CN110014153A - 一种利用3d打印制备周期性铝合金晶格结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，周期性铝合金结构是由一个个具有不同镂空形状的基本单元体组成，所述的周期性铝合金晶格结构是利用建模软件进行参数化阵列建立模型通过3D打印得到的具有高强相对密度比的轻量化结构。本发明使用三维软件建模和设计，采用激光选区熔化技术的3D打印技术，重点利用有限元软件模拟3D打印机打印工件时的铺粉过程、铺粉装置与变形件发生磨破过程，选择合适形状的刮刀和相应的铺粉参数，对工艺进行优化。本发明在优化的工艺基础上通过实验验证得到符合最佳零件成型特性的打印的工艺参数，最终获得组织均匀的成形的周期性晶格结构。

Description

一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，主要涉及一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法。
背景技术
提高结构的承载效率就是要提高结构材料的比刚度和比强度，同时要使得材料能满足结构设计的特定力学要求。提高结构的功能效率，就是要提高结构的功能密度，用更少的质量实现更多的功能。
周期性晶格材料是一种模拟分子点阵构型制造出的一种有序超轻多孔材料。周期性晶格材料是由结点和结点间连接杆件单元组成的周期性结构材料。它的特点是其细观构型均为二维或三维网架体系，网架中的空隙没有用来承载的填充物。这样的设计节省了大量的质量，提高了比刚度和比强度，在同等重量下点阵材料比无序微结构金属泡沫具有更好的力学性能。
选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)又叫选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)，由德国Fraunhofer激光研究所的Dr.WilhelmMeiners和Dr.KonradWissenbach获得SLM技术发明。SLS技术的优点：①生产速度快，可达25.4mm/h；②没有用过的粉末可循环利用，未烧结的粉末保持原状可作为支撑结构；③成型件致密度高，机械性能优异，可媲美精密铸造。
质量保证是金属打印至关重要的要素，金属增材制造可能出现所打印的零部件变形、开裂的问题。同一个部件，在加工参数、层数、材料相同的条件下，构建过程中采取不同的取向和位置，所带来的微观组织和属性也是不同的。基本上，垂直方向柱状晶的残余应力水平低，水平方向马氏体相残余应力水平高。如此多的因素会影响到金属3D打印的结果，这就带来了仿真的重要性。
增材制造工艺参数仿真主要研究加工参数、粉末、几何构型等因素对于宏观变形、残余应力，部件微观内部金相组织及性能的影响。选择性激光熔化过程中铺粉环节对成型过程和最终的成型件质量有着重要的影响，铺粉装置的设计与优化，铺粉过程的参数优化都需要进行大量的研究。采用传统实验的方法对这些过程进行研究需要花费大量的时间、人力和物力，且很难从微观的尺度对这一过程进行详细的描述。而针对该过程建立相应的模型，采用有限单元法或离散单元法对铺粉过程进行相应的仿真，并结合一定的实验进行验证可以从微观尺度更好的理解这一过程，对铺粉装置和铺粉工艺进行更好的优化。
3D打印技术可以生产形状特殊，厚度变化大的金属件，但因为3D打印技术是金属微粉逐层熔融凝结形成，金属件的基体组织不致密、机械性能不高，需要后续热处理来调整基体组织结构，提高机械性能。热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力，对工件的形状、尺寸和性能都有极为重要的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法。
本发明利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法操作简单，能够实现优异力学性能的结构设计，和利用最优化的打印参数模拟和实验验证，能够极大的将3D打印周期性结构设计及打印过程精简，减少产品开发、运用推广成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，包括以下方法：
步骤一：选择基本单元体形状，设计符合力学性能的周期性铝合金结构；
步骤二：选择铝合金粉末，打印加工之前对粉末进行真空炉烘干处理，做好准备工作；
步骤三：利用模拟仿真软件，对3D打印过程进行模拟分析，确定初步的打印工艺参数，为后期实验提供参数的参考；
