CN110202143B

CN110202143B - 一种表面有凹凸字体钛合金指环的3d打印成形方法

Info

Publication number: CN110202143B
Application number: CN201910511957.5A
Authority: CN
Inventors: 刘雪峰; 刘宗蒲; 李昂; 万祥睿
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2039-06-13
Also published as: CN110202143A

Abstract

本发明公开了一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法，属于3D打印技术领域。该方法包括：构建三维模型；对三维模型进行切片处理；利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为指环轮廓和指环填充，将指环轮廓分为实体轮廓和凹凸字体轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理；以钛合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，依次进行所述实体轮廓、所述凹凸字体轮廓和所述指环填充的单层打印成形；重复前一步骤，直到成形得到所述表面有凹凸字体钛合金指环。根据本发明成形的表面有凹凸字体钛合金指环具有生产成本低、加工难度小、质量好、精度高、字体清晰、不会发生坍塌变形以及生产灵活性高等优点。

Description

一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法。

技术背景

由于钛合金具有质地坚硬、重量轻、表面闪亮、轻盈、可以抵制侵蚀、永不褪色、永不变形、对任何皮肤都不会产生过敏作用以及价格相对金和银等贵金属便宜等优点，正逐渐取代金、银、铂金和金合金等贵金属在金属指环领域备受青睐，已经在欧美地区流行了十多年，近年来也开始风靡于国内，并且逐渐成为一种趋势，而且人们对其喜好指数一直处于不断上升状态。

现在的钛合金指环成形技术主要是焊接法，其工艺繁琐、难度大、成本高，要经过从退火、圈指环成形、锯切、焊接整形再到研磨抛光等多道工序，大约需要几个或十几个小时的时间来制作完成。而且，由于钛合金不易加工和焊接，所以采用焊接法利用普通工具成形钛合金指环的难度很大，导致钛合金指环的价格较高。

另外，为了让钛合金指环更有个性、专属性、象征性或纪念意义，人们一般会选择在钛合金指环的表面上刻制凹凸字体。目前通常是在钛合金指环加工完毕后，再通过对钛合金指环表面进行刻字处理获得表面有凹凸字体钛合金指环。现有的钛合金指环刻字方法主要是激光或机械刻字，是以电脑为终端，先在相应的软件上设计好刻字的效果图，然后再通过雕刻机对钛合金指环进行刻字。以上刻字方法应用范围广泛，但仍然存在以下问题：

(1)所用设备价格昂贵，延长了表面有凹凸字体钛合金指环的加工流程，增加了加工时间，提高了加工成本。

(2)在凹凸字体雕刻前，需首先按照所设计的刻字效果图，对字体在指环上的雕刻位置进行精准确定，雕刻难度较高；且当凹凸字体位于指环内表面时，由于指环内部的空间较小，会进一步增加雕刻的难度。

(3)在指环表面凸字的雕刻过程中，需要将指环表面除字体以外的其他区域按照一定的厚度整体去除，增加了雕刻成本和时间，降低了材料的利用率。

因此，开发生产周期短、生产成本低、加工难度小、材料利用率高的表面有凹凸字体钛合金指环的成形方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对传统表面有凹凸字体钛合金指环成形方法的不足，本发明的目的是提供一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法。该方法通过将钛合金指环和表面凹凸字体一体化成形的方法，解决目前表面有凹凸字体钛合金指环生产中存在的工艺流程繁琐、生产周期长、生产成本高、加工难度大、材料利用率低等问题。通过对凹凸字体的高度及笔画宽度的调控，降低指环表面凹凸字体的打印难度，提升打印指环表面凹凸字体的清晰度；并通过局部提取凹凸字体轮廓，并采用低扫描功率和高扫描速度对凹凸字体轮廓进行成形的方法，解决目前3D打印微小悬空形状时容易产生的粘粉及微量坍塌问题，最终获得高精度的表面有凹凸字体钛合金指环。

根据本发明的第一方面，提供一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法，包括如下步骤：

步骤1：构建表面有凹凸字体钛合金指环的三维模型，设计所述表面有凹凸字体钛合金指环的壁厚为1～3mm、凹凸字体的高度为0.1～0.8mm、凹凸字体的笔画宽度为0.1～0.8mm；

步骤2：对所述三维模型沿指环轴向方向按照10～30μm的层厚进行切片处理；

步骤3：利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为指环轮廓和指环填充，根据曲率变化将所述指环轮廓分为实体轮廓和凹凸字体轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述实体轮廓成形路径、所述凹凸字体轮廓成形路径和所述指环填充成形路径；

步骤4：以钛合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述实体轮廓成形路径、所述凹凸字体轮廓成形路径和所述指环填充成形路径，依次进行所述实体轮廓、所述凹凸字体轮廓和所述指环填充的单层打印成形，所述凹凸字体轮廓的扫描功率为90～150W，扫描速度为700～1500mm/s；

