CN111266584B - 一种增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造技术领域，公开了一种增材制造方法，包括：获取待加工零件于当前粉末层中的二维轮廓信息，并根据二维轮廓信息确定待加工零件于当前粉末层的边缘；根据边缘确定骨架形成区域，骨架形成区域围绕边缘且与边缘之间具有间隔；在进行待加工零件于当前粉末层的成形之前，对骨架形成区域内的粉末层进行扫描固化以形成网状骨架。本发明通过固化出网状骨架，保证粉末层各区域与成形底板之间的连通性，能够将粉末层各区域产生的聚集电荷经网状骨架导入成形底板，从而避免吹粉现象产生，提高粉床的稳定性。通过形成网状骨架，超过95％的粉末在成形过程中不接受高能电子束的直接辐照，粉末重复利用性能大幅提升。

Description

一种增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造方法。
背景技术
增材制造技术(也成为3D打印技术)是利用高能量电子束的可控偏转，实现对金属粉末床中特定区域的辐照，从而实现目标区域的熔化/烧结，获得致密的金属产品的一种技术。
当利用高能量电子束直接辐照粉末床时，松散的粉末床容易出现局部电荷堆积，从而使相邻粉末带同种电荷而产生排斥力。这会破坏粉末床的稳定性，造成粉末的飞散。粉末漂浮于粉末床上方形成的颗粒云会引发一系列问题，包括电子束的激发与传输、真空室的污染、检测信号的干扰等，从而造成成形过程被迫中断。此过程通常被称为“吹粉”。
现有的解决吹粉的手段是：在高能电子束辐照粉末床以实现局部固化的步骤之前，首先利用受控且适当的电子束，针对成形件位置及邻近范围内进行均匀作用，通过调整电子束电流、电子速度、电子束扫描速度以及粉末的电导率，实现粉末床的“假烧结”，以提高粉末颗粒之间的电导率。利用这种解决手段，可以成功地抑制粉末的吹粉问题，但针对整个粉床范围的大面积粉床的整体“假烧结”方式，其存在有成形效率的降低、粉末多次重复使用后性能下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造方法，能够提高成形效率，且粉末重复利用性能可大幅提升。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种增材制造方法，包括：
获取待加工零件于当前粉末层中的二维轮廓信息，并根据所述二维轮廓信息确定所述待加工零件于当前粉末层的边缘；
根据所述边缘确定骨架形成区域，所述骨架形成区域围绕所述边缘且与所述边缘之间具有间隔；
在进行所述待加工零件于当前粉末层的成形之前，对所述骨架形成区域内的粉末层进行扫描固化以形成网状骨架。
作为优选，相邻两层所述网状骨架中，其中一层所述网状骨架相较于另一层所述网状骨架转动预设角度θ。
作为优选，所述预设角度θ为0°-5°。
作为优选，所述网状骨架包括多个网格单元，沿远离所述边缘的方向，所述网格单元的大小逐渐变大。
作为优选，沿远离所述边缘的方向，外侧的所述网格单元的边长为紧邻所述边缘的所述网格单元的边长的1-10倍。
作为优选，紧邻所述边缘的所述网格单元的边长为0.05mm-2mm。
作为优选，所述网格单元呈矩形形状或蜂窝状。
作为优选，所述待加工零件具有内腔时，所述边缘包括内侧边缘和外侧边缘，所述内侧边缘的内侧和所述外侧边缘的外侧均设有所述骨架形成区域。
作为优选，所述网格单元的壁厚不大于0.1mm。
作为优选，所述间隔的数值为0-5mm。
本发明的有益效果：进行待加工零件的成形之前，先于粉末层上固化出网状骨架，保证粉末层各区域与成形底板之间的连通性，能够将粉末层各区域产生的聚集电荷经网状骨架导入成形底板，从而避免吹粉现象产生，提高粉床的稳定性和成形效率。相较于现有在固化目标区域前均匀的作用于全部粉床区域，本发明仅需熔化少量的粉末以形成网状骨架，效率大幅提升。
