CN111088488A - 一种基于激光熔覆和激光冲击的3d打印方法 - Google Patents

一种基于激光熔覆和激光冲击的3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,步骤包括:1)利用计算机辅助技术(CAD)设计出需要打印产品的三维数字化模型,将模型导入到加工系统中;2)将基板安装在加工平台上,金属粉末通过喷头喷射至基板上,在激光作用下熔化,然后凝固,打印数层后,取下备用;3)将试件安装在激光冲击装置的加工平台上,依次铺设吸收层、约束层,进行冲击强化;4)取下工件,复位到激光熔覆加工平台上,重复以上操作,直至打印完成。本发明提供了一种制备大型、质量优良工件的3D打印新方法。

Description

一种基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,属于增材制造技术领域。
背景技术
3D打印技术又称为增材制造技术,是指一种具备将数字模型快速转换为物理模型的成型技术,是一种新型的加工工艺。3D打印被广泛运用于金属、树脂、碳纤维等材料的加工。目前,3D打印技术主要分为粉末床熔合技术(Powder bed fusion,PBF)和定向能量沉积技术(Directed energy deposition,DED)两类。选择性激光烧结(Selective lasersintering,SLS)、选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)、激光熔覆(Lasercladding,LC)等属于粉末床熔合技术,熔融沉积成型(Fused deposition modeling,FDM)属于定向能量沉积技术。其中,主要用于打印金属材料是选择性激光烧结技术、选择性激光熔化技术和激光熔覆技术。
激光技术在金属3D打印中起着重要作用。激光熔覆技术是一种利用高能激光束照射,使丝或者粉末全熔并伴随基体微熔后快速凝固,形成冶金结合的熔覆层的技术。激光熔覆技术具有热影响区域小,熔覆后热变形小;熔覆层结晶均匀致密,具有较高结合强度和耐磨耐腐蚀性能;便于自动化控制等优点。激光冲击强化技术(Laser shocking peening,LSP)是利用强激光束产生的冲击波来强化金属材料,是一种提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的技术。激光冲击强化技术运用了激光的力效应,可以有效避免热影响造成的缺陷。该技术具有一个显著的优点:在瞬时巨大的激光冲击压力作用下,材料表面以及亚表面将产生晶粒细化效应,并且将形成较深的残余压应力层,从而增强材料的机械与物理性能。
目前,3D打印技术在制造业领域中起着重要作用,但依然存在不足。就金属3D打印而言,其制造的零件最大的缺点是强度不足,难以直接用于对材料性能要求高的场合,不能代替传统工艺制造的零件。因此,提高金属3D打印零件的机械性能十分重要。激光冲击能有效强化金属表面,将激光冲击强化技术和3D打印技术相结合是一种全新的3D打印方法。
目前,可以检索到相关的3D打印方法,如名称为“一种激光热力逐层交互增材制造的组合装置”(专利号:ZL201710273048.3)的发明,增材制造过程如下:在基体上铺设一层金属粉末,采用选择性激光熔化技术将粉末熔化、凝固;打印数层后采用激光冲击强化技术对金属表面进行冲击强化;依次循环这两个步骤,直至工件制造完成。该发明将选择性激光熔化技术和激光冲击强化技术结合起来,提高了工件的质量,但该方法受到选择性激光熔化技术的限制,难以制造大体积的工件。再如名称为“一种激光辅助激光熔覆的增材制造方法”(专利号: ZL201811001406.6),增材制造过程如下:使用连续激光束对基板表面加热至再结晶温度,立即使用激光熔覆装置对同一位置进行激光熔覆,完成第一层熔覆;在熔覆层上先使用连续激光加热,再使用激光熔覆装置进行熔覆,完成第二层熔覆;如此往复,完成金属工件的增材制造。该发明采用连续激光对材料表面进行改性,可以代替传统热处理,改善激光熔覆技术所制造工件的质量,但该方法采用连续激光束,仍会产生热影响区,会对工件的性能产生影响。因此,需要发明一种可以打印大型工件,且工件结构性能良好的增材制造新工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法。
为了达到上述目的,本发明提供了一种基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:利用计算机辅助技术(CAD)设计出需要打印产品的三维数字化模型,并将三维数字化模型导入到激光熔覆加工系统中,为激光熔覆打印做好准备;
步骤二:将准备好的金属基板置于激光熔覆设备的加工平台上,金属粉末(如Ti6Al4V合金)在送粉气的作用下通过喷头被喷射到基体表面,在保护气的氛围中,激光熔化金属粉末,熔化的金属粉末形成熔池,随后熔池冷却、凝固成型;喷头按照数字化模型所规划的路径进行喷射,完成第一层的打印;设置打印层数 (如5层),当激光熔覆打印到设置的层数后,暂停打印,将激光熔覆后的试件取下来备用;
步骤三:在步骤二制得的试件表面铺设一层吸收层(如黑漆或聚四氟乙烯),作用是吸收激光能量以产生等离体子,形成冲击波;在吸收层上方铺设一层约束层(如水或光学玻璃),以提高激光冲击压力的幅值并延长压力作用时间;
步骤四:利用激光器输出激光束,激光先经过光学装置改变传输方向并聚焦,之后透过约束层被吸收层吸收,产生等离子爆炸形成冲击波,对材料表面进行强化,得到激光冲击强化后的试件;
步骤五:将步骤四制得的试件重新复原到激光熔覆装置的加工平台上,再次进行打印;每打印一定层数进行一次冲击,依次循环,直到产品打印完成。
优选地,所述步骤二中,激光熔覆装置采用同轴送粉装置,确保金属粉末和激光光束抵达基板的一致性,以保障打印质量更优。
优选地,所述步骤二中,保护气采用惰性气体,确保金属粉末在熔化、凝固等过程中不被氧化,以保障打印质量更优。
优选地,所述步骤四中,激光器采用高功率调Q型Nd:YAG激光器,激光束能量遵循近平顶分布,即激光光斑内能量分布均匀,以保证冲击强化的均匀性。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明提出一种将激光熔覆技术和激光冲击强化技术相结合的3D打印方法,是一种全新的加工工艺;与现有的加工工艺相比,本发明可加工大、小型工件,加工尺寸范围大。
(2)本发明采用激光冲击强化技术作为强化手段,可提高工件的强度、硬度等性质;同时,没有热影响区,不会对工件的性能产生不利影响,加工工件质量更高。
(3)本发明采用激光熔覆技术作为主要加工手段,与其他制造工艺相比,具有节省材料,可控性强以及对环境友好等优点。
附图说明
图1是本发明的基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法的工艺流程图;
其中,1.基体,2.打印层,3.金属粉末,4.喷头,5.送粉气,6.保护气,7.激光熔覆激光光束,8.熔池,9.吸收层,10.约束层,11.光学装置,12.激光冲击激光光束,13.激光器,14.精密光学隔振平台,15.六轴机器人夹具,16.六轴机器人, 17.激光熔覆后的试件,18.激光冲击强化后的试件,19.产品;
图2是激光熔覆技术的三维示意图;
其中,1.基体,2.打印层,4.喷头,7.激光熔覆激光光束;
图3是激光冲击强化技术的三维示意图;
其中,1.基体,2.打印层,9.吸收层,10.约束层,12.激光冲击激光光束,15. 六轴机器人夹具,20.激光扫描路径。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂,兹以优选实施例,并配合附图作详细说明如下。
实施例
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示,本发明提供了一种基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,具体步骤如下:
步骤一:利用计算机辅助技术(如CAD)设计出需要打印产品的三维数字化模型,并将三维数字化模型导入到激光熔覆加工系统当中,为激光熔覆打印做好准备;
步骤二:将准备好的金属基体1置于激光熔覆设备的加工平台上,金属粉末 3(如Ti6Al4V合金)在送粉气5的作用下通过喷头4被喷射到基体1表面,在保护气6的氛围中,利用激光熔化金属粉末3,以形成熔池8,最后凝固;喷头 4按照数字化模型所规划的路径进行喷射,最后完成第一层的打印;设置打印层数(如5层),当激光熔覆打印到设置的层数后,暂停打印,将激光熔覆后的试件17取下来备用;
步骤三:在步骤二制得的试件17表面铺设一层吸收层9(如黑漆或聚四氟乙烯),作用是吸收激光能量以产生等离体子,形成冲击波;在吸收层9上方铺设一层约束层10(如水或光学玻璃),以提高激光冲击压力的幅值并延长压力作用时间;
步骤四:利用激光器13输出激光束12,激光先经过光学装置11改变传输方向并聚焦,之后透过约束层10被吸收层9吸收,产生等离子爆炸形成冲击波,对基体1材料表面进行强化,得到激光冲击强化后的试件18;
步骤五:将步骤五制得的试件18重新复原到激光熔覆装置的加工平台上,再一次进行打印;每打印一定层数进行一次冲击,依次循环,直到产品19打印完成。

