CN109332690B - 一种金属3d打印方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属3D打印方法和装置，包括3D打印头，还设有可跟随3D打印头运动的超声波发生装置，用于对通过3D打印头形成的三维部件进行消除应力处理，利用3D打印头逐层打印三维部件，三维部件的至少一部分区域在打印时采用超声波形式进行消除应力处理。本发明在3D打印的同时，采用超声波逐层冲击3D打印层，使打印层产生微量塑形变形，并且每层受到的超声波冲击力平均，从而及时彻底地消除金属打印层凝固时产生的拉应力，并且引入有益的压应力，同时可以使打印层组织晶粒得到细化，消除了裂纹，未熔合，凹坑，气泡和咬边等缺陷，改善了组织性能，提高了层与层之间的结合强度，进一步提高了打印质量。

Description

一种金属3D打印方法和装置

技术领域

本发明涉及金属3D打印领域，特别是涉及一种金属3D打印方法和装置。

背景技术

3D打印技术正在快速改变传统的生产和生活方式，其中金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属3D打印作为一种增材制造技术，区别于以往去料成型的机械加工方式，摆脱了现有工艺水平的束缚，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印技术来实现。3D打印技术是以数字模型文件为基础，使用特殊材料作为耗材，通过打印，一层层的粘合材料来制造三维的物体，从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产率，而且相对于钛合金等难机械加工成型的金属，除省去了机械加工和模具费用外，还大大减少了对加工过程中去料量的浪费，从而降低了金属部件的制造成本。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有：选区激光烧结(SLS)、直接金属激光成型(DMLS)、选区激光熔化(SLM)、电子束熔化(EBM)和激光熔覆式成型技术(LMD)等成型方式来实现。

金属材料的3D打印制造技术存在较大难度，是因为金属的熔点比较高，并且涉及到金属的固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程。而且，快速的加热和冷却还将引起试件内较大的残余应力，直接影响部件的耐磨性、耐蚀性、疲劳寿命等，导致整体部件机械性能下降，残余拉应力过大甚至使大尺寸部件发生断裂，成型失败。

现有技术的3D消除应力的方式和装置，都只能减少金属部件中的拉应力而不能完全消除，这样大大影响了金属部件的性能。并且现在有的技术，都只适用一种金属3D打印部件快速成型的方式，而不适用于其他的方式，有一定的局限性。

发明内容

基于此，有必要针对于现有技术中3D打印机消除应力不充分和装置只能匹配其固定的3D打印方式的问题，提供一种金属3D打印方法和装置。

一种金属3D打印方法，包括利用3D打印头逐层打印三维部件，其特征在于，所述三维部件的至少一部分区域在打印时采用超声波形式进行消除应力处理。

上述金属3D打印方法，在3D打印的同时，采用超声波逐层冲击3D打印层，使打印层产生微量塑形变形，并且每层受到的超声波冲击力平均，从而及时地彻底消除金属打印层凝固时产生的内应力。

在其中一个实施例中，进行消除应力处理的部位跟随3D打印头的运动而变化。

在其中一个实施例中，在打印当前层的同时进行消除应力处理。

在其中一个实施例中，通过带有冲击头的超声波发生装置进行消除应力处理，在进行消除应力处理的同时还检测所述冲击头与所接触的三维部件之间的压力，并根据压力相应调节所述冲击头的位置。