此外，通过上述网状骨架将聚集电荷导入成形底板的同时，其能够高效均匀的提升粉末层的温度，进而使得增材制造更加稳定，成形效率和良品率更高。
通过形成网状骨架，超过95％的粉末在成形过程中不接受高能电子束的直接辐照，粉末重复利用性能大幅提升。
附图说明
图1是本发明提供的增材制造方法的流程图；
图2是本发明显示有网状骨架的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
本发明提供一种增材制造方法，其能够解决现有技术吹粉的问题，且能够提高粉床的稳定性以及成形效率。具体的，如图1所示，该增材制造方法包括以下步骤：
S1、获取待加工零件于当前粉末层中的二维轮廓信息，并根据二维轮廓信息确定待加工零件于当前粉末层的边缘。
在进行待加工零件的增材制造时，电子枪发射的高能电子束根据制定的扫描路径，逐层熔化沉积通过刮粉器铺设的预合金化金属粉末薄层，层层堆积得到三维合金部件(即待加工零件)。因此，在每层粉末层中，都会进行一次熔化扫描。
本步骤中，即是获取待加工零件在当前粉末层中的位置，并根据该位置获得待加工零件于当前粉末层中的二维轮廓信息，该二维轮廓信息可以包括边缘位置信息、坐标信息、尺寸信息等。本步骤中主要获取的是边缘位置信息，随后根据该边缘位置信息确定待加工零件于当前粉末层的边缘。
本实施例中，当待加工零件为实心零件时，上述边缘即为待加工零件的外边缘。当待加工零件为空心零件(如具有通孔或内腔)时，上述边缘可以是外侧边缘和/或内侧边缘。
S2、根据边缘确定骨架形成区域，骨架形成区域围绕边缘且与边缘之间具有间隔。
在确定待加工零件于当前粉末层的边缘后，根据该边缘进行骨架形成区域的确定，具体的该骨架形成区域可以是矩形区域也可以是圆形区域。当待加工零件为实心零件时，骨架形成区域包围上述边缘且与边缘之间具有间隔(图2所示的状态)。当待加工零件为空心零件时，根据需要，于外侧边缘外设有骨架形成区域，该骨架形成区域包围外侧边缘且与外侧边缘之间具有间隔。于内侧边缘内设有骨架形成区域，该骨架形成区域被内侧边缘包围且与内侧边缘之间具有间隔。
S3、在进行待加工零件于当前粉末层的成形之前，对骨架形成区域内的粉末层进行扫描固化以形成网状骨架。
即在限定好骨架形成区域后，开始网状骨架的构建。本步骤中，是在待加工零件于当前粉末层的成形之前进行网状骨架的构建。具体是通过电子束对骨架形成区域内的粉末层进行扫描固化以形成网状骨架。通过形成的网状骨架，能够将粉末层各区域产生的聚集电荷经网状骨架导入成形底板，从而避免吹粉现象产生，提高粉床的稳定性和成形效率。而且网状骨架能够将粉末层分割为多个小区域，各小区域的粉末可通过形成的网状骨架实现热量与聚集电荷的连通性，实现粉床的稳定性，并保证后续固化待加工零件的过程中不发生吹粉。
本步骤中，上述骨架形成区域具有一定的范围，即在增材制造之前预设好的范围，该范围根据不同待加工零件可以不同，以能保证形成的网状骨架起到导出聚集电荷以及均匀加热粉床的作用为准。
优选地，骨架形成区域与边缘之间的间隔d的数值为0-5mm，进而能够保证网状骨架不会与待加工零件的边缘接触，以保证待加工零件成形后的表面质量。
本步骤中，如图2所示，上述网状骨架包括多个网格单元，通过多个网格单元，能够填充整个骨架形成区域，而且能够形成一连通网络，使得整个网状骨架具有足够的连通性，以实现粉末层各个区域的聚集电荷的导出。而且网格单元的设置，只需要在成形待加工零件前，对少量粉末进行扫描固化形成网格骨架，超过95％的粉末在成形过程中不接受高能电子束的直接辐照，进而使得粉末重复利用性能大幅提升。此外，相较于现有在固化目标区域前均匀的作用于全部粉床区域，本实施例的网格单元的方式，仅需熔化少量的粉末以形成网状骨架，效率大幅提升。