步骤5：重复上述步骤4，直到成形得到所述表面有凹凸字体钛合金指环。

进一步的，所述步骤1采用三维绘图软件构建表面有凹凸字体钛合金指环的三维模型。

进一步的，所述步骤2利用分层切片软件对所述三维模型进行切片处理。

进一步的，所述3D打印系统同时进行1～100个相同或不同的表面有凹凸字体钛合金指环的成形。

进一步的，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统或基于电子束的3D打印系统中的至少一种。

进一步的，所述钛合金粉末的球形度为0.75～0.95、直径为30～50μm、铺粉层厚为50～80μm。

进一步的，所述指环填充采用S型正交扫描策略，扫描间距为60～150μm，所述实体轮廓的扫描功率为150～200W、扫描速度为500～1300mm/s，所述指环填充的扫描功率为200～500W、扫描速度为400～2000mm/s。

进一步的，对所述表面有凹凸字体钛合金指环采用电解方法、机械方法或激光方法进行表面处理。

根据本发明的第二方面，提供一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印系统，所述系统包括：

处理器和用于存储可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行如上任一方面所述的表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法。

根据本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一方面所述的表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法。

本发明的有益效果：

本发明的表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法工艺流程简单、生产周期短、材料利用率高，成形的个性化表面有凹凸字体钛合金指环具有生产成本低、加工难度小、质量好、精度高、字体清晰、不会发生坍塌变形以及生产灵活性高等优点。

附图说明

图1所示为根据本发明的一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

本发明提供一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法。本发明设计表面有凹凸字体钛合金指环的凹凸字体的高度为0.1～0.8mm、笔画宽度为0.1～0.8mm，将切片处理后的三维模型分为实体轮廓、凹凸字体轮廓和指环填充，并分别进行成形路径规划处理，在凹凸字体轮廓的扫描功率为90～150W，扫描速度为700～1500mm/s的条件下，利用金属3D打印设备的3D打印系统逐层打印出表面有凹凸字体钛合金指环。本发明的表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法工艺流程简单、生产周期短、材料利用率高，成形的个性化表面有凹凸字体钛合金指环具有生产成本低、加工难度小、质量好、精度高、字体清晰、不会发生坍塌变形以及生产灵活性高等优点。

如图1所示，该方法具体包括：

步骤101：构建表面有凹凸字体钛合金指环的三维模型。设计所述表面有凹凸字体钛合金指环的壁厚为1～3mm、凹凸字体的高度为0.1～0.8mm、凹凸字体的笔画宽度为0.1～0.8mm。

步骤102：对所述三维模型沿指环轴向方向按照10～30μm的层厚进行切片处理。

步骤103：利用路径规划软件将切片处理后的所述三维模型分为指环轮廓和指环填充，根据曲率变化将所述指环轮廓分为实体轮廓和凹凸字体轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得所述实体轮廓成形路径、所述凹凸字体轮廓成形路径和所述指环填充成形路径。

步骤104：以钛合金粉末为原料，利用金属3D打印设备的3D打印系统，根据所述实体轮廓成形路径、所述凹凸字体轮廓成形路径和所述指环填充成形路径，依次进行所述实体轮廓、所述凹凸字体轮廓和所述指环填充的单层打印成形，所述凹凸字体轮廓的扫描功率为90～150W，扫描速度为700～1500mm/s。

步骤105：重复上述步骤104，直到成形得到所述表面有凹凸字体钛合金指环。

实施例1：

表面有凹字“中国”钛合金指环的3D打印成形。

第一步：利用Solidworks软件构建表面有凹字“中国”钛合金指环的三维模型，设计表面有凹字“中国”钛合金指环的壁厚为1mm、凹字“中国”的深度为0.5mm、凹字“中国”的笔画宽度为0.5mm；

第二步：利用Magics软件对三维模型沿指环轴向方向按照30μm的层厚进行切片处理；

第三步：利用RPPath软件将切片处理后的三维模型分为指环轮廓和指环填充，根据曲率变化将指环轮廓分为实体轮廓和凹字“中国”轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得实体轮廓成形路径、凹字“中国”轮廓成形路径和指环填充成形路径，其中指环填充成形路径采用S型正交扫描策略，扫描间距为140μm；

第四步：以球形度为0.85、直径为30～50μm的Ti-6Al-4V钛合金粉末为原料，铺粉层厚为80μm，利用金属3D打印设备的基于激光束的3D打印系统，根据实体轮廓成形路径、凹字“中国”轮廓成形路径和指环填充成形路径，在实体轮廓的激光功率为160W、扫描速度为600mm/s，凹字“中国”轮廓的激光功率为120W、扫描速度为1200mm/s，以及指环填充的激光功率为250W，扫描速度为1100mm/s的条件下，依次进行实体轮廓、凹字“中国”轮廓和指环填充的单层打印成形；

