间距节点为0.06mm间距节点、0.09mm间距节点、0.12mm间距节点、0.15mm间距节点、0.18mm 间距节点和0.21mm间距节点；所述设定的扫描层厚节点为厚度为0.03～0.07mm的中的对应厚度的层厚节点；且设定的激光功率节点、扫描速度节点、扫描间距节点和分层厚度节点均为两个或两个以上的节点；

A3.采用激光共聚焦显微镜，测量在所述步骤A2中得到的各个节点相应零件模型的表面形貌图像，然后根据采集的图像初步确定钴铬合金粉末成型的最优工艺参数所对应的节点范围；表面形貌是指激光扫描过后所形成的熔池熔道微观形貌；

A4.根据阿基米德原理，计算在所述步骤A3中初步确定的节点范围内每个节点相应零件模型的致密度，然后根据计算出的致密度确定钴铬合金粉末成型的最优工艺参数；致密度是指实际零件的密度与材料实体理想密度的百分比；根据先验知识，钴铬合金粉末成型的最优工艺参数所对应的致密度一般在95％以上。

B.建立需要制备零件结构的三维模型；

根据所需制备零件的实际结构，使用solidworks、UG、ProE工程制图软件，设计和建立实际义齿基冠的三维模型，并将其保存为STL格式；其中，三维模型的参数以义齿基冠的实际参数为准，包括外在整体的形状、尺寸，内部结构形状、多边形边长和壁厚。

C.以在所述步骤A中获取的最优工艺参数作为3D打印参数，对建立的三维CAD模型进行分层和扫描路径规划处理，从而生成3D打印所需的打印文件；

在生成3D打印所需的打印文件时，参照图3，具体包括如下步骤：

C1.确定打印的方向；

C2.在三维模型沿打印方向的底部设置支撑结构，并对支撑结构的形状、高度、分布和疏密程度进行设计；支撑结构用于零件与SLM成型设备基板的连接和加工过程中的散热，并方便零件与基板的分离；

C3.以在所述步骤A中获取的最优工艺参数作为3D打印参数，沿打印方向按设定的层厚将分层预处理后的三维模型分解为层厚相等的层片，对建立的三维CAD模型进行分层处理；

C4.对建立的三维CAD模型的每一个层片进行扫描路径规划，在扫描路径填充完毕后，将分解的层片数据保存到Obj格式的打印文件中。

设置SLM成型参数，对建立的三维模型进行分层和路径规划处理，然后保存并导出Obj 格式的文件。其中，SLM成型参数包括零件的摆放位置、摆放方式以及激光的功率、扫描方式、扫描速度和分层厚度等。确定打印方向，然后沿打印方向在三维模型的底部设置支撑结构，并根据实际情况对支撑结构的高度、分布和疏密程度进行设计。对三维模型进行分层和路径规划处理，即将三维模型沿打印方向分解成多个层厚相等的三维结构：使用Magics21.0 软件，沿着打印方向将该三维模型分割成若干层厚相等的层片，一般层厚为30～70μm，需根据SLM成型设备中使用的钴铬合金材料粉末的粒度而具体设定，然后规划扫描路径，对每一层进行路径填充。最后，保存并以Obj格式导出，所述Obj格式为SLM成型设备可识别的文件格式。

D.将在所述步骤C中生成的打印文件导入3D打印设备，并以钴铬合金粉末为成型材料进行3D打印。在进行3D打印时，参照图4，包括如下步骤：

D1.启动3D打印设备，等待3D打印设备预热至需要的工作温度；

D2.将在所述步骤C中生成的打印文件导入3D打印设备中；

D3.以钴铬合金粉末为成型材料，3D打印设备根据获取的最优工艺参数，使用钴铬合金材料粉末进行3D打印。工作所需的条件是指，SLM设备的基台温度为0-200℃，加工舱内氧气含量低于0.2％。在SLM成型设备预热前还需先通入99.999％的纯氮气作为保护气体。

在本实施例中，先构建统一结构的立方体模型结构，然后根据不同变化加工参数所产生的显著技术效果进行对比和计算。

进行对比观察和计算时，本实施例采用基恩士激光共聚焦显微镜观察模型的表面形貌，通过将构建的立方模型进行加工，去除支撑结构和磨平底面后的零件置于激光共聚焦显微镜的平台上，并选取放大倍数50～100倍，以清晰全面地观察表面熔道状态。

