CN108889949A - 一种模具构件的3d打印制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模具构件的3D打印制造方法，包括如下步骤：对模具构件的数模进行切片处理，得到模具构件的截面参数；铺设合金粉末，得到粉末工作层；根据模具构件的截面参数对粉末工作层进行激光扫描；循环铺设合金粉末的步骤和对粉末工作层进行激光扫描的步骤，即得到模具构件。本公开的模具构件的3D打印制造方法实施方便，成本低于传统的模具构件制造方法。制得的模具构件精度较高，粗糙度低，致密度高，硬度高于锻件，抗拉强度优于铸件，耐磨性好。

Description

一种模具构件的3D打印制造方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，更具体地，涉及一种模具构件的3D打印制造方法。

背景技术

模具是指在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件的工具。模具由各种零件构成，不同类型的模具由不同类型的零件构成，这些零件可称为模具构件。

随着现代制造业的高速发展，模具在制造业中的应用越来越广泛，模具工业已逐渐发展成为国民经济的基础工业。但模具的结构复杂，模具构件性能要求高，生产周期长，加工费用高等问题导致模具的成本高昂。一旦某个模具构件发生失效，将会带来巨大的经济损失。

因此，如何提供一种便于实施，成本低，机械性能和力学性能俱佳的模具构件的制造方法成为本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种便于实施，成本低，机械性能和力学性能俱佳的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种模具构件的3D打印制造方法。

该模具构件的3D打印制造方法，包括如下步骤：

对模具构件的数模进行切片处理，得到模具构件的截面参数；

铺设合金粉末，得到粉末工作层；

根据模具构件的截面参数对粉末工作层进行激光扫描，使得被扫描区域内的合金粉末熔化并凝固，以得到构件形成块，其中，所述激光扫描的工作气氛为惰性气氛，所述激光扫描的激光能量密度小于或等于100J/mm³，所述激光扫描的扫描速率为0.8-2.4m/s，所述激光扫描的激光功率为140-350W，所述激光扫描的扫描间距为60-100μm；

循环铺设合金粉末的步骤和根据模具构件的截面参数对粉末工作层进行激光扫描的步骤，即得到模具构件。

可选的，所述激光扫描的激光能量密度为50-75J/mm³。

可选的，所述激光扫描的扫描速率为1.2-1.6m/s。

可选的，所述激光扫描的激光功率为140-160W。

可选的，所述激光扫描的扫描间距为80μm。

可选的，所述激光扫描的扫描策略如下：

将粉末工作层的待扫描区域分隔为多个分区，分区的分隔线与激光扫描路径相交，且在前一分区的激光扫描结束后再进行后一分区的激光扫描。

可选的，分区的分隔线与激光扫描路径相垂直，且分隔线之间的间距为3.5-4.5mm。

可选的，相邻的粉末工作层的激光扫描路径之间形成65°-70°的夹角。

可选的，所述合金粉末为自熔性镍基合金粉末，所述自熔性镍基合金粉末的粒径为21-60μm。

可选的，所述自熔性镍基合金粉末的组成按质量百分数计如下：

64.86％的Ni，0.64％的C，13.08％的Fe，14.56％的Cr，2.94％的B，3.92％的Si。

本公开的模具构件的3D打印制造方法实施方便，成本低于传统的模具构件制造方法。制得的模具构件精度较高，粗糙度低，致密度高，硬度高于锻件，抗拉强度优于铸件，耐磨性好。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为本公开模具构件的3D打印制造方法实施例的流程图。

图2为本公开模具构件的3D打印制造方法的激光扫描的扫描策略实施例的示意图。

图3为通过本公开模具构件的3D打印制造方法制得的模具构件剖面的金相试样照片。

图4为通过本公开模具构件的3D打印制造方法制得的模具构件的扫描电镜照片。

图5为通过本公开模具构件的3D打印制造方法制得的模具构件的X射线衍射图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了解决现有的模具构件的制造方法存在的问题，本公开提供了一种模具构件的3D打印制造方法。

如图1所示，该模具构件的3D打印方法包括如下步骤：

步骤S01：对模具构件的数模进行切片处理，得到模具构件的截面参数。切片处理和获得截面参数均可采用3D打印领域熟知的方式实现。例如，先采集或绘制得到模具构件的CAD模型，然后使用切片软件对模型进行切片处理，即可得到模具构件的每个切片的截面参数。