上述网状骨架的形状可以是矩形形状(图2所示的结构)，也可以是蜂窝状，还可以是其它能够形成网状骨架的结构。
优选地，沿远离边缘的方向，上述多个网格单元的大小逐渐变大。即在对远离待加工零件于当前层的二维轮廓的网格单元进行放大设置，仅对二维轮廓附近的网格单元细小化，进而在进行网状骨架加工时，只需对临近二维轮廓的区域进行细化扫描固化，其网格单元小，扫描固化时间长。而远离二维轮廓的网格单元的扫描固化，扫描固化时间短，以达到提高增材制造效率目的。
本实施例中，紧邻边缘的网格单元的边长a为0.05mm-2mm，该边长的数值主要依据粉末材料的热导率、成形温度、预热能量输入效率、零件表面曲率半径有关。外侧的网格单元的边长b为紧邻边缘的网格单元的边长a的1-10倍。上述网格单元的壁厚不大于0.1mm，也就是说，一个网格单元包括的每个侧壁的壁厚均不大于0.1mm。
作为优选地技术方案，本实施例中，相邻两层的网状骨架中，其中一层网状骨架相较于另一层网状骨架转动预设角度θ。即上下两层网状骨架，位于上层的网状骨架相对于下层的网状骨架旋转角度θ。通过该预设角度θ的设置，位于上层的网状骨架传导聚集电荷和热量的位置与位于下层的网状骨架传导聚集电荷和热量的位置不重合，也就进一步提高了聚集电荷和热量传导的均匀性，进而提高了增材制造效果，使得制造的待加工零件质量更佳。可选地，上述预设角度θ为0°-5°。
在进行待加工零件的增材制造时，首先进行成形基板的预热，随后通过铺粉设备进行粉末层的铺设，之后即进行网状骨架的成形，随后基于待加工零件于当前粉末层的二维轮廓进行熔化，层层堆积得到上述待加工零件。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造方法，其特征在于，包括：
获取待加工零件于当前粉末层中的二维轮廓信息，并根据所述二维轮廓信息确定所述待加工零件于当前粉末层的边缘；
根据所述边缘确定骨架形成区域，所述骨架形成区域围绕所述边缘且与所述边缘之间具有间隔；
在进行所述待加工零件于当前粉末层的成形之前，对所述骨架形成区域内的粉末层进行扫描固化以形成网状骨架，所述网状骨架不与待加工零件的边缘接触。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，相邻两层所述网状骨架中，其中一层所述网状骨架相较于另一层所述网状骨架转动预设角度θ。
3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述预设角度θ为0°-5°。
4.根据权利要求1-3任一所述的增材制造方法，其特征在于，所述网状骨架包括多个网格单元，沿远离所述边缘的方向，所述网格单元的大小逐渐变大。
5.根据权利要求4所述的增材制造方法，其特征在于，沿远离所述边缘的方向，外侧的所述网格单元的边长为紧邻所述边缘的所述网格单元的边长的1-10倍。
6.根据权利要求5所述的增材制造方法，其特征在于，紧邻所述边缘的所述网格单元的边长为0.05mm-2mm。
7.根据权利要求4所述的增材制造方法，其特征在于，所述网格单元呈矩形形状或蜂窝状。
8.根据权利要求4所述的增材制造方法，其特征在于，所述待加工零件具有内腔时，所述边缘包括内侧边缘和外侧边缘，所述内侧边缘的内侧和所述外侧边缘的外侧均设有所述骨架形成区域。
9.根据权利要求4所述的增材制造方法，其特征在于，所述网格单元的壁厚不大于0.1mm。
10.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述间隔的数值为0-5mm。
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