步骤四：利用3D打印前处理软件对步骤一中的晶格结构构型进行前处理和切片处理，并设置基于第三步的工艺参数等；
步骤五：将步骤四处理好的软件导入3D打印设备中，开始打印工件，通过微调激光功率，扫描间距，扫描速度，铺粉量等工艺参数以及铺粉装置打印铝合金晶格结构；
步骤六：将打印好的产品进行热处理，消除残余的内应力，增强结构的性能。
步骤七：将打印好的结构进行打磨，喷砂处理。
所述周期性铝合金晶格结构的基本单元体形状选自方形、圆形或菱形等的一种或几种。
所述周期性铝合金晶格结构为含有基本单元体形状的孔洞形镂空结构。所述周期性铝合金晶格结构是具有边框或筋条的镂空基本单元体，再通过周期性的阵列排布，就具有了大阵列周期性结构。
步骤一中，根据设备情况调整周期性单元体的轮廓尺寸和相对密度等。
步骤二中，所述铝合金粉末粒径分布为20-53μm，流动性良好，适用于SLM打印。
步骤二中，所述铝合金为不同配比的铝镁合金粉末。
所述铝硅镁合金粉末优选为AlSi10Mg合金粉末。
步骤三中，利用模拟仿真软件，模拟3D打印机打印工件时的铺粉过程、铺粉装置与变形件发生磨破过程，选择合适形状的刮刀和相应的铺粉参数，对工艺进行优化。
步骤五中，采用激光选区熔化技术进行3D打印，在优化的工艺基础上通过实验验证得到符合最佳零件成型特性的打印的工艺参数为层厚为20-50um：，激光功率80-180w，扫描速度为600-2000mm/s，路径距离是0.08-0.15mm。
步骤六所述热处理为：升温到200-400℃，优选300℃，在气氛保护的条件下保温两个小时，炉冷。
本发明针对目前针对提高结构承载效率，基于材料对结构质量的影响，选择轻量化且适用于3D打印的铝硅镁合金材料。
本发明根据不同的晶体构型对于轻质化结构性能的影响，提供一种轻量化的周期性的晶格结构。
本发明周期性的铝合金晶格结构是通过三维软件进行设计的，通过3D打印软件对其进行打印前处理，完成软件操作规范。
本发明针对打印过程的打印参数，借助3D打印过程模拟软件，对铺粉过程和铺粉工艺进行模拟，初步得到较为精确的工艺参数，减少试错成本，提高工艺参数确定的效率。
本发明使用模拟分析得到的打印参数，进行实际打印，观察打印过程，调整打印参数，得到能够使结构打印效果最佳的参数。
本发明打印好的周期性晶格结构，消除打印过程残余的内应力，对其摸索出合适的热处理温度，增强产品的性能。
本发明通过软件设计的晶格结构，可快速的构造实现变换，基本单元体的多样性、可周期化，为周期性多晶格材料设计和多功能化创造了基础条件。
本发明采用3D打印技术让晶格结构的制造成为可能，避免了各种其他的成型技术的不可控制性，实现了高相对密度、基本单元体、周期性重排结构的一次近净化成形，为增材制造周期性晶格结构的高效奠定了基础。
本发明采用有限元模拟3D打印相关参数，确定相对合适的参数，减少了试错成本，这不仅使产品性能得到了提高，也使生产成本大大降低，减少了实验装置对工艺结果的影响，节约了大量的人力财力和物力，是值得推广和利用的一种技术。
本发明利用软件模拟相关参数，在打印操作前使用3D打印前处理软件进行设置，同时人员操作设备，进行参数微调整得到最佳的打印参数。
本发明确定晶格结构的最佳热处理温度，消除产品内部的温度差异，从而使产品的性能得到最佳。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)提供一种金属打印周期性晶体结构的方法，首先确定基本单元体，然后再通过调整相应的轮廓尺寸和周期性的参数，实现了快速建立模型的方法，缩短了设计周期；
(2)本发明提供一种适用于3D打印过程的模拟方法，模拟打印过程，确定铺粉设置和打印参数，减少试错成本，极大地提高了工作效率和减少了成本；
(3)本发明提供的打印参数层厚为20-50um：，激光功率80-180w，扫描速度为600-2000mm/s，路径距离是0.08-0.15mm。也可为其他结构的铝合金打印参数提供借鉴意义；
(4)本发明提供的热处理方法，在热处理设备中升温到200-400摄氏度，在气氛保护的条件下保温两个小时，炉冷，是经过反复实验得到的数据，具有可靠性；
(5)提供的结构运用前景广阔，根据已有观察和行业动态发现周期化晶格结构是结构功能一体化的优良载体，其富裕空间可实现光、电、力、热、声、磁的有效融合。3D打印等先进制造技术使得复杂高精度晶格结构的物理实现成为可能，晶格结构的应用潜力得以发挥。
附图说明
图1为方形晶格结构模型图；
图2为激光选区熔化制备方形周期性结构样品宏观图；