步骤S02：铺设合金粉末，得到粉末工作层。上述合金粉末通常可为自熔性合金粉末。

步骤S03：根据模具构件的截面参数对粉末工作层进行激光扫描，使得被扫描区域内的合金粉末熔化并凝固，以得到构件形成块。粉末工作层上被激光扫描处理的区域内的合金粉末在激光的作用下快速加热熔化并冷却凝固，形成了可用于组合成模具构件的构件形成块。粉末工作层上未被激光扫描处理的区域的合金粉末可在模具构件制造完成后进行回收。

本公开的激光扫描的工作气氛为惰性气氛。具体实施时，可往加工室内通入氩气，并在氧的体积含量低于0.01％时开始3D打印操作。

本公开激光扫描的激光能量密度小于或等于100J/mm³。过高的激光能量密度会导致模具构件不能成形，合适的激光能量密度有助于提高模具构件的成形率，并提高模具构件的致密度。

本公开的激光扫描的扫描速率为0.8-2.4m/s。本公开的激光扫描的激光功率为140-350W。本公开的激光扫描的扫描间距为60-100μm。该扫描间距有助于提高模具构件的成形率，并提高模具构件的致密度。

步骤S04：循环铺设合金粉末的步骤和根据模具构件的截面参数对粉末工作层进行激光扫描的步骤，即得到模具构件。也即是，在完成对当前的粉末工作层的激光扫描处理后得到当前的构件形成块，再进行铺设合金粉末的操作，得到后续的粉末工作层，接着根据模具构件的截面参数对后续的粉末工作层进行激光扫描，使得被扫描区域内的合金粉末熔化并凝固，以得到后续的构件形成块。随着以上的操作重复进行，不同的构件形成块组合形成模具构件。

在本公开的模具构件的3D打印制造方法的一个实施例中，可首先采集或绘制得到模具构件的CAD模型，然后使用切片软件对模型进行切片处理，由每个切片的截面参数可生成3D打印设备的加工代码。同时，可将合金粉末装入3D打印设备的储粉罐内，并送入3D打印设备的铺粉系统。

打印开始前，向加工室内通入氩气，当加工室中氧气的体积含量低于0.01％时即可开始打印。铺粉系统先在3D打印设备的基板上铺设好第一层粉末工作层，3D打印设备的激光根据第一切片的加工代码按照预设的路径对第一层粉末工作层内的合金粉末进行扫描处理，合金粉末被以极快的速度加热完全熔化并冷却凝固，得到第一块构件形成块。当第一块构件形成块打印结束后，铺粉系统将第二层粉末工作层铺设在第一层粉末工作层上，第二层粉末工作层覆盖第一层粉末工作层上已成型的第一块构件形成块，3D打印设备的激光根据第二切片的加工代码按照预设的路径对第二层粉末工作层内的合金粉末进行扫描处理，得到与第一块构件形成块结合在一起的第二块构件形成块。重复铺设合金粉末和对粉末工作层进行激光扫描的步骤，直至得到最后一块构件形成块。此时，模具构件整体成型。全部打印结束后，待模具构件充分冷却时从3D打印设备中取出。将模具构件与基板分离，并回收未成形的合金粉末。

参见图3，通过本公开模具构件的3D打印制造方法制得的模具构件剖面的金相试样照片可以看出，试样组织均匀，呈整齐排列的鱼鳞纹状。参见图4，通过本公开模具构件的3D打印制造方法制得的模具构件的扫描电镜照片可以看出，模具构件的表面的晶相组织均匀，主要为细小的树枝晶，呈现出细晶强化的效果。

本公开的模具构件的3D打印制造方法实施方便，成本低于传统的模具构件制造方法。制得的模具构件精度较高，粗糙度可达5μm以内，致密度可达98％以上。通过对激光扫描工作参数的合理优化，得到的模具构件的晶相组织细小且致密，从而从整体上提高了模具构件的机械性能和力学性能。

在本公开模具构件的3D打印制造方法的一个实施例中，激光扫描的激光能量密度为50-75J/mm³。特别的，激光扫描的激光能量密度为75J/mm³。

在本公开模具构件的3D打印制造方法的一个实施例中，激光扫描的扫描速率为1.2-1.6m/s。

在本公开模具构件的3D打印制造方法的一个实施例中，激光扫描的激光功率为140-160W。

在本公开模具构件的3D打印制造方法的一个实施例中，激光扫描的扫描间距为80μm。

参见图2，在本公开模具构件的3D打印制造方法的一个实施例中，激光扫描的扫描策略如下：

将粉末工作层的待扫描区域分隔为多个分区，分区的分隔线(图中虚线所示)与激光扫描路径(图中箭头线所示)相交，且在前一分区的激光扫描结束后再进行后一分区的激光扫描。

图2中示出了两层粉末工作层的扫描区域，分别为扫描区域A和扫描区域B。各扫描区域中的箭头线为激光扫描路径，各扫描区域中与箭头线相交的虚线为分区的分隔线。当对某层粉末工作层的扫描区域进行激光扫描时，激光沿着一个分区内的多条激光扫描路径一一扫描后，激光再沿着另一个分区内的多条激光扫描路径一一扫描。

