CN111761062B - 一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法 - Google Patents

一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法 Download PDF

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Abstract

一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，属于增材制造3D打印技术领域。该方法通过调节刮刀铺粉速度、激光扫描速度、激光扫描间距、激光扫描策略和风场参数，实现大层厚模具钢粉末3D打印构建态表面粗糙度不超过Ra6.3，孔隙率不超过0.05％，尺寸精度控制在±0.05mm范围内。这种模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造，具有重要的社会经济效益。

Description

一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法
技术领域
本发明属于增材制造3D打印技术领域，具体涉及一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法。
背景技术
3D打印被认为是第三次工业革命的突破点，将给制造业带来翻天覆地的变化，成为科研乃至商业领域的一大热点，3D打印快速制造的优势确实解决了一些国家产品供应短缺的问题，也让该技术更加深入人心，目前3D打印技术广泛应用于模具产业，3D打印的过程是以逐层构建零件为标准的。由于3D打印的累加特性，每层的厚度以类似于像素数确定电视或计算机显示器分辨率的方式确定打印分辨率。较小的层厚度通常会使零件的表面更光滑。不利之处在于，层厚越小，所需3D打印的时间也越长。对于制造业而言，在确定美观(更光滑的表面)与节省时间(成本)之间进行抉择显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前存在在确定美观(更光滑的表面)与节省时间(成本)之间进行综合权衡的问题，提供一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
步骤一：利用模具钢打印成形设备中的3D软件界面将激光光斑大小设置为70μm-150μm；
步骤二：通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
步骤三：调整铺粉厚度为50～200μm；
步骤四：设置刮刀铺粉速度100～300mm/s；
步骤五：启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入惰性气体，然后启动加热装置对基板进行加热；
步骤六：对舱室内的风场进行设置；
步骤七：启动打印机中的激光装置，根据模具钢的种类设置激光功率、扫描速度和扫描间距，进行铺粉打印；
步骤八：关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本发明相对于现有技术的有益效果为：实现模具钢粉末选择性激光熔化高效率和高质量的结合，在有效降低模具的生产时间(成本)，提高3D打印构建效率的同时，提升了零件表面的成形质量，具有很高的社会经济效益，对制备新型高端模具具有重要意义。高效率与高质量结合的增材制造成形模具具有成本低、成形尺寸精度高和表面质量效果好等特点，解决了增材制造过程中，模具钢粉末大层厚、高效率生产的同时，无法保证模具钢粉末选择性激光熔化成形后表面高质量的技术问题。
采用大层厚粉末打印将提升3D打印的构建效率。将原来每层打印的建造厚度由30μm增至200μm，构建速度由原来的60g/h增加到240g/h，打印构建效率是原来的4倍，极大地提升了3D打印的构建效率，更加突显出3D打印制造的优势。
附图说明
图1为迂回扫描模式示意图；
图2为条纹扫描模式示意图；
图3为棋盘扫描模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明中使用的大层厚模具钢粉末选择性激光熔化方法在3D打印应用领域使用较晚，目前该方法处于超前水平，若仅仅是通过改变层厚实现3D打印构建效率的提升，打印出的产品表面质量致命性缺陷并不能完全解决；而大功率模具钢粉末打印设备在3D打印领域使用较早，成熟度较高，通过加大成形时的激光功率，为实现大层厚模具钢粉末的熔融成为了可能，同时通过调节刮刀铺粉速度、激光扫描速度、激光扫描间距、激光扫描策略和风场参数，实现大层厚模具钢粉末3D打印构建态表面粗糙度不超过Ra6.3，孔隙率不超过0.05％，在确定美观(更光滑的表面)与节省时间(成本)之间找到了平衡点。
本发明通过3D打印技术实现节省时间(成本)且外观表面满足后续加工需求。这种模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
步骤一：利用模具钢打印成形设备中的3D软件界面将激光光斑大小设置为70μm-150μm；
步骤二：通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略，层厚即指铺粉厚度；
表1模具钢粉末大层厚激光扫描策略
序号 打印件部位 扫描模式
1 壳 条纹扫描模式(图2)
2 芯部 棋盘扫描模式(图3)
3 上表面 迂回扫描模式(图1)
4 下表面 条纹扫描模式(图2)
步骤三：调整铺粉厚度为50～200μm；
步骤四：设置刮刀铺粉速度100～300mm/s；
步骤五：启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入惰性气体，然后启动加热装置对基板进行加热；
步骤六：对舱室内的风场进行设置；
步骤七：启动打印机中的激光装置，根据模具钢的种类设置激光功率、扫描速度和扫描间距，进行铺粉打印；
步骤八：关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，步骤二中，每层之间的扫描方向旋转67°，以确保在加工完许多层之后扫描方向才会完全重复，减少残余应力的累积。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，步骤五中，所述惰性气体为高纯氩气或氮气。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，步骤五中，所述的加热基板温度因模具钢的种类不同而有所区别，具体规则如下：
(1)当模具钢为18Ni300时，基板预热温度具体为：40℃；
(2)当模具钢为NAK80时，基板预热温度具体为：60℃；
(3)当模具钢为S136时，基板预热温度具体为：80℃；
(4)当模具钢为17-4PH时，基板预热温度具体为：100℃；
(5)当模具钢为Corrax时，基板预热温度具体为：120℃；
(6)当模具钢为H11时，基板预热温度具体为：180℃；
(7)当模具钢为H13时，基板预热温度具体为：200℃。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，步骤七中，所述风场的风速为7～8m/s，所述舱室的压力为20～25mbar。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，步骤七中，所述的激光功率、扫描速度和扫描间距因模具钢的种类不同而有所区别，具体规则如下：
(1)当模具钢为18Ni300时，成形工艺参数具体为：激光功率：325～370W，扫描速度：900～1000mm/s，扫描间距：110～120μm；
(2)当模具钢为NAK80时，成形工艺参数具体为：激光功率：355～380W，扫描速度：750～850mm/s，扫描间距：110～120μm；
(3)当模具钢为S136时，成形工艺参数具体为：激光功率：360～390W，扫描速度：700～800mm/s，扫描间距：110～120μm；
(4)当模具钢为17-4PH时，成形工艺参数具体为：激光功率：365～400W，扫描速度：700～800mm/s，扫描间距：100～110μm；
