CN111468722A - 一种3d打印金属粉末验证新型基板、方法以及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明一种3D打印金属粉末验证新型基板、方法以及应用，其中方法包括以下步骤：S1、将设计好的成分及配比的金属材料铸造成金属锭子；S2、将金属锭子的至少一个表面加工成粗糙面；S3、通过能量束对粗糙面进行扫描，使粗糙面进行二次重熔；S4、取出金属锭子，对激光扫描后的粗糙面进行表征和分析。一种3D打印金属粉末验证基板，所述基板包含一个或多个限位孔。本发明缩短了试制3D打印金属粉末方案周期，降低了试制成本，同时也减小了对3D打印设备造成的耗损；通过将金属锭子放置于基板上，直接进行激光扫描，无需进行铺粉打印，且同一基板上可以放置不同材料成分的金属锭子同时进行激光扫描。

Description

一种3D打印金属粉末验证新型基板、方法以及应用
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种3D打印金属粉末验证新型基板、方法以及应用。
背景技术
增材制造技术(也称“3D打印”)是基于计算机三维CAD模型，采用逐层堆积的方式直接制造三维物理实体的方法。增材制造技术可以在一台设备快速精密的制造出任意复杂形状和结构的零部件，从而实现“自由制造”。与传统加工技术相比，增材制造可以降低加工成本20％-40％以上，缩短产品研发周期约80％。随着近20年来，增材制造技术的快速发展，形成了多种成型技术和装备。这些技术面向航空航天、武器制造、汽车、模具以及生物医疗等高端制造领域，直接制造三维复杂结构，解决传统制造工艺难以甚至无法加工制造难题。
有鉴于增材制造本身的优异性，故对于增材制造方式的采用越发广泛，市场规模也日趋扩大，尤其在装备制造行业应用更加深入且广泛。由于在装备制造业中，每个设备的结构零部件功能作用不同，其结构零部件所采用的材料也不尽相同。随着增材制造在装备制造业中的深入使用，对增材制造所打印的材料种类的多样性的要求也急剧增加。
故此各类3D打印金属粉末研发试制也在不断增加，目前3D打印金属粉末的研发试制过程为首先确定材料成分配比，接而通过雾化制粉等方式制成所需的3D打印金属粉末，再将金属粉末灌入打印设备进行打印，最后进行材料表征和验证。
现行进行3D打印金属粉末研发试制方案为，将已设计好成分配比的金属材料，通过雾化制粉等设备制作成为3D打印金属粉末。灌入增材制造设备中，随后打印设备将粉末逐层匀铺于基板上，并逐层打印成型为所需试验件进行验证；现行研发试制3D打印金属粉末方案首先需通过雾化制粉设备进行制粉，然后再灌入打印设备逐层铺粉打印成型试验件，如此整个流程下来研发时间约为一个月。且采用雾化制粉、及3D打印逐层铺粉打印成本较高。采用雾化制粉的形式每次需制作出为打印实验件数十倍重量的粉末进行打印实验，且粉末能否研发成功及后期是否可循环利用存在很大不确定性，如此对粉末造成极大浪费。每次粉末试制及打印完成，进行下次不同粉末试制及打印时需对设备进行大规模拆卸清洗，如此造成人力、物力成本增加的同时也对设备造成了耗损。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺点，提供一种3D打印金属粉末验证新型基板、验证方法以及在3D打印领域的应用，缩短了试制3D打印金属粉末方案周期，降低了试制成本，同时也减小了对3D打印设备造成的耗损。
本发明的一种3D打印金属粉末验证方法，包括以下步骤：
S1、将设计好的成分及配比的金属材料铸造成金属锭子；
S2、将金属锭子的至少一个表面加工成粗糙面；