本实施例根据不同变化加工参数所产生的显著技术效果进行对比包括：

a.激光功率：

在其它加工参数默认的状态下，本发明分别选取功率100W、120W、140W、160W和180W作为功率节点，分别进行加工制造，并在最终成型后取件测试，从而获得其性能对比表，如下表1所示。同时采用基恩士激光共聚焦显微镜观察模型的表面形貌。由表1和观察的结果可知，扫描功率为100W、120W时，激光扫描路径未形成轨道，致密度小于95％，表面球化现象很严重，此时，激光能量输入不够，导致粉末扫描范围内的粉末不能完全熔化，因此该模型的成型需要更高的激光功率。当扫描功率为140W时具有形成轨道的雏形，致密度等于95 ％，而扫描功率为160W、180W时都已形成完整的轨道，致密度大于95％，因此最优扫描功率应为160W-180W。

表1.不同功率下成型零件的性能对比

激光功率	质量(g)	致密度(％)
			100W	7.80	94.1
120W	7.85	94.7
			140W	7.88	95.0
160W	7.94	95.8
			180W	8.01	96.6

b.扫描速度：

在其它参数默认的状态下，本实施例分别选取扫描速度200mm/s、300mm/s、400mm/s、500mm/s和600mm/s作为扫描速度节点分别进行加工制造，并在最终成型后取件测试，从而获得其性能对比表，如下表2所示。同时采用基恩士激光共聚焦显微镜观察模型的表面形貌。由表2和观察的结果可知，当扫描速度在500mm/s时候，零件表面会出现大量缺陷，其致密度小于95％，此类缺陷将会严重影响零件成型质量，因此最优扫描速度应不大于500mm/s。

表2.不同扫描速度下成型零件的性能对比

扫描速度(mm/s)	质量(g)	致密度(％)
			200	7.98	96.3
300	7.95	95.9
			400	7.89	95.2
500	7.81	94.2
			600	7.73	93.2

c.扫描间距：

在其它参数默认的状态下,本实施例分别选取扫描间距为0.06mm、0.09mm、0.12mm、 0.15mm、0.18mm和0.21mm作为扫描间距节点进行优化对比，分别进行加工制造，并在最终成型后取件测试，从而获得其性能对比表，如下表3所示。同时采用坐标测量仪QuickView 200观察的模型表面扫描轨道。由表3和观察的结果可知，扫描间距为0.06mm、0.09mm和 0.12mm时，加工出来的零件表面较平整、沟痕较浅、表面较清晰，不同激光熔区相互搭接较好，致密度大于95％；扫描间距大于0.12mm后，加工出来的零件表面平整度逐渐下降，沟痕逐渐加深，球化现象逐渐严重，在激光熔区出现未熔化现象，致密度小于95％。因此，适合钴铬合金加工的激光最优扫描间距应不超过0.12mm。

表3.不同扫描间距下成型零件的性能对比

扫描间距(mm)	质量(g)	致密度(％)
			0.06	7.99	96.4
0.09	7.94	95.8
			0.12	7.90	95.3
0.15	7.83	94.5
			0.18	7.77	93.7
0.21	7.71	93.0

d.分层厚度：

实际的研究表明，扫描层厚增大可提高加工效率，但是却会影响加工质量，因此需要同时对激光功率、扫描速度、扫描间距这些其他参数，并作出相应的调整，以得到表面质量较好和性能良好零件。本实施例选取扫描速度作为相应调整的参数，对分层厚度进行优化对比。

在其它参数默认的状态下,本发明分别选取扫描层厚为0.03mm和0.07mm作为扫描间距节点，同时还分别选取275mm/s、375mm/s、475mm/s和500mm/s的扫描速度进行加工制造，并在最终成型后取件测试进行对比。同时采用基恩士激光共聚焦显微镜观察模型的表面形貌。从观察的扫描平面来看：扫描层厚为0.03mm时，在扫描速度分别为275mm/s、375mm/s、475mm/s 处的加工出来的零件表面轨道熔池较为平整，缺陷较少，加工效果较为理想；当扫描速度调整为500mm/s时，加工出来的零件表面出现较为明显的球化缺陷，表明此时的能量密度较低，能量密度＝激光功率/(扫描层厚×扫描速度×扫描间距)；还表明此时的加工效果较差，因此可以推断出对于扫描层厚为0.03mm的钴铬合金粉末来说，其加工扫描速度不应超过 500mm/s，同理也可推断出扫描层厚为0.07mm的钴铬合金粉末，其加工扫描速度不应超过 475mm/s。