Claims (7)

1.一种基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:利用计算机辅助技术设计出需要打印产品的三维数字化模型,并将三维数字化模型导入到激光熔覆加工系统当中,为激光熔覆打印做好准备;
步骤二:将准备好的基体(1)置于激光熔覆设备的加工平台上,金属粉末(3)在送粉气的作用下通过喷头(4)被喷射到基体(1)表面,在保护气(6)的氛围中,利用激光熔化金属粉末(3),以形成熔池(8),最后凝固;喷头(4)按照数字化模型所规划的路径进行喷射,最后完成第一层的打印;设置打印层数,当激光熔覆打印到设置的层数后,暂停打印,将激光熔覆后的试件(17)取下来备用;
步骤三:在步骤二制得的试件(17)表面铺设一层吸收层(9),作用是吸收激光能量以产生等离体子,形成冲击波;在吸收层(9)上方铺设一层约束层(10),以提高激光冲击压力的幅值并延长压力作用时间;
步骤四:利用激光器(13)输出激光束(12),激光先经过光学装置(11)改变传输方向并聚焦,之后透过约束层(10)被吸收层(9)吸收,产生等离子爆炸形成冲击波,对基体(1)材料表面进行强化,得到激光冲击强化后的试件(18);
步骤五:将步骤五制得的试件(18)重新复原到激光熔覆装置的加工平台上,再一次进行打印;每打印一定层数进行一次冲击,依次循环,直到产品(19)打印完成。
2.如权利要求1所说的基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,所述的金属粉末(3)为Ti6Al4V合金。
3.如权利要求1所说的基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,所述的吸收层(9)为黑漆或聚四氟乙烯。
4.如权利要求1所说的基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,所述的约束层(10)为水或光学玻璃。
5.如权利要求1所说的基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,所述的步骤二中,激光熔覆装置采用同轴送粉装置,确保金属粉末(3)和激光光束抵达基体(1)的一致性,以保障打印质量更优。
6.如权利要求1所说的基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,所述步骤二中,保护气(6)采用惰性气体,确保金属粉末(3)在熔化、凝固等过程中不被氧化,以保障打印质量更优。
7.如权利要求1所说的基于激光熔覆和激光冲击的3D打印方法,其特征在于,所述步骤四中,激光器(13)采用高功率调Q型Nd:YAG激光器,激光束能量遵循近平顶分布,即激光光斑内能量分布均匀,以保证冲击强化的均匀性。
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