S3、通过能量束对粗糙面进行扫描，使粗糙面进行二次重熔；
S4、取出金属锭子，对激光扫描后的粗糙面进行表征和分析。
所述的设计好的成分及配比可以根据使用时具体的试验需要进行设计，并采用上述的方法验证。
所述S2中将金属锭子的至少一个表面加工成粗糙表面，以便于将粗糙面用于后续的验证过程。加工成粗糙面既包含将某一个面全部加工成粗糙面，也包含将一个面的部分加工成粗糙面。
进一步的，所述的能量束为3D打印设备常用的能量束，优选为激光束、电子束、电弧等。
进一步地，所述粗糙面的粗糙度大于Ra6.3。
进一步地，所述粗糙面的加工方式包括人工打磨或机械切削。
更进一步地，所述粗糙面的加工方式为人工打磨，使用粗砂纸或锉刀粗磨成粗糙面。
进一步地，步骤S3中，所述二次重熔的厚度为25-50um。
所述的金属锭子的形状不定，具有可加工成粗糙面的表面即可。优选的，所述的金属锭子的形状为圆盘、圆柱、矩形体、多边形柱等。
进一步地，所述金属锭子为圆柱体或矩形体。
进一步地，步骤S3中，还包括步骤S31、将金属锭子放入基板上，所述基板上设有一个或多个限位孔。所述限位孔用于安装金属锭子。
进一步地，所述基板上还设有一个或多个安装孔，所述安装孔用于将基板安装于工作台上。
进一步地，所述工作台为3D打印设备上的安装台。
进一步地，所述金属锭子的成分及配比为一种或多种。
进一步地，所述金属锭子的数量为一个或多个。
进一步地，所述金属锭子为长条状金属锭子，通过金属切割工艺分离成多段，将切割的断面制成粗糙面。
更进一步地，所述金属切割工艺为线切割。
本发明还提供一种3D打印金属粉末验证基板，所述基板包含一个或多个限位孔。
进一步地，所述限位孔为多个时，呈矩形点阵分布。
进一步地，本发明还提供一种3D打印金属粉末验证组件，所述组件包含基板，基板上有一个或多个限位孔，限位孔中安装有金属锭子，金属锭子具有至少一个粗糙表面。
进一步地，所述基板包含一个或多个安装孔。
本发明还提供一种应用，将上述的组件应用于3D打印金属粉末验证。
进一步地，所述的组件用于上述的验证方法。
本3D打印金属粉末验证新型基板及方法有以下特点：
1、本发明方案改雾化制粉为熔铸锭子其制作时间能缩短一半以上；
2、本发明方案可根据研发需要材料的多少定制材料数量，减少了材料的浪费；
3、本发明方案通过将金属锭子放置于基板上，直接进行激光扫描，无需进行铺粉打印，且同一基板上可以放置不同材料成分的金属锭子同时进行激光扫描；
4、本发明方案同时也就解决了不同材料轮换实验时，需进行3D打印设备拆洗而对设备造成耗损的难题；
5、本发明方案成本更低、时间效率更高、设备利用效率更高。
附图说明
图1为实施例1中长条状金属锭子的结构示意图；
图2为实施例1中金属锭子的结构示意图；
图3为实施例1中基板的结构示意图；
图4为实施例1中基板安装于工作台的结构示意图；
图5为实施例1中铝合金的铸造组织形态结构示意图；
图6为实施例1中3D打印金属粉末成型组织形态结构示意图；
图7为实施例1中铸件激光重熔后的组织形态结构示意图；
其中，1-1长条状金属锭子、1-2金属锭子、1-3粗糙面、2基板、2-1限位孔、2-2安装孔、3工作台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，多属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明的一种3D打印金属粉末验证方法，包括以下步骤：
S1、将设计好的成分及配比的金属材料铸造成金属锭子；
S2、将金属锭子的至少一个表面加工成粗糙面；
S3、通过能量束对粗糙面进行扫描，使粗糙面进行二次重熔；