一种金属3D打印装置，包括3D打印头，其特征在于，还设有可跟随3D打印头运动的超声波发生装置，用于对通过3D打印头形成的三维部件进行消除应力处理。

上述金属3D打印装置，可跟随3D打印头运动且轨迹一样，可及时的消除金属打印层在凝固过程中产生的内应力。

在其中一个实施例中，所述超声波发生装置包括：

超声波发生器，用于将工频电流转换为超声频振荡信号；

换能器，与所述超声波发生器相连接，用于将所述超声频振动信号转换为同频率的机械能；

变幅杆，与所述换能器连接，用于放大所述机械能振幅；以及

冲击头，与所述变幅杆相连接，且作用于进行消除应力处理的部位。

在其中一个实施例中，所述超声波发生装置与3D打印头之间的连接关系为：

设置相对于所述3D打印头独立设置的调节支架，所述超声波发生装置安装在该调节支架上且超声波发生装置相对于3D打印头位置可调；或

所述超声波发生装置通过安装架与所述3D打印头相连。

在其中一个实施例中，所述超声波发生装置和3D打印头这两者中，至少一者与所述安装架之间采用活动连接并带有位置锁定机构。

在其中一个实施例中，还包括力控单元，用于调节所述冲击头与进行消除应力处理的部位之间的压力。

在其中一个实施例中，所述力控单元包括：

压力传感器，用于采集冲击头与进行消除应力处理的部位之间的压力信号；

驱动机构，安装于所述调节支架或安装架，并作用于所述超声波发生器；

所述驱动机构包括：

伺服电机，安装于所述调节支架或安装架；

丝杠螺母副，连接在所述伺服电机的输出轴以及超声发生器的外壳之间。

附图说明

图1为本实施例中金属3D打印装置的结构示意图。

具体实施方式

金属3D打印技术是以数字模型文件为基础，融化金属打印材料，一层层的堆叠金属打印材料来制造三维的金属物件。在打印过程中，因为金属材料快速的加热熔化到冷却会引起金属材料内部的残余内应力，内应力一般包括拉应力，和压应力，这两种应力在金属内部分布极其不平均，其中拉应力将直接影响部件的的耐磨性，耐蚀性、疲劳寿命等，导致整体部件机械性能下降，且残余拉应力过大甚至使大尺寸部件发生断裂，成型失败。

本实施例提供可一种金属3D打印方法，包括利用3D打印头逐层打印三维部件，在打印过程中，三维部件的至少一部分区域采用超声波形式进行消除应力的处理。

在现有技术中，对于三维部件内部应力的消除，一般是在整体打印结束以后，对已经完成打印的金属层进行整体应力消除。但是这样的消除应力方法，并不能将金属内部由于快速降温凝固而产生的拉应力彻底消除。

在本实施例中，采取的方式是在三维部件打印的过程中，及时对三维部件进行消除应力的处理。三维部件进行消除应力处理的部位是跟随着3D打印头一起运动的，在进行消除应力处理时尚未被下一层覆盖，这样跟随式消除应力的方法，使三维部件各处受到的冲击效果一致，可使三维部件内部残余拉应力彻底消除，植入有益且均匀的压应力。

在本实施例中，在3D打印当前层时的同时进行消除应力处理，即当在3D打印完成当前层后，随即开始后一层的打印之前，当前层金属内部的应力已经被消除。这样有利于后一层的金属层可以与当前层的金属层更好的粘合在一起，使整个三维部件的性能提高。

在本实施例中，通过带有冲击头的超声波发生装置进行消除应力处理，在进行消除应力出来的同时还检测冲击头与所接触的三维部件之间的压力，并根据压力相应调节冲击头的位置。这样在打印层厚度不一样的时候，可以使打印层内部受到的压力一直保持恒定的状态。

如图1所示，本实施例还提供了一种金属3D打印装置，包括3D打印头1和可跟随3D打印头运动的超声波发生装置2，用于对通过3D打印头1形成的三维部件进行消除应力处理。

在本实施例中，超声波发生装置2可跟随着3D打印头1一起运动，当3D打印头作用在金属打印材料上时，跟随着的超声波发生装置2可及时的对形成的三维部件(至少是局部区域)进行消除应力的处理。这种跟随式的应力消除处理，使当前层的待处理区域在被下一层覆盖之前就已经完成消除应力的处理，使最后成型的三维部件，各处部位受到的超声波冲击是平均的。这样可以及时彻底消除金属的拉应力，防止应力不平均对三维部件的不良影响的产生。并且在彻底消除金属的拉应力时，还在打印过程中通过引入超声振动，在超声波冲击三维部件表面的同时向打印层中引入了一定量的有益压应力，提高打印材料性能。