(5)当模具钢为Corrax时，成形工艺参数具体为：激光功率：370～420W，扫描速度：690～800mm/s，扫描间距：100～110μm；
(6)当模具钢为H11时，成形工艺参数具体为：激光功率：375～440W，扫描速度：680～800mm/s，扫描间距：90～110μm；
(7)当模具钢为H13时，成形工艺参数具体为：激光功率：380～460W，扫描速度：580～800mm/s，扫描间距：90～110μm。
实施例1：
一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
一、按18Ni300材料选择性激光熔化要求，将激光光斑大小设置为70μm；
二、通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
三、调整铺粉厚度50μm；
四、设置刮刀铺粉速度100mm/s；
五、启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入高纯氩气(氮气)，然后启动加热装置，加热基板温度至40℃；
六、对舱室内的风场进行设置；
七、启动打印机中的激光装置，采用激光功率330W、扫描速度950mm/s和扫描间距120μm的工艺参数进行铺粉打印；
八、关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本实施例模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。
实施例2：
一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
一、按NAK80材料选择性激光熔化要求，将激光光斑大小设置为90μm；
二、通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
三、调整铺粉厚度80μm；
四、设置刮刀铺粉速度150mm/s；
五、启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入高纯氩气(氮气)，然后启动加热装置，加热基板温度至60℃；
六、对舱室内的风场进行设置；
七、启动打印机中的激光装置，采用激光功率360W、扫描速度810mm/s和扫描间距110μm的工艺参数进行铺粉打印；
八、关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本实施例模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。
实施例3：
一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
一、按S136材料选择性激光熔化要求，将激光光斑大小设置为100μm；
二、通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
三、调整铺粉厚度100μm；
四、设置刮刀铺粉速度220mm/s；
五、启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入高纯氩气(氮气)，然后启动加热装置，加热基板温度至80℃；
六、对舱室内的风场进行设置；
七、启动打印机中的激光装置，采用激光功率380W、扫描速度750mm/s和扫描间距110μm的工艺参数进行铺粉打印；
八、关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本实施例模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。
实施例4：
一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
一、按17-4PH材料选择性激光熔化要求，将激光光斑大小设置为110μm；
二、通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
三、调整铺粉厚度110μm；
四、设置刮刀铺粉速度240mm/s；
五、启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入高纯氩气(氮气)，然后启动加热装置，加热基板温度至100℃；
六、对舱室内的风场进行设置；
七、启动打印机中的激光装置，采用激光功率390W、扫描速度740mm/s和扫描间距100μm的工艺参数进行铺粉打印；
八、关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本实施例模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。
实施例5：
一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
一、按Corrax材料选择性激光熔化要求，将激光光斑大小设置为120μm；
二、通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
三、调整铺粉厚度120μm；
四、设置刮刀铺粉速度255mm/s；
五、启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入高纯氩气(氮气)，然后启动加热装置，加热基板温度至120℃；
六、对舱室内的风场进行设置；
七、启动打印机中的激光装置，采用激光功率410W、扫描速度720mm/s和扫描间距100μm的工艺参数进行铺粉打印；
八、关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本实施例模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。
实施例6：
一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
一、按H11材料选择性激光熔化要求，将激光光斑大小设置为140μm；
二、通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
三、调整铺粉厚度150μm；
四、设置刮刀铺粉速度270mm/s；
五、启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入高纯氩气(氮气)，然后启动加热装置，加热基板温度至180℃；
六、对舱室内的风场进行设置；
七、启动打印机中的激光装置，采用激光功率430W、扫描速度710mm/s和扫描间距90μm的工艺参数进行铺粉打印；
八、关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本实施例模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。
实施例7：
一种用于模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法，所述方法步骤如下：
一、按H13材料选择性激光熔化要求，将激光光斑大小设置为150μm；
二、通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；
三、调整铺粉厚度200μm；
四、设置刮刀铺粉速度300mm/s；
五、启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入高纯氩气(氮气)，然后启动加热装置，加热基板温度至200℃；
六、对舱室内的风场进行设置；
七、启动打印机中的激光装置，采用激光功率450W、扫描速度600mm/s和扫描间距90μm的工艺参数进行铺粉打印；
八、关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件。
本实施例模具钢粉末高效率、高质量的选择性激光熔化方法成形的零件表面通过后续抛光，抛光精度等级可达到A1及以上水平，实现高端模具的高效率、高质量的生产制造。

