CN109434105A - 金属3d打印中的余粉清理工艺以及金属3d打印方法 - Google Patents

Abstract

涉及3D打印技术领域，本申请涉及一种金属3D打印中的余粉清理工艺以及金属3D打印方法，包括：针对金属3D打印部件的内腔结构设置有排粉通道，所述排粉通道用于排出所述内腔内的余粉；在部件成型后，在进行热处理之前，使用吹气经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理；在进行热处理之后，使用磨料流工艺经所述排粉通道对所述内腔余粉实施清理。可以保证3D打印中的复杂内腔结构中的粉末可以彻底清理，由于在热处理工艺前利用预设的排粉通道对内腔进行了一次排粉，可以尽量避免由于热处理工艺造成余粉在内腔的板结，所以，可以大幅减少部件的多余物料量。

Description

金属3D打印中的余粉清理工艺以及金属3D打印方法

技术领域

本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种金属3D打印中的余粉清理工艺以及金属3D打印方法。

背景技术

激光选区烧结((selective laser sinter-ing,SLS)工艺是利用各类粉末状材料成形金属部件。将金属材料粉末铺洒在已成形原型或零件的上表面，并用平整辊压平；用高强度的CO₂激光器在刚铺的新层上扫描出成形件该层的截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到成形件的新截面层,并与下面已成形的部分连接；当一层截面烧结完成后，铺上新的一层材料粉末,压实后再有选择地烧结下层截面。最后用风机吹去浮贴在表面的粉末即可得到烧结原型或零件。

SLS工艺的特点是材料适应面广，特别是可以制造金属零件,这使SLS工艺颇具吸引力。

现有技术的金属3D打印中，根据以上内容可知，由于是基于粉末铺洒的逐层成型的，所以对于具有复杂内腔结构的部件，内腔中使用方法会有大量粉末不能有效清理，这些残余的金属粉末会造成安全隐患。特别是，这对多余物控制严格的航天领域的危害更大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种金属3D打印中的余粉清理工艺。

第一方面，本申请提供了一种金属3D打印中的余粉清理工艺，包括：

针对金属3D打印部件的内腔结构设置有排粉通道，所述排粉通道用于排出所述内腔内的余粉；

在部件成型后，在进行热处理之前，使用吹气经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理；

在进行热处理之后，使用磨料流工艺经所述排粉通道对所述内腔余粉实施清理。

根据本申请的实施例，所述在部件成型后，在进行热处理之后，使用磨料流工艺之前，还具有步骤：超声波清理，通入清洗液经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理，余粉清理中配合使用高频超声波对所述内腔进行作用，以使粉末脱离排出。

根据本申请的实施例，所述排粉通道包括流入流道和流出流道，所述流入流道供清理工质流入，所述流出流道供将携带粉末的清理工质排出。

根据本申请的实施例，所述排粉通道是具有自支撑效果的孔结构。

根据本申请的实施例，所述具有自支撑效果的孔结构为圆孔、椭圆孔或拱形孔。

根据本申请的实施例，针对铝硅合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于5MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

根据本申请的实施例，针对TC4钛合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于6MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

本申请另一方面，提供一种金属3D打印方法，主要包括步骤：

模型设计，形成部件的三维模型，其中针对金属3D打印部件的各个内腔结构均设置有排粉通道，所述排粉通道用于排出所述内腔内的余粉；

切片，根据部件的三维模型形成多个二维切片；

3D打印成型，根据多个二维切片逐层成形所述部件；

初排粉，使用吹气或经所述排粉通道对所述部件的内腔实施余粉清理；

对成形部件进行热处理；

线切割工艺将成形部件与基底分离；

清理，通入清洗工质经所述排粉通道对所述部件的内腔实施余粉清理；

磨粒流清理，使用磨料流工艺经所述排粉通道对所述部件的内腔余粉实施清理。

根据本申请的实施例，所述排粉通道包括流入流道和流出流道，所述流入流道供清理工质流入，所述流出流道供将携带粉末的清理工质排出。

根据本申请的实施例，针对铝硅合金3D打印部件，所述排粉通道为直径小于5MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔；或者

针对TC4钛合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于6MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