第五步：重复上述第四步，直到成形得到表面有凹字“中国”钛合金指环。

对表面有凹字“中国”钛合金指环采用电解方法、机械方法或激光方法进行表面处理。

实施例2：

表面有凸字“CHINA”钛合金指环的3D打印成形。

第一步：利用Solidworks软件构建表面有凸字“CHINA”钛合金指环的三维模型，设计表面有凸字“CHINA”钛合金指环的壁厚为2mm、凸字“CHINA”的高度为0.3mm、凸字“CHINA”的笔画宽度为0.3mm；

第二步：利用Magics软件对三维模型沿指环轴向方向按照10μm的层厚进行切片处理；

第三步：利用RPPath软件将切片处理后的三维模型分为指环轮廓和指环填充，根据曲率变化将指环轮廓分为实体轮廓和凸字“CHINA”轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得实体轮廓成形路径、凸字“CHINA”轮廓成形路径和指环填充成形路径，其中指环填充成形路径采用S型正交扫描策略，扫描间距为100μm；

第四步：以球形度为0.95、直径为30～50μm的Ti-6Al-4V钛合金粉末为原料，铺粉层厚为50μm，利用金属3D打印设备的基于激光束的3D打印系统，根据实体轮廓成形路径、凸字“CHINA”轮廓成形路径和指环填充成形路径，在实体轮廓的激光功率为170W、扫描速度为800mm/s，凸字“CHINA”轮廓的激光功率为100W、扫描速度为1200mm/s，以及指环填充的激光功率为210W，扫描速度为900mm/s的条件下，依次进行实体轮廓、凸字“CHINA”轮廓和指环填充的单层打印成形；

第五步：重复上述第四步，直到成形得到表面有凸字“CHINA”钛合金指环。

对表面有凸字“CHINA”钛合金指环采用电解方法、机械方法或激光方法进行表面处理。

实施例3：

表面有凹字“101”钛合金指环的3D打印成形。

第一步：利用Solidworks软件构建表面有凹字“101”钛合金指环的三维模型，设计表面有凹字“101”钛合金指环的壁厚为3mm、凹字“101”的深度为0.8mm、凹字“101”的笔画宽度为0.8mm；

第二步：利用Magics软件对三维模型沿指环轴向方向按照20μm的层厚进行切片处理；

第三步：利用RPPath软件将切片处理后的三维模型分为指环轮廓和指环填充，根据曲率变化将指环轮廓分为实体轮廓和凹字“101”轮廓，并分别对其进行成形路径规划处理，获得实体轮廓成形路径、凹字“101”轮廓成形路径和指环填充成形路径，其中指环填充成形路径采用S型正交扫描策略，扫描间距为120μm；

第四步：以球形度为0.75、直径为30～50μm的Ti-6Al-4V钛合金粉末为原料，铺粉层厚为60μm，利用金属3D打印设备的基于激光束的3D打印系统，根据实体轮廓成形路径、凹字“101”轮廓成形路径和指环填充成形路径，在实体轮廓的激光功率为150W、扫描速度为500mm/s，凹字“101”轮廓的激光功率为90W、扫描速度为900mm/s，以及指环填充的激光功率为200W，扫描速度为700mm/s的条件下，依次进行实体轮廓、凹字“101”轮廓和指环填充的单层打印成形；

第五步：重复上述第四步，直到成形得到表面有凹字“101”钛合金指环。

对表面有凹字“101”钛合金指环采用电解方法、机械方法或激光方法进行表面处理。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以仅通过通用硬件平台实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机、计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的3D打印成形方法，其特征在于，所述步骤1采用三维绘图软件构建表面有凹凸字体钛合金指环的三维模型。

3.根据权利要求1所述的3D打印成形方法，其特征在于，所述步骤2利用分层切片软件对所述三维模型进行切片处理。

4.根据权利要求1所述的3D打印成形方法，其特征在于，所述3D打印系统同时进行1～100个相同或不同的表面有凹凸字体钛合金指环的成形。

5.根据权利要求1所述的3D打印成形方法，其特征在于，所述3D打印系统为基于激光束的3D打印系统或基于电子束的3D打印系统中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的3D打印成形方法，其特征在于，所述钛合金粉末的球形度为0.75～0.95、直径为30～50μm、铺粉层厚为50～80μm。

7.根据权利要求1所述的3D打印成形方法，其特征在于，所述指环填充采用S型正交扫描策略，扫描间距为60～150μm，所述实体轮廓的扫描功率为150～200W、扫描速度为500～1300mm/s，所述指环填充的扫描功率为200～500W、扫描速度为400～2000mm/s。

8.根据权利要求1所述的3D打印成形方法，其特征在于，对所述表面有凹凸字体钛合金指环采用电解方法、机械方法或激光方法进行表面处理。

9.一种表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：

处理器和用于存储可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令，以执行根据权利要求1至8中任一项所述的表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1至8中任一项所述的表面有凹凸字体钛合金指环的3D打印成形方法。