S4、取出金属锭子，对激光扫描后的粗糙面进行表征和分析。
所述粗糙面的粗糙度大于Ra6.3,本实施例中粗糙度为Ra12.5。
所述粗糙面的加工方式包括人工打磨，本实施例中，所述粗糙面的加工方式为人工打磨，使用粗砂纸或锉刀粗磨成粗糙面。
步骤S3中，还包括步骤S31、将金属锭子放入基板上，所述基板上设有一个或多个限位孔，所述限位孔用于金属锭子安装定位，粗糙面朝上摆放。
所述金属锭子的数量为一个或多个，本实施例为25个。
3D打印金属粉末验证新型基板，所述基板上还设有用于安装于3D打印设备工作台上的安装孔，所述限位孔为多个，呈矩形点阵分布，其孔间距相同，便于3D打印设备进行激光扫描二次重熔。
如图1-7所示，本实施例中，将设计好的成分及配比的金属材料铸造成长条状的金属锭子，其截面为圆形，通过金属切割工艺分离成多段，所述金属切割工艺为线切割，通过线切割完成切割后，将切割的断面制成粗糙面，切割的断面的一个面制成粗糙面，朝上防置；另一个面制成平面，朝下防置。切割成圆柱体的外径为30mm，将圆柱体一个断面磨平，另一个断面利用粗砂纸将其打磨成粗糙面。将已打磨制好的圆柱体，逐个镶入本方案中的基板限位孔内。将装好圆柱体的基板安装固定至3D打印设备内，其中基板为矩形，四角处设有安装孔，紧固件通过安装孔将基板固定在3D打印设备的工作台上，根据预先设定好的工艺参数使用激光，对新型基板上的圆柱体，逐一进行扫描，待激光扫描结束后，将新型基板取出。逐一取下基板上镶嵌的圆柱体，对其激光扫描过后的表面进行表征和验证。
本实施例中，金属材料采用AlSi10Mg材料，其材料化学成分为化学成份：铝Al：90.69％、硅Si：8.2％、铜Cu：0.3％、镁Mg：0.2％、锌Zn：0.1％、锰Mn：0.25％、锡Sn：0.01％、铅Pb：0.05％、铁Fe：0.2％。
将AlSi10Mg金属粉末，其中粉末粒度为15-53um，通过激光选区3D打印方式进行熔融，采用层厚为30um、激光功率为275W、扫描速度为2000mm/s、扫描线距离为0.08mm工艺进行打印。
通过浇铸的方法铸造出外圆直径为30mm的棒材，并将浇铸成的AlSi10Mg铸棒一端通过上面同样的3D打印工艺进行激光扫描进行重熔。
金属粉末通过激光选区3D打印方式进行熔融，与铸件表层通过同样的3D打印工艺进行激光扫描进行重熔，都为一种已成型固态材料再次熔化为液体再固化过程，都为一种重熔过程。在金属粉末3D打印完成与铸件表层激光扫描再重熔，在宏观状态下其表层都不存有热裂纹和缺陷出现。
微观下通过采用粉末3D打印形成的沉积态显微组织与铸件一端进行激光扫描重熔的显微组织趋于相同，采用铸件表面激光扫描重熔的组织，相对于原有铸态铝合金外延生长的柱状α-Al枝晶和枝晶间呈纤维或颗粒状生长的Al-Si共晶组成的组织，重熔的组织显著细化。
实施例2：
本发明的一种3D打印金属粉末验证方法，包括以下步骤：
S1、将设计好的成分及配比的金属材料铸造成金属锭子；
S2、将金属锭子的至少一个表面加工成粗糙面；
S3、通过能量束对粗糙面进行扫描，使粗糙面进行二次重熔；
S4、取出金属锭子，对激光扫描后的粗糙面进行表征和分析。
所述粗糙面的粗糙度大于Ra6.3,本实施例中粗糙度为Ra25。
所述粗糙面的加工方式为通过车床进行机械切削。
步骤S3中，还包括步骤S31、将金属锭子放入基板上，所述基板上设有一个或多个限位孔，所述限位孔用于金属锭子安装定位，粗糙面朝上摆放。
所述金属锭子的数量为一个或多个。
3D打印金属粉末验证新型基板，所述基板上还设有用于安装于3D打印设备工作台上的安装孔，所述限位孔为多个，呈矩形点阵分布。