图3为圆形晶格结构模型图；
图4为激光选区熔化制备圆形周期性结构样品宏观图；
图5为菱形晶格结构模型图；
图6为激光选区熔化制备菱形周期性结构样品宏观图；
具体实施方式
一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，包括以下方法：
步骤一：选择基本单元体形状，设计符合力学性能的周期性铝合金结构；
步骤二：选择铝合金粉末，打印加工之前对粉末进行真空炉烘干处理，做好准备工作；
步骤三：利用模拟仿真软件，对3D打印过程进行模拟分析，确定初步的打印工艺参数，为后期实验提供参数的参考；
步骤四：利用3D打印前处理软件对步骤一中的晶格结构构型进行前处理和切片处理，并设置基于第三步的工艺参数等；
步骤五：将步骤四处理好的软件导入3D打印设备中，开始打印工件，通过微调激光功率，扫描间距，扫描速度，铺粉量等工艺参数以及铺粉装置打印铝合金晶格结构；
步骤六：将打印好的产品进行热处理，消除残余的内应力，增强结构的性能。
步骤七：将打印好的结构进行打磨，喷砂处理。
所述周期性铝合金晶格结构的基本单元体形状选自方形、圆形或菱形中的一种或几种。
所述周期性铝合金晶格结构为含有基本单元体形状的孔洞形镂空结构。所述周期性铝合金晶格结构是具有边框或筋条的镂空基本单元体，再通过周期性的阵列排布，就具有了大阵列周期性结构。
步骤一中，根据设备情况调整周期性单元体的轮廓尺寸和相对密度等。
步骤二中，所述铝合金粉末粒径分布为20-53μm，流动性良好，适用于SLM打印。
步骤二中，所述铝合金为不同配比的铝镁合金粉末。
步骤三中，利用模拟仿真软件，模拟3D打印机打印工件时的铺粉过程、铺粉装置与变形件发生磨破过程，选择合适形状的刮刀和相应的铺粉参数，对工艺进行优化。
步骤五中，采用激光选区熔化技术进行3D打印，在优化的工艺基础上通过实验验证得到符合最佳零件成型特性的打印的工艺参数为层厚为20-50um：，激光功率80-180w，扫描速度为600-2000mm/s，路径距离是0.08-0.15mm。
步骤六所述热处理为：升温到200-400℃，在气氛保护的条件下保温两个小时，炉冷。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)选择方形晶格结构作为基本单元体，调整轮廓尺寸和分布状况等，并通过周期性的排布得到周期性方形大晶格体，利用三维软件实现模型的绘制；
(2)购买符合SLM成形的铝镁合金粉末，粒径分布25-53μm，流动性良好，使用之前用真空加热炉烘干，为实验做好准备；
(3)利用模拟仿真软件对3D打印过程进行模拟，为了避免打印过程出现错误，从而初步确定较为合适的打印参数以及铺粉设置；
(4)利用3D打印软件对所设计的模型进行打印前处理，设置模型摆放位置，加工余量，材料参数，以及基于模拟结果设置打印参数，切片处理等；
(5)首先将打印室进行清理打扫干净后，然后完成铺粉和基板安装操作，采用激光选区熔化技术进行3D打印，打印工艺参数为：层厚为35-45um：，激光功率90-120w，扫描速度为800-1100mm/s，路径距离是0.1-0.12mm，随时观察打印过程；
(6)待打印好的晶格结构冷却，然后将其取出，放到热处理设备中进行处理，升温处理，升温到300摄氏度，在气氛保护的条件下保温两个小时，炉冷，消除残余内应力；
(7)然后将结构进行打磨和喷砂处理，最终得到本实施例的周期性的铝合金晶格结构。
本实施例中方形晶格结构模型图如图1所述，激光选区熔化制备方形周期性结构样品宏观图如图2所示。
本实施例中方形晶格结构模型图如图1所述，激光选区熔化制备方形周期性结构样品宏观图如图2所示。
实施例2
(1)选择圆形晶格结构作为基本单元体，调整轮廓尺寸和分布状况等，并通过周期性的排布得到周期性方形大晶格体，利用三维软件实现模型的绘制；
(2)购买符合SLM成形的铝镁合金粉末，粒径分布25-53μm，流动性良好，使用之前用真空加热炉烘干，为实验做好准备；
(3)利用对3D打印过程进行模拟，为了避免打印过程出现错误，从而初步确定较为合适的打印参数以及铺粉设置；
(4)利用3D打印软件对所设计的模型进行打印前处理，设置模型摆放位置，加工余量，材料参数，以及基于模拟结果设置打印参数，切片处理等；
(5)首先将打印室进行清理打扫干净后，然后完成铺粉和基板安装操作，采用激光选区熔化技术进行3D打印，打印工艺参数为：层厚为25-35um：，激光功率160-180w，扫描速度为1000-1300mm/s，路径距离是0.11-0.14mm，随时观察打印过程；
