CN112024877A - 一种提高3d打印微流道零件表面质量的方法 - Google Patents

一种提高3d打印微流道零件表面质量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，包括：获取微流道零件的微流道孔径加工信息；设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件；当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔；将墨水注满在微流道零件上的孔内；将微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥；将微流道零件置于温控装置中进行加热；通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光。本发明通过在3D打印微流道零件内部的孔内注入墨水并烘干的方式，再对孔表面进行扫描抛光，提高了内部微孔的表面质量，从而提高了微流道零件的使用寿命和工作的稳定性。

Description

一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法
技术领域
本发明涉及激光3D打印技术领域，更具体地说是指一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法。
背景技术
选择性激光熔融(SLM：Selective Laser Melting)技术是基于材料逐层叠加的增材制造技术，SLM技术在加工空间异形曲面、具有空间结构的微流道等方面具有独特的优势，可以实现复杂形状且锥度可控的微流道零件加工，但是由于SLM技术是基于激光对材料的逐层选择性熔融原理进行的，在成型过程中由于空气滞留、热应力、材料成分偏析等因素，造成成型零件的微流道表面精度差、以及存在孔隙和裂纹等缺陷。
鉴于金属3D打印零件内部微流道存在孔隙、微裂纹等缺陷，而微流道零件多是在高温高压的环境下工作，从而加剧这些缺陷的扩大，且由于微流道表面在使用后，其表面会有液体残留，这些残留的液体浸润在缺陷内部，与零件表面发生化学反应，加剧微流道零件的老化，降低其使用寿命和工作的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，包括以下步骤：
获取微流道零件的微流道孔径加工信息；
当微流道孔径加工信息中微流道孔径小于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件；
当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔；
将墨水注满在微流道零件上的孔内；
将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥；
将微流道零件置于温控装置中进行加热；
通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光；
当微流道孔径加工信息中微流道孔径大于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件，当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔，将墨水注满在微流道零件上的孔内；
将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥；
将微流道零件置于温控装置中进行加热；
通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光。
其进一步技术方案为：所述步骤“当微流道孔径加工信息中微流道孔径小于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件”中，长脉宽脉冲激光的参数为波长大于200nm，频率大于200KHz。
其进一步技术方案为：所述单层基板的厚度为15μm-45μm。
其进一步技术方案为：所述步骤“当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔”中，设定范围值为0.1mm-2mm。
其进一步技术方案为：所述步骤“当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔”中，通过调整激光参数及对光路进行光束整形，以实现对微流道零件进行钻孔；所述调整激光参数为调整脉宽、功率、频率、及占空比；所述对光路进行光束整形为在光路上增加扩束镜，缩小聚焦光斑直径，及将圆形光斑变成条行光斑。
其进一步技术方案为：所述步骤“将墨水注满在微流道零件上的孔内”中，将含有金属颗粒的墨水通过挤压注射的方式注满在微流道零件上的孔内，其中，金属颗粒的直径小于1μm。
其进一步技术方案为：所述步骤“将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥”中，设定的温度为小于100℃。
其进一步技术方案为：所述步骤“将微流道零件置于温控装置中进行加热”中，加热的温度为100℃-350℃。
其进一步技术方案为：所述步骤“将微流道零件置于温控装置中进行加热”中，加热的时长为15分钟-120分钟。
其进一步技术方案为：所述步骤“通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光”中，短波长脉冲激光的波长为小于532nm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：通过在3D打印微流道零件内部的孔内注入墨水并烘干的方式，再对孔表面进行扫描抛光，提高了内部微孔的表面质量，从而提高了微流道零件的使用寿命和工作的稳定性。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，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，可以根据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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
如图1所示的具体实施例，本发明公开了一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，包括以下步骤：
S1，获取微流道零件的微流道孔径加工信息；
S2，当微流道孔径加工信息中微流道孔径小于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件；
其中，在本实施例中，金属粉末为铜粉末或铜合金粉末。
其中，所述步骤“当微流道孔径加工信息中微流道孔径小于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件”中，长脉宽脉冲激光的参数为波长大于200nm，频率大于200KHz，铜对于的激光吸收率高，生产效率高。
其中，在本实施例中，所述单层基板的厚度为15μm-45μm，具体厚度可以根据实际需要进行选择，例如：20μm，30μm等；也可以为其他数值，例如：10μm或50μm等，以适应不同的场景需求。
S3，当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔；