这种分区扫描的激光扫描策略有利于避免打印过程中出现过高的热应力，从而提高模具构件的机械性能和力学性能。

进一步的，为了更有效地避免打印过程中出现过高的热应力，分区的分隔线与激光扫描路径相垂直，且分隔线之间的间距为3.5-4.5mm。上述分隔线之间的间距是指相邻的分隔线之间的距离，也即是位于分区内的激光扫描路径的长度。特别的，分隔线之间的间距为4mm。

进一步的，为了更有效地避免打印过程中出现过高的热应力，相邻的粉末工作层的激光扫描路径之间形成65°-70°的夹角。上述相邻的粉末工作层的激光扫描路径之间形成的夹角是指某层粉末工作层上的激光扫描路径在另一层粉末工作层上的投影与该另一层粉末工作层上的激光扫描路径之间形成的夹角。特别的，相邻的粉末工作层的激光扫描路径之间形成67°的夹角。

为了提高模具构件的3D打印制造方法制得的模具构件的成形率及机械力学性能，本公开的合金粉末可为自熔性镍基合金粉末。自熔性镍基合金粉末的熔点较低，与其它镍基高温合金相比，熔化所需激光能量较小。自熔性镍基合金粉末的粒径可为21-60μm。此外，自熔性镍基合金粉末的颗粒形状可为球形。

进一步的，自熔性镍基合金粉末的组成按质量百分数计如下：64.86％的Ni，0.64％的C，13.08％的Fe，14.56％的Cr，2.94％的B，3.92％的Si。参见图5，由上述成分配比的自熔性镍基合金粉末制成的模具构件的X射线衍射图可以看出，γ-Ni为主要基体，其中弥散分布着FeNi₃和少量Ni₃Si。Cr原子与B形成Cr₂B强化相。因为快速加热和冷却过程中存在非平衡结晶过程，所以合金中还有中间化合物Ni_2.9Cr_0.7Fe_0.36形成。Fe和C形成马氏体C_0.08Fe_1.92。而且，在不同能量输入条件下制得的模具构件的物相无明显变化。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

对模具构件的数模进行切片处理，得到模具构件的截面参数；

铺设合金粉末，得到粉末工作层；

根据模具构件的截面参数对粉末工作层进行激光扫描，使得被扫描区域内的合金粉末熔化并凝固，以得到构件形成块，其中，所述激光扫描的工作气氛为惰性气氛，所述激光扫描的激光能量密度小于或等于100J/mm³，所述激光扫描的扫描速率为0.8-2.4m/s，所述激光扫描的激光功率为140-350W，所述激光扫描的扫描间距为60-100μm；

循环铺设合金粉末的步骤和根据模具构件的截面参数对粉末工作层进行激光扫描的步骤，即得到模具构件。

2.根据权利要求1所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，所述激光扫描的激光能量密度为50-75J/mm³。

3.根据权利要求1所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，所述激光扫描的扫描速率为1.2-1.6m/s。

4.根据权利要求1所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，所述激光扫描的激光功率为140-160W。

5.根据权利要求1所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，所述激光扫描的扫描间距为80μm。

6.根据权利要求1所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，所述激光扫描的扫描策略如下：

将粉末工作层的待扫描区域分隔为多个分区，分区的分隔线与激光扫描路径相交，且在前一分区的激光扫描结束后再进行后一分区的激光扫描。

7.根据权利要求6所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，分区的分隔线与激光扫描路径相垂直，且分隔线之间的间距为3.5-4.5mm。

8.根据权利要求6所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，相邻的粉末工作层的激光扫描路径之间形成65°-70°的夹角。

9.根据权利要求1至8任一项中所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，所述合金粉末为自熔性镍基合金粉末，所述自熔性镍基合金粉末的粒径为21-60μm。

10.根据权利要求9所述的模具构件的3D打印制造方法，其特征在于，所述自熔性镍基合金粉末的组成按质量百分数计如下：

64.86％的Ni，0.64％的C，13.08％的Fe，14.56％的Cr，2.94％的B，3.92％的Si。