如图1所示，超声波发生装置2包括：超声波发生器21，换能器22，变幅杆23,以及冲击头24。

在本实施例中，超声波发生器21是用于将工频交流电(例如50Hz)转换变成超声频振荡信号，为超声波发生装置2提供超声能量。并且可以通过控制超声波发生器调节超声波信号的频率和振幅等。换能器22与超声波发生器21连接，将超声波发生器21产生的超声波转换成同频率的的机械能，并且作用在跟换能器22相连接的变幅杆23上。通过调节变幅杆23伸缩幅度，从而可以放大机械能的振幅大小。冲击头24与变幅杆23相连接，通过变幅杆23,将可调节的能量通过冲击头24作用在待处理的三维部件表面。冲击头24与变幅杆23之间可以采用一体结构，或采用固定连接的分体结构。

在本实施例中，由于不同的金属3D打印设备选用的激光设备不同，也就是3D打印头1不同，以及预打印的三维部件尺寸不同，所以在金属的三维部件在成型过程中，使金属打印材料融化的激光聚焦的光斑直径也不相同，其跨度从30μm至3mm不等；而且不同成型方式(填粉式和喷粉式)的金属粉料添加方式不同。为了保证金属粉料供给的连续性和三维部件成型的致密性，适应不同的3D打印头和金属成型方式，可以根据需要将冲击头24设计成不同大小和形式。

当选用金属3D打印方式为填粉式，金属成型类型为选区激光烧结成型时。在工作时，3D打印头1采用波长为10.6μm的红外CO₂气体激光器，工作距离在100mm下的辐射光斑直径为0.2-0.3mm，打印材料为金属粉末粒径在0.1mm以下。在这种情况下，冲击头24可选择为超声波冲击头端面为半球形，直径可选0.5-2mm，冲击头24距离3D打印头光斑10mm。首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束和冲击头24在计算机控制下一层完成后再进行下一层烧结和冲击。之后再通过盲孔法残余应力检测，应力分布为-90～-110MPa，均为压应力。

当选用金属3D打印方式为喷粉式，金属成型类型为选区激光熔覆形式时。在工作时，3D打印头1采用波长为1.06μm的Nd-YAG固体激光器，激光功率240W、扫描速度6-10mm/s，送粉量8g/min；，冲击头24可选择为超声波冲击头端面为半球形，直径可选0.5-2mm，冲击头24距离3D打印头光斑10mm。成型过程中，通过喷嘴将粉末聚集到工作平面上，同时激光束也聚集到该点，将粉光作用点重合，通过计算机控制喷嘴和冲击头移动，获得堆积的熔覆实体，并完成冲击。之后再通过盲孔法残余应力检测，应力分布为-90～-110MPa，均为压应力。

在本实施例中，通过换能器22将超声波转化为同频率的机械能，再通过变幅杆23放大或者缩小机械能的振幅，然后把这些能量通过冲击头24传导至待处理的三维部件区域表面。作为举例，本实施例工作过程中，工作功率：50-1000W，工作频率：18-60KHz，工作振幅：1-50μm。

在本实施例中，超声波发生装置2安装在相对于3D打印头1独立设置的调节支架上，即调节支架本身与3D打印头之间并不要求有确定的连接关系，但调节支架可以改变超声波发生装置2的空间位置，使得超声波发生装置2可以具有与3D打印头1相同的运动轨迹，即可跟随3D打印头1对三维部件及时进行消除应力的处理。当然由于超声波发生装置2可相对于3D打印头1独立运动，因此也可在3D打印头1工作中，超声波发生装置2并不实时跟随，只对特定的三维部件局域进行消除应力处理。

本实施例开始工作时，可以通过调节支架改变超声波发生装置2的冲击头24对三维部件冲击角度。根据不同种类的金属打印材料冷却的速度，和不同激光设备的激光聚焦光斑的直径大小，来设定冲击头24与3D打印头1的距离，并且冲击头24始终保持在3D打印头1运动轨迹的后端。本实施例开始工作时，当打印到三维部件的边缘(例如当前层中最后一部分的待处理区域)时，打印头1停止打印的同时还需沿着运动轨迹继续向前一段，使得冲击头24可以冲击到待处理区域的左右部位，避免遗漏，再继续下一层(或间隔的下一局域)的打印，以此保证对打印层的冲击的完整性。