其中，所述步骤“当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔”中，设定范围值为0.1mm-2mm，具体厚度可以根据实际需要进行选择
其中，所述步骤“当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔”中，通过调整激光参数及对光路进行光束整形，以实现对微流道零件进行钻孔；所述调整激光参数为调整脉宽、功率、频率、及占空比；所述对光路进行光束整形为在光路上增加扩束镜，缩小聚焦光斑直径，及通过贝塞尔模组将圆形光斑变成条行光斑；实现对微流道零件的高精密钻孔，其孔锥度可控，但是，此时孔的表面存在微米级别的缺陷。
S4，将墨水注满在微流道零件上的孔内；
其中，在本实施例中，所述步骤“将墨水注满在微流道零件上的孔内”中，将含有金属颗粒的墨水通过挤压注射的方式注满在微流道零件上的孔内，其中，金属颗粒的直径小于1μm，此时，金属颗粒与成型零件的基体材料一致。
在其他实施例中，可以采用浆料替代墨水，扩大了应用场景。
S5，将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥；
其中，所述步骤“将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥”中，可以将灌注满墨水的微流道零件置于室温或者温控设置中，设定的温度为小于100℃，直至将含金属颗粒的墨水全部干燥，此时金属颗粒粘附在孔表面，填充孔表面的孔隙、微裂纹等缺陷，此时孔表面精度较差。
S6，将微流道零件置于温控装置中进行加热；
其中，所述步骤“将微流道零件置于温控装置中进行加热”中，加热的温度为100℃-350℃，直至金属颗粒完成烧结，从而填补孔内缺陷。
进一步地，所述步骤“将微流道零件置于温控装置中进行加热”中，加热的时长为15分钟-120分钟，具体加热时间可以根据实际需要进行选择。
S7，通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光；
其中，所述步骤“通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光”中，短波长脉冲激光的波长为小于532nm，提高了微流道零件的孔表面的精度。
S8，当微流道孔径加工信息中微流道孔径大于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件，当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔，将墨水注满在微流道零件上的孔内；
其中，当微流道孔径加工信息中微流道孔径大于300μm时，金属颗粒为微纳金属颗粒，直径小于100nm。
其中，当微流道孔径加工信息中微流道孔径大于300μm时，是在微流道零件激光3D打印成型的同时，将孔同步成型出来。
S9，将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥；
S10，将微流道零件置于温控装置中进行加热；
S11，通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光。
其中，循环执行上述步骤S1-S11，直至具有空间复杂结构且锥度可控的整体微流道零件，各孔之间形成微流道制作完成。
本发明通过在3D打印微流道零件内部的孔内注入墨水并烘干的方式，再对孔表面进行扫描抛光，提高了内部微孔的表面质量，从而提高了微流道零件的使用寿命和工作的稳定性。
上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取微流道零件的微流道孔径加工信息；
当微流道孔径加工信息中微流道孔径小于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件；
当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔；
将墨水注满在微流道零件上的孔内；
将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥；
将微流道零件置于温控装置中进行加热；
通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光；
当微流道孔径加工信息中微流道孔径大于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件，当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔，将墨水注满在微流道零件上的孔内；
将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥；
将微流道零件置于温控装置中进行加热；
通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光。
2.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“当微流道孔径加工信息中微流道孔径小于300μm时，设置长脉宽脉冲激光参数，对金属粉末进行选择性激光熔融，生成若干层依次叠加的单层基板，以形成微流道零件”中，长脉宽脉冲激光的参数为波长大于200nm，频率大于200KHz。
3.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述单层基板的厚度为15μm-45μm。
4.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔”中，设定范围值为0.1mm-2mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“当微流道零件的厚度到达设定范围值时，对微流道零件进行钻孔”中，通过调整激光参数及对光路进行光束整形，以实现对微流道零件进行钻孔；所述调整激光参数为调整脉宽、功率、频率、及占空比；所述对光路进行光束整形为在光路上增加扩束镜，缩小聚焦光斑直径，及将圆形光斑变成条行光斑。
6.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“将墨水注满在微流道零件上的孔内”中，将含有金属颗粒的墨水通过挤压注射的方式注满在微流道零件上的孔内，其中，金属颗粒的直径小于1μm。
7.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“将孔内注满墨水的微流道零件置于设定的温度内进行干燥，直至墨水全部干燥”中，设定的温度为小于100℃。
8.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“将微流道零件置于温控装置中进行加热”中，加热的温度为100℃-350℃。
9.根据权利要求8所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“将微流道零件置于温控装置中进行加热”中，加热的时长为15分钟-120分钟。
10.根据权利要求1所述的一种提高3D打印微流道零件表面质量的方法，其特征在于，所述步骤“通过短波长脉冲激光对微流道零件上的孔表面进行扫描抛光”中，短波长脉冲激光的波长为小于532nm。
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