本实施例中，将设计好的成分及配比的金属材料铸造成长条状金属锭子，其截面为圆形，通过金属切割工艺分离成多段金属锭子，所述金属切割工艺为线切割，通过线切割完成切割后，将切割的断面制成粗糙面，切割的断面的一个面制成粗糙面，朝上防置；另一个面制成平面，朝下防置。圆柱体的外径为30mm，利用线切割将其切割成高度为25mm外径为30mm的圆柱体。将圆柱体一个断面磨平，另一个断面利用粗砂纸将其打磨成粗糙面，将已打磨制好的圆柱体，逐个镶入本方案中的基板限位孔内。将装好圆柱体的基板安装固定至3D打印设备内，其中基板为矩形，四角处设有安装孔，紧固件通过安装孔将基板固定在3D打印设备的工作台上，根据预先设定好的工艺参数使用激光，对新型基板上的圆柱体，逐一进行扫描，待激光扫描结束后，将新型基板取出。逐一取下基板上镶嵌的圆柱体，对其激光扫描过后的表面进行表征和验证。
本实施例中，金属材料采用AlSi10Mg材料，其材料化学成分为化学成份：铝Al：88.06％、硅Si：10％、铜Cu：0.2％、镁Mg：0.25％、锌Zn：0.25％、锰Mn：0.4％、锡Sn：0.01％、铅Pb：0.03％、铁Fe：0.8％。
将AlSi10Mg金属粉末，其中粉末粒度为15-53um，通过激光选区3D打印方式进行熔融，采用层厚为30um、激光功率为275W、扫描速度为2000mm/s、扫描线距离为0.08mm工艺进行打印。
通过浇铸的方法铸造出外圆直径为30mm的棒材，并将浇铸成的AlSi10Mg铸棒一端通过上面同样的3D打印工艺进行激光扫描进行重熔。
金属粉末通过激光选区3D打印方式进行熔融，与铸件表层通过同样的3D打印工艺进行激光扫描进行重熔，都为一种已成型固态材料再次熔化为液体再固化过程，都为一种重熔过程。在金属粉末3D打印完成与铸件表层激光扫描再重熔，在宏观状态下其表层都不存有热裂纹和缺陷出现。
微观下通过采用粉末3D打印形成的沉积态显微组织与铸件一端进行激光扫描重熔的显微组织趋于相同，采用铸件表面激光扫描重熔的组织，相对于原有铸态铝合金外延生长的柱状α-Al枝晶和枝晶间呈纤维或颗粒状生长的Al-Si共晶组成的组织，重熔的组织显著细化。
实施例3：
本发明的一种3D打印金属粉末验证方法，包括以下步骤：
S1、将设计好的成分及配比的金属材料铸造成金属锭子；
S2、将金属锭子的至少一个表面加工成粗糙面；
S3、通过能量束对粗糙面进行扫描，使粗糙面进行二次重熔；
S4、取出金属锭子，对激光扫描后的粗糙面进行表征和分析。
所述粗糙面的粗糙度大于Ra6.3,本实施例中粗糙度为Ra12.5。
所述粗糙面的加工方式包括人工打磨，本实施例中，所述粗糙面的加工方式为人工打磨，使用粗砂纸或锉刀粗磨成粗糙面。
步骤S3中，还包括步骤S31、将金属锭子放入基板上，所述基板上设有一个或多个限位孔，所述限位孔用于金属锭子安装定位，粗糙面朝上摆放。
所述金属锭子的数量为一个或多个。
3D打印金属粉末验证新型基板，所述基板上还设有用于安装于3D打印设备工作台上的安装孔，所述限位孔为多个，呈矩形点阵分布。
本实施例中，将设计好的成分及配比的金属材料铸造成长条状金属锭子，其截面为矩形，通过金属切割工艺分离成多段金属锭子，所述金属切割工艺为线切割，通过线切割完成切割后，将切割的断面制成粗糙面，切割的断面的一个面制成粗糙面，朝上防置；另一个面制成平面，朝下防置。限位孔同样为与金属锭子想配合的矩形，金属锭子的截面为30*30mm，利用线切割将其切割成高度为20mm。金属锭子一个断面磨平，另一个断面利用粗砂纸将其打磨成粗糙面。将已打磨制好的金属锭子，逐个镶入本方案中的基板限位孔内。将装好金属锭子的基板安装固定至3D打印设备内，其中基板为矩形，四角处设有安装孔，紧固件通过安装孔将基板固定在3D打印设备的工作台上，根据预先设定好的工艺参数使用激光，对新型基板上金属锭子的粗糙面，逐一进行扫描，待激光扫描结束后，将新型基板取出。逐一取下基板上镶嵌的金属锭子，对其激光扫描过后的表面进行表征和验证。