可以保证3D打印中的复杂内腔结构中的粉末可以彻底清理，由于在热处理工艺前利用预设的排粉通道对内腔进行了一次排粉，可以尽量避免由于热处理工艺造成余粉在内腔的板结，所以，可以大幅减少部件的多余物料量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种金属3D打印中的余粉清理工艺的主要流程图。

图2为本申请实施例中航天器部件结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示意，本申请提供了一种金属3D打印中的余粉清理工艺，包括：

S001,针对金属3D打印部件的内腔结构设置有排粉通道，所述排粉通道用于排出所述内腔内的余粉；

S002,切片，根据部件的三维模型形成多个二维切片；

S003,利用金属3D打印进行部件成型；如前所述，可在一个金属基板上利用选区激光烧结技术进行；

S004，在进行热处理之前，使用吹气经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理；

S005，对成形部件进行热处理；

S006,以线切割工艺将成形部件与基底分离；

S007，在进行热处理之后，使用磨料流工艺经所述排粉通道对所述内腔余粉实施清理。

根据本申请的实施例，所述在部件成型后，在进行热处理之后，使用磨料流工艺之前，还具有步骤：超声波清理，通入清洗液经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理，余粉清理中配合使用高频超声波对所述内腔进行作用，以使粉末脱离排出。

根据本申请的实施例，所述排粉通道包括流入流道和流出流道，所述流入流道供清理工质流入，所述流出流道供将携带粉末的清理工质排出。

根据本申请的实施例，所述排粉通道是具有自支撑效果的孔结构。

根据本申请的实施例，所述具有自支撑效果的孔结构为圆孔、椭圆孔或拱形孔。

根据本申请的实施例，针对铝硅合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于5MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

根据本申请的实施例，针对TC4钛合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于6MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

具体实施例

将一个如图2所示意的航天器部件图纸导入三维模型处理软件中处理，在模型中，其中针对金属3D打印部件的各个内腔结构均设置有排粉通道1，所述排粉通道1用于排出所述内腔内的余粉；所述排粉通道1一般包括流入流道和流出流道，所述流入流道供清理工质流入，所述流出流道供将携带粉末的清理工质排出。根据本申请的实施例，所述排粉通道是具有自支撑效果的孔结构。根据本申请的实施例，所述具有自支撑效果的孔结构为圆孔、椭圆孔或拱形孔。如图中所示例的部件，在内侧的环形壁底部同样开设有多个排粉通道1，可以通过外层排粉通道1将吹气管和排粉管接入至内侧排粉通道1。如图中所示意，排粉通道1选择为圆心角超过200度的圆弧形孔，以便于提供良好的自支撑效果。

在针对铝硅合金3D打印部件的实施例中，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于5MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

针对TC4钛合金3D打印部件的实施例中，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于6MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

具体地实施步骤中，还具有：

之后把模型输出为STL格式文件导入3D打印专用编辑软件中设计支撑，并对设计好支撑的三维模型进行二维化处理，得到SLI二维切片数据文档；

将SLI二维切片数据文档导入金属粉末激光烧结系统作为选择性激光烧结的数据指令，准备进行激光烧结成形；

设定金属粉末激光熔化系统的加工工艺参数：比如激光功率为390W，扫描速度为1200mm/s，铺粉层厚为30μm，光斑直径为0.08mm，X轴、Y轴的偏移均为0.1％，光斑补偿为0.1mm；

清理金属粉末激光熔化系统，取钛合金粉末并铺展在金属粉末激光熔化系统的铺粉仓内，校准工作平台，然后往仓内通入高纯氩气，至仓内氧气含量为0.1％；其中，钛合金粉末参数为：D10为16μm，D50为38μm，D90为53μm，钛合金粉末的球化率为99％，松装密度为2.55g/cm3，钛合金为Ti6Al4V；