如图1所示，在本实施例中，超声波发生装置2还可以通过安装架3直接与3D打印头1连接，与3D打印头1同步运动。

安装架3与3D打印头1之间的连接方式，既可以始终保持相对固定，也可是采用相对位置可调的方式。安装架3主要起支撑和连接作用，应保持必要的强度，就其具体结构本身并没有严格限制，例如可采用一体或分体结构，在采用分体结构时，各部分之间可以采用固定或活动连接，采用活动连接时也配置相应的导向、锁定机构以限制不同部分间的相对运动。

在本实施例中，为了便于调节超声波发生装置2和3D打印头1的相对位置，安装架3与超声波发生装置2和3D打印头1中的至少一者采用活动连接，通过活动部位能够调节3D打印头1和冲击头24之间的距离，和改变冲击头24对三维部件冲击角度。

本实施例开始工作时，根据不同种类的金属打印材料冷却的速度，和不同激光设备的激光聚焦光斑的直径大小，来设定冲击头24与3D打印头1的距离，并且冲击头24始终保持在3D打印头1运动轨迹的后端。由于超声波发生装置2通过安装架3直接与3D打印头1连接，因此可以保持精准的相对位置关系。本实施例开始工作时，当打印到三维部件的边缘时，打印头1停止打印的同时还需沿着运动轨迹继续向前一段，使得冲击头24可以冲击到三维部件的边缘，再继续下一区域的打印，以此保证对打印层的冲击的完整性。

在本实施例中，安装架3活动连接的部位设置有锁定机构，当调节好冲击头24和3D打印头1之间的距离，以及冲击头24对三维部件冲击角度后，可以通过锁定机构来固定，使冲击头24和3D打印头1在运动过程中之间的位置不会变动。

如图1所示，本实施例还包括力控单元4，用于调节冲击头24与进行消除应力处理的三维部件的部位之间的压力。

在本实施例中，力控单元4除了为冲击头24提供作用在三维部件表面进行消除应力的压力，还可以在消除应力的同时，及时的调节压力，使作用在三维部件表面进行消除应力的压力为恒定的。

超声波发生装置2提供有效的高能超声振动和力控单元4提供的压力，通过冲击头24对金属的三维部件进行冲击，可及时彻底地消除金属打印材料凝固时产生的拉应力，防止内应力不平均对三维部件不良影响的产生。另外，通过此方法在三维部件表面施加的高能超声振动，还可以向三维部件打印层内部引入一定量的有益的压应力，且超声冲击可以使金属材料晶格被打碎，起到晶粒细化和压实的作用，从而提高打印材料的性能。在高能超声振动施加在三维部件表面的同时，其高能超声振动还可以传递到打印层熔池区，使熔池内产生一定的超声效应，细化熔池金属晶粒，起到预防打印层孔洞、气孔、热裂纹等缺陷的产生。还可以改善熔池内金属凝固结晶过程，改善或者消除裂纹，未熔合，凹坑和咬边等缺陷。进一步的改善打印零件性能，减少潜在疲劳源，提高疲劳强度，使大型工件打印成为可能。

如图1所示，力控单元4包括压力传感器41，和驱动机构42。

在本实施例中，压力传感器41用于采集冲击头24与三维部件进行消除应力处理的部位之间的压力信号。在金属3D打印，三维部件逐层形成的过程中，打印层的厚度从20μm至3mm不等，由于该层金属受到冲击头24处理时，尚处在较高的温度区间，抗变形能力会与常温下性能有很大不同。因此，为了保证三维部件在消除内应力的同时不发生形变，和保证处理性能的一致性，需要随时采集冲击头24与三维部件进行消除应力处理的部位之间的信号，并且及时反馈给驱动机构42,驱动机构42及时进行相应的调节，使打印层在厚度变化时，受到的冲击力恒定不变。

在本实施例中，驱动机构42安装于调节支架或安装架3，并作用于超声波发生器2。

如图1所示，驱动机构42包括，安装在调节支架或安装架3的伺服电机421，以及连接在伺服电机的输出轴以及超声波发生器21的外壳之间的丝杠螺母副422。伺服电机421根据输入的不同脉冲改变输出轴转动的方向，正转或者反转。伺服电机421的输出轴与丝杆螺母副422的丝杆连接，带动丝杆做正转或反转的运动，通过螺母与丝杆之间螺纹配合将司机电机421做的旋转运动转换，使螺母在丝杆422上做上下直线运动。螺母与超声波发生器21的外壳相连接，从而带动超声波发生器21做上下直线运动。通过调节伺服电机421转动速度可以控制作用在可在超声波发生器21上的压力，从而达到调节冲击头24作用在三维部件进行消除应力区域的压力。本实施例中，伺服电机421不拘于使用一种电机，可使用例如步进电机。