本实施例中，金属材料采用AlSi10Mg材料，其材料化学成分为化学成份：铝Al：89.36％、硅Si：9％、铜Cu：0.1％、镁Mg：0.3％、锌Zn：0.3％、锰Mn：0.4％、锡Sn：0.01％、铅Pb：0.03％、铁Fe：0.5％。
将AlSi10Mg金属粉末，其中粉末粒度为15-53um，通过激光选区3D打印方式进行熔融，采用层厚为30um、激光功率为275W、扫描速度为2000mm/s、扫描线距离为0.08mm工艺进行打印。
通过浇铸的方法铸造出外圆直径为30mm的棒材，并将浇铸成的AlSi10Mg铸棒一端通过上面同样的3D打印工艺进行激光扫描进行重熔。
金属粉末通过激光选区3D打印方式进行熔融，与铸件表层通过同样的3D打印工艺进行激光扫描进行重熔，都为一种已成型固态材料再次熔化为液体再固化过程，都为一种重熔过程。在金属粉末3D打印完成与铸件表层激光扫描再重熔，在宏观状态下其表层都不存有热裂纹和缺陷出现。
微观下通过采用粉末3D打印形成的沉积态显微组织与铸件一端进行激光扫描重熔的显微组织趋于相同，采用铸件表面激光扫描重熔的组织，相对于原有铸态铝合金外延生长的柱状α-Al枝晶和枝晶间呈纤维或颗粒状生长的Al-Si共晶组成的组织，重熔的组织显著细化。
另一实施例中，采用两种不同的金属成分配比，所述金属锭子的配比为两种。

Claims (10)

1.一种3D打印金属粉末验证方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、将设计好的成分及配比的金属材料铸造成金属锭子；
S2、将金属锭子的至少一个表面加工成粗糙面；
S3、通过能量束对粗糙面进行扫描，使粗糙面进行二次重熔；
S4、取出金属锭子，对激光扫描后的粗糙面进行表征和分析。
2.根据权利要求1所述的3D打印金属粉末验证方法，其特征在于：所述粗糙面的粗糙度大于Ra6.3。
3.根据权利要求1所述的3D打印金属粉末验证方法，其特征在于：所述的能量束为激光束、电子束、电弧中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的3D打印金属粉末验证方法，其特征在于：步骤S3中，所述二次重熔的厚度为25-50um。
5.根据权利要求1-4任一项所述的3D打印金属粉末验证方法，其特征在于：所述金属锭子为圆盘、圆柱、矩形体、多边形柱中的一种或多种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的3D打印金属粉末验证方法其特征在于：步骤S3中，还包括步骤
S31、将金属锭子放入基板上，所述基板上设有一个或多个限位孔。
7.根据权利要求6所述的3D打印金属粉末验证方法，其特征在于：所述金属锭子的数量为一个或多个，所述金属锭子的成分及配比为一种或多种。
8.一种3D打印金属粉末验证基板，其特征在于所述基板包含一个或多个限位孔。
9.一种3D打印金属粉末验证组件，其特征在于：所述组件包含基板，基板上有一个或多个限位孔，限位孔中安装有金属锭子，金属锭子具有至少一个粗糙表面。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于：所述基板还包含一个或多个安装孔。
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