CN112338201A - 一种3d打印同步热处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印同步热处理的方法,包括以下步骤:S1、采用二氧化碳激光器作为3D打印增材制造零部件的同步热处理热源;S2、红外成像测温仪对3D打印过程的智能测温;S3、采用光纤激光器3D打印同步二氧化碳激光器热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;S4、确定二氧化碳激光器激光功率,采用光纤激光器3D打印同步二氧化碳激光器热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;该3D打印同步热处理的方法,通过红外成像测温仪对打印路径温度变化进行实时监控,并智能控制激光器输出功率,实现快速、及时地降低打印部件内部应力,避免热应力导致打印部件的裂纹变形和产生,进而提高生产效率。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种3D打印同步热处理的方法。
背景技术
3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,又称增材制造,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
在现有技术中,金属3D打印材料内应力大,导致打印零部件变形,底座加热温度不够高,底座加热温度影响范围较小,对打印部件的上层结构影响小,应力仍较大,不能有效消除;该技术使得3D打印效率低,不适合工业化应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处,提供一种3D打印同步热处理的方法,达到对金属3D打印部件的内应力调控的目的。
为解决上述技术问题,本发明提供的3D打印同步热处理的方法包括以下步骤:
S1、采用二氧化碳激光器作为3D打印增材制造零部件的同步热处理热源;
S2、红外成像测温仪对3D打印过程的智能测温;
S3、采用光纤激光器3D打印同步二氧化碳激光器热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;
S4、确定二氧化碳激光器激光功率,采用光纤激光器3D打印同步二氧化碳激光器热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;
S5、进行3D打印增材制造;
S6、计算初始降温速率。
优选的,所述步骤S1中,光纤激光器为3D打印增材制造激光器,二氧化碳激光器为同步热处理激光器,光纤激光器在前打印,二氧化碳激光器在后进行热处理,两激光器以相同的速度沿预设AutoCAD打印路径数据进行3D打印与热处理,二氧化碳激光器热处理与光纤激光器3D打印存有一定的时间错差Δt。
优选的,所述步骤S2中,采用红外成像测温仪对3D打印部件进行实时测温,明确打印部件材料的高温回复温度T回。
优选的,所述步骤S4中,在进入第二道打印循环时,打印初始位置的温度仍处于T回以上,采用光纤激光器继续打印第二道循环的部件材料,利用红外成像测温仪智能重复步骤2中的初始降温速率计算,确定第二个打印循环过程中的最小二氧化碳激光器激光功率。
优选的,所述步骤S5中,重复所述步骤S4,再进行第三道及第三道以上3D打印增材制造,并最终得到内应力降低的3D打印零部件。
优选的,所述步骤S2中,Δt1应控制在步骤1中的Δt内,即在二氧化碳激光器热处理扫描到初始位置前,提前确定好下一道打印循环过程中,二氧化碳激光器的功率。
优选的,还包括打印平台工作时使用的辅助支撑装置,所述辅助支撑装置包括壳体,所述壳体内壁的一侧固定连接有滑杆,所述滑杆上滑动连接有第一活动板和第二活动板,所述第一活动板的上传动连接有第一传动杆,所述第二活动板上传动连接有第二传动杆;动力装置,所述动力装置固定于所述壳体的底部,所述动力装置包括安装架,所述安装架内壁的底部固定连接有电机;活动装置,所述活动装置设置于所述壳体的内部,所述活动装置包括齿轮,所述齿轮的两侧分别设置有第一齿板和第二齿板。
优选的,所述第一传动杆和所述第二传动杆的顶部均和所述打印平台的底部传动连接。
优选的,所述安装架固定于所述壳体的底部,所述电机的输出端贯穿所述壳体且延伸至所述壳体的内部。
优选的,所述齿轮固定于所述电机的输出端,所述第一齿板和所述第二齿板均和所述第一齿轮相啮合,所述第一活动板固定于所述第一齿板的顶部,所述第二活动板固定于所述第二齿板的顶部。
与相关技术相比较,本发明提供的3D打印同步热处理的方法有如下有益效果:
本发明提供一种3D打印同步热处理的方法,通过红外成像测温仪对打印路径温度变化进行实时监控,并智能控制激光器输出功率,进而智能调控3D打印部件的热处理温度,实现快速、高效的金属部件3D打印。基于材料学热处理工艺与内应力关系的基础原理,实现快速、及时地降低打印部件内部应力,避免热应力导致的打印部件裂纹变形和产生,进而提高生产效率,保证部件成品率,降低工业应用化成本。
附图说明
图1为本发明提供的3D打印同步热处理的方法的第一实施例的结构示意图;
图2为图1所示光纤激光机工作时的状态示意图;
图3为本发明提供的3D打印同步热处理的方法的第二实施例的结构示意图;
图4为图3所示第一齿板俯视部分的结构示意图。
图中标号:1、光纤激光器,2、二氧化碳激光器,3、红外成像测温仪3,4、AutoCAD打印路径,5、打印平台,6、六轴机械手臂,7、辅助支撑装置,71、壳体,72、滑杆,73、第一活动板,74、第二活动板,75、第一传动杆,76、第二传动杆,8、动力装置,81、安装架,82、电机,9、活动装置,91、齿轮,92、第一齿板,93、第二齿板。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
第一实施例
请结合参阅图1、图2,其中,图1为本发明提供的3D打印同步热处理的方法的第一实施例的结构示意图;图2为图1所示光纤激光机的结构示意图。3D打印同步热处理的方法包括以下步骤:
S1、采用二氧化碳激光器2作为3D打印增材制造零部件的同步热处理热源;
S2、红外成像测温仪3对3D打印过程的智能测温;
S3、采用光纤激光器13D打印同步二氧化碳激光器2热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;
S4、确定二氧化碳激光器2激光功率,采用光纤激光器13D打印同步二氧化碳激光器2热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;
S