Claims (3)

1.一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一：利用模具钢打印成形设备中的3D软件界面将激光光斑大小设置为70μm-150μm；
步骤二：通过切片软件设置适合大层厚熔化的激光扫描策略；每层之间的扫描方向旋转67°；
步骤三：调整铺粉厚度为50～200μm；
步骤四：设置刮刀铺粉速度100～300mm/s；
步骤五：启动模具钢打印成形设备，抽真空，并通入惰性气体，然后启动加热装置对基板进行加热；
步骤六：对舱室内的风场进行设置；所述风场的风速为7～8m/s，所述舱室的压力为20～25mbar；
步骤七：启动打印机中的激光装置，根据模具钢的种类设置激光功率、扫描速度和扫描间距，进行铺粉打印；
所述的激光功率、扫描速度和扫描间距因模具钢的种类不同而有所区别，具体规则如下：
(1)当模具钢为18Ni300时，成形工艺参数具体为：激光功率：325～370W，扫描速度：900～1000mm/s，扫描间距：110～120μm；
(2)当模具钢为NAK80时，成形工艺参数具体为：激光功率：355～380W，扫描速度：750～850mm/s，扫描间距：110～120μm；
(3)当模具钢为S136时，成形工艺参数具体为：激光功率：360～390W，扫描速度：700～800mm/s，扫描间距：110～120μm；
(4)当模具钢为17-4PH时，成形工艺参数具体为：激光功率：365～400W，扫描速度：700～800mm/s，扫描间距：100～110μm；
(5)当模具钢为Corrax时，成形工艺参数具体为：激光功率：370～420W，扫描速度：690～800mm/s，扫描间距：100～110μm；
(6)当模具钢为H11时，成形工艺参数具体为：激光功率：375～440W，扫描速度：680～800mm/s，扫描间距：90～110μm；
(7)当模具钢为H13时，成形工艺参数具体为：激光功率：380～460W，扫描速度：580～800mm/s，扫描间距：90～110μm；
步骤八：关闭加热装置和供气系统，待打印件自然冷却，从舱室中取出打印件；
该方法通过调节刮刀铺粉速度、激光扫描速度、激光扫描间距、激光扫描策略和风场参数，实现大层厚模具钢粉末3D打印构建态表面粗糙度不超过Ra6.3，孔隙率不超过0.05％，尺寸精度控制在±0.05mm范围内。
2.根据权利要求1所述的一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，其特征在于：步骤五中，所述惰性气体为高纯氩气或氮气。
3.根据权利要求1所述的一种用于模具钢粉末的选择性激光熔化方法，其特征在于：步骤五中，所述的加热基板温度因模具钢的种类不同而有所区别，具体规则如下：
(1)当模具钢为18Ni300时，基板预热温度具体为：40℃；
(2)当模具钢为NAK80时，基板预热温度具体为：60℃；
(3)当模具钢为S136时，基板预热温度具体为：80℃；
(4)当模具钢为17-4PH时，基板预热温度具体为：100℃；
(5)当模具钢为Corrax时，基板预热温度具体为：120℃；
(6)当模具钢为H11时，基板预热温度具体为：180℃；
(7)当模具钢为H13时，基板预热温度具体为：200℃。
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