当本实施例在工作时，在对三维部件的至少一部分区域进行应力消除时，压力传感器41同时采集冲击头24与三维部件进行消除应力处理的区域之间的压力信号。当金属打印层的厚度变化时，压力传感器41及时将相对应的变化压力信号反馈给伺服电机421，使伺服电机421调节相应的转速，使冲击头作用在三维部件进行消除应力处理的区域的压力有相应的变化，使三维部件内部受到的压力一直恒定不变。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种金属3D打印方法，包括利用3D打印头逐层打印三维部件，其特征在于，所述三维部件的至少一部分区域在打印时采用超声波形式进行消除应力处理，其中，在3D打印当前层的同时通过带有冲击头的超声波发生装置进行消除应力处理，在进行消除应力处理的同时还检测所述冲击头与所接触的三维部件之间的压力，并根据压力相应调节所述冲击头的位置；其中，当金属打印层厚度变化时，冲击头作用在三维部件进行消除应力处理的区域的压力相应变化；通过调节支架改变超声波发生装置的冲击头对三维部件冲击角度；根据不同种类的金属打印材料冷却的速度，和不同激光设备的激光聚焦光斑的直径大小，来设定冲击头与3D打印头的距离，并且冲击头始终保持在3D打印头运动轨迹的后端；适应不同的3D打印头和金属成型方式，可以根据需要将冲击头设计成不同大小和形式。

2.根据权利要求1所述的金属3D打印方法，其特征在于，进行消除应力处理的部位跟随3D打印头的运动而变化。

3.一种金属3D打印装置，包括3D打印头，其特征在于，还设有可跟随3D打印头运动的超声波发生装置，用于对通过3D打印头形成的三维部件进行消除应力处理，其中，在3D打印当前层的同时通过带有冲击头的超声波发生装置进行消除应力处理，在进行消除应力处理的同时还检测所述冲击头与所接触的三维部件之间的压力，并根据压力相应调节所述冲击头的位置；当金属打印层厚度变化时，冲击头作用在三维部件进行消除应力处理的区域的压力相应变化；还包括改变超声波发生装置的冲击头对三维部件冲击角度的调节支架。

4.根据权利要求3所述的金属3D打印装置，其特征在于，所述超声波发生装置包括：

超声波发生器，用于将工频电流转换为超声频振动信号；

换能器，与所述超声波发生器相连接，用于将所述超声频振动信号转换为同频率的机械能；

变幅杆，与所述换能器连接，用于放大所述机械能振幅；以及

冲击头，与所述变幅杆相连接，且作用于进行消除应力处理的部位。

5.根据权利要求4所述的金属3D打印装置，其特征在于，所述超声波发生装置与3D打印头之间的连接关系为：

设置相对于所述3D打印头独立设置的调节支架，所述超声波发生装置安装在该调节支架上且超声波发生装置相对3D打印头位置可调；或所述超声波发生装置通过安装架与所述3D打印头相连。

6.根据权利要求5所述的金属3D打印装置，其特征在于，所述超声波发生装置和3D打印头这两者中，至少一者与所述安装架之间采用活动连接并带有位置锁定机构。

7.根据权利要求4所述的金属3D打印装置，其特征在于，还包括力控单元，用于调节所述冲击头与进行消除应力处理的部位之间的压力。

8.根据权利要求7所述的金属3D打印装置，其特征在于，所述力控单元包括：

压力传感器，用于采集冲击头与进行消除应力处理的部位之间的压力信号；

驱动机构，安装于所述调节支架或安装架，并作用于所述超声波发生器；

所述驱动机构包括：

伺服电机，安装于所述调节支架或安装架；

丝杠螺母副，连接在所述伺服电机的输出轴以及超声发生器的外壳之间。

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