进行选区激光烧结，依次进行激光预烧结，铺粉，激光烧结，铺粉，激光烧结，其中，激光预烧结的铺粉层为2层；

在进行热处理之前，使用高压空气接通排粉通道的流入通道，吹气经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理；排粉通道可以连通到一个空气处理系统，比如利用旋风分离器和过滤装置进行气固分离，以便于将带有金属粉尘的空气进行净化处理，另外，空气处理系统还可选择带有负压风机，以便于利用负压将金属粉尘向外排出，避免大量遗留。可以理解的是，吹入的高压空气可以是加压的空气(比如通过工业上常用的空气压缩机)，若加工的金属材料的稳定性较差，为提高安全性，也可以吹入高压的惰性气体，比如二氧化碳、氮气等。并且，本实施例中，高压气源还可以设置为脉冲气源，比如在气源管路上设置一个电磁脉冲阀，可以远程控制其开启、关闭或吹气脉冲频率。如此可以保证更彻底的进行余粉清理。

然后进行热处理，热处理为真空热处理，真空度为2.5×10-3Pa，温度为750℃，保温时间为2小时；

将热处理后的支架部件进行线切割，切割采用高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为40ms，脉冲间隔为600ms，功放选择为8；

将线切割后的支架部件进行超声波清洗，清洗时间为120min，清洗介质为无水酒精；

将清洗后的支架部件采用16目的绿碳化硅喷砂，喷砂持续时间5min；

将喷砂后的支架部件进行抛光处理，化学抛光采用磷酸型化学抛光剂进行处理，得到高精度复杂结构的钛合金航天器部件。

利用本申请实施例，可以保证3D打印中的复杂内腔结构中的粉末可以彻底清理，由于在热处理工艺前利用预设的排粉通道对内腔进行了一次排粉，可以尽量避免由于热处理工艺造成余粉在内腔的板结，所以，可以大幅减少部件的多余物料量。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种金属3D打印中的余粉清理工艺，其特征在于，包括：

针对金属3D打印部件的内腔结构设置有排粉通道，所述排粉通道用于排出所述内腔内的余粉；

在部件成型后，在进行热处理之前，使用吹气的方式经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理；

在进行热处理之后，使用磨料流工艺经所述排粉通道对所述内腔余粉实施清理。

2.如权利要求1所述的余粉清理工艺，其特征在于，所述在部件成型后，在进行热处理之后，使用磨料流工艺之前，还具有步骤：

超声波清理，通入清洗液经所述排粉通道对所述内腔实施余粉清理，余粉清理中配合使用高频超声波对所述内腔进行作用，以使粉末脱离排出。

3.如权利要求1所述的余粉清理工艺，其特征在于，所述排粉通道包括流入流道和流出流道，所述流入流道供清理工质流入，所述流出流道供将携带粉末的清理工质排出。

4.如权利要求1所述的余粉清理工艺，其特征在于，所述排粉通道是具有自支撑效果的孔结构。

5.如权利要求4所述的余粉清理工艺，其特征在于，所述具有自支撑效果的孔结构为圆孔、椭圆孔或拱形孔。

6.如权利要求4所述的余粉清理工艺，其特征在于，针对铝硅合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于5MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

7.如权利要求4所述的余粉清理工艺，其特征在于，针对TC4钛合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于6MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。

8.一种金属3D打印方法，其特征在于，包括步骤：

模型设计，形成部件的三维模型，其中针对金属3D打印部件的各个内腔结构均设置有排粉通道，所述排粉通道用于排出所述内腔内的余粉；

切片，根据部件的三维模型形成多个二维切片；

3D打印成型，根据多个二维切片逐层成形所述部件；

初排粉，使用吹气经所述排粉通道对所述部件的内腔实施余粉清理；

对成形部件进行热处理；

以线切割工艺将成形部件与基底分离；

清理，通入清洗工质经所述排粉通道对所述部件的内腔实施余粉清理；

磨粒流清理，使用磨料流工艺经所述排粉通道对所述部件的内腔余粉实施清理。

9.如权利要求8所述的金属3D打印方法，其特征在于，所述排粉通道包括流入流道和流出流道，所述流入流道供清理工质流入，所述流出流道供将携带粉末的清理工质排出。

10.如权利要求8所述的余粉清理工艺，其特征在于，

针对铝硅合金3D打印部件，所述排粉通道为直径小于5MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔；或者

针对TC4钛合金3D打印部件，所述具有自支撑效果的孔结构为直径小于6MM的圆孔、椭圆孔或拱形孔。