(6)待打印好的晶格结构冷却，然后将其取出，放到热处理设备中进行处理，升温处理，升温到300摄氏度，在气氛保护的条件下保温两个小时，炉冷，消除残余内应力；
(7)然后将结构进行打磨和喷砂处理，最终得到本实施例的周期性的铝合金晶格结构。
本实施例中圆形晶格结构模型图如图3所述，激光选区熔化制备圆形周期性结构样品宏观图如图4所示。
实施例3
(1)选择菱形晶格结构作为基本单元体，调整轮廓尺寸和分布状况等，并通过周期性的排布得到周期性方形大晶格体，利用三维软件实现模型的绘制；
(2)购买符合SLM成形的铝镁合金粉末，粒径分布25-53μm，流动性良好，使用之前用真空加热炉烘干，为实验做好准备；
(3)利用仿真模拟软件对3D打印过程进行模拟，为了避免打印过程出现错误，从而初步确定较为合适的打印参数以及铺粉设置；
(4)利用3D打印软件对所设计的模型进行打印前处理，设置模型摆放位置，加工余量，材料参数，以及基于模拟结果设置打印参数，切片处理等；
(5)首先将打印室进行清理打扫干净后，然后完成铺粉和基板安装操作，采用激光选区熔化技术进行3D打印，打印工艺参数为：层厚为35-45um：，激光功率130-150w，扫描速度为800-1200mm/s，路径距离是0.12-0.14mm，随时观察打印过程；
(6)待打印好的晶格结构冷却，然后将其取出，放到热处理设备中进行处理，升温处理，升温到300摄氏度，在气氛保护的条件下保温两个小时，炉冷，消除残余内应力；
(7)然后将结构进行打磨和喷砂处理，最终得到本实施例的周期性的铝合金晶格结构。
本实施例中菱形晶格结构模型图如图5所述，激光选区熔化制备菱形周期性结构样品宏观图如图6所示。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，包括以下方法：
步骤一：选择基本单元体形状，设计符合力学性能的周期性铝合金结构；
步骤二：选择铝合金粉末进行打印，打印加工之前对粉末进行烘干处理；
步骤三：利用模拟仿真软件，对3D打印过程进行模拟分析，确定初步的打印工艺参数；
步骤四：利用3D打印前处理软件步骤一中的晶格结构构型进行前处理和切片处理；
步骤五：将步骤四处理好的软件导入3D打印设备中，开始打印工件；
步骤六：将打印好的产品进行热处理，消除残余的内应力，增强结构的性能。
2.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，所述周期性铝合金晶格结构的基本单元体形状选自方形、圆形或菱形等的一种或几种。
3.根据权利要求2所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，所述周期性铝合金晶格结构为含有基本单元体形状的孔洞形镂空结构。
4.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，步骤一中，根据设备情况调整周期性单元体的轮廓尺寸和相对密度。
5.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，步骤二中，所述铝合金粉末粒径分布为25-53μm。
6.根据权利要求1或5所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，步骤二中，所述铝合金粉末为不同配比的铝硅系合金粉末，所述铝硅镁合金优选为AlSi10Mg合金粉末。
7.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，步骤三中，利用模拟仿真软件模拟3D打印机打印工件时的铺粉过程、铺粉装置与变形件发生磨破过程，选择刮刀和相应的铺粉参数，对工艺进行优化。
8.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，步骤五中，采用激光选区熔化技术进行3D打印。
9.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，步骤五中，打印的工艺参数为：层厚为20-50um，激光功率80-180w，扫描速度为600-2000mm/s，路径距离是0.08-0.15mm。
10.根据权利要求1所述的一种利用3D打印制备周期性铝合金晶格结构的方法，其特征在于，步骤六所述热处理为：升温到200-400度，在气氛保护的条件下保温两个小时，炉冷。
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