综上所述，对于钴铬合金粉末来说,适合其最优工艺参数工参数为：扫描层厚为0.03～ 0.07mm，扫描速度不超过500mm/s，扫描间距不大于0.12mm，功率可选择区间为160W～180W。在实际加工中还需根据零件所需要的使用环境，在最优工艺参数内选择具体的加工参数。

与现有技术相比，本实施例基于选区激光熔化(SLM)的钴铬合金粉末成型方法采用选区激光熔化工艺，可根据实际要求精确制造各种各样结构的金属零件；采用优化对比法获取钴铬粉末成型的最优工艺参数，能根据实际所需力学性能情况而设定不同的最优工艺参数，灵活度高且动态性能好。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.采用优化对比法，获取钴铬合金粉末成型的最优工艺参数；

B.建立需要制备零件结构的三维模型；

C.以在所述步骤A中获取的最优工艺参数作为3D打印参数，对建立的三维CAD模型进行分层和扫描路径规划处理，从而生成3D打印所需的打印文件；

D.将在所述步骤C中生成的打印文件导入3D打印设备，并以钴铬合金粉末为成型材料进行3D打印。

2.根据权利要求1所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤A中，所述钴铬合金粉末成型的最优工艺参数包括最优激光功率、最优扫描速度、最优扫描间距和最优分层厚度中的任意一种参数或者任意几种参数的组合。

3.根据权利要求2所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤A中，包括如下步骤：

A1.建立边长为10毫米的正方体模型；

A2.根据设定的激光功率节点、扫描速度节点、扫描间距节点、分层厚度节点和在所述步骤A1中构建的正方体模型逐一进行加工，从而得到各个节点相应的零件模型；

A3.采用激光共聚焦显微镜，测量在所述步骤A2中得到的各个节点相应零件模型的表面形貌图像，然后根据采集的图像初步确定钴铬合金粉末成型的最优工艺参数所对应的节点范围；

A4.根据阿基米德原理，计算在所述步骤A3中初步确定的节点范围内每个节点相应零件模型的致密度，然后根据计算出的致密度确定钴铬合金粉末成型的最优工艺参数。

4.根据权利要求3所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤A2中，所述设定的激光功率节点为100W功率节点、120W功率节点、140W功率节点、160W功率节点和180W功率节点中的任意一种或任意几种的组合，作为加工功率节点。

5.根据权利要求3所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤A2中，所述设定的扫描速度节点为200mm/s速度节点、300mm/s速度节点、400mm/s速度节点、500mm/s速度节点和600mm/s速度节点中的任意一种或任意几种的组合。

6.根据权利要求3所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤A2中，所述设定的扫描间距节点为0.06mm间距节点、0.09mm间距节点、0.12mm间距节点、0.15mm间距节点、0.18mm间距节点和0.21mm间距节点中的任意一种或任意几种的组合。

7.根据权利要求3所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤A2中，所述设定的扫描层厚节点为厚度为0.03～0.07mm的中的任意一种厚度的层厚节点或任意几种厚度组合的层厚节点。

8.根据权利要求3所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：设定的激光功率节点、扫描速度节点、扫描间距节点和分层厚度节点均为两个或两个以上的节点。

9.根据权利要求1所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤C中，包括如下步骤：

C1.确定打印的方向；

C2.在三维模型沿打印方向的底部设置支撑结构，并对支撑结构的形状、高度、分布和疏密程度进行设计；

C3.以在所述步骤A中获取的最优工艺参数作为3D打印参数，沿打印方向按设定的层厚将分层预处理后的三维模型分解为层厚相等的层片，对建立的三维CAD模型进行分层处理；

C4.对建立的三维CAD模型的每一个层片进行扫描路径规划，在扫描路径填充完毕后，将分解的层片数据保存到Obj格式的打印文件中。

10.根据权利要求1所述基于选区激光熔化的钴铬合金粉末成型方法，其特征在于：在所述步骤D中，包括如下步骤：

D1.启动3D打印设备，等待3D打印设备预热至需要的工作温度；

D2.将在所述步骤C中生成的打印文件导入3D打印设备中；

D3.以钴铬合金粉末为成型材料，3D打印设备根据获取的最优工艺参数，使用钴铬合金材料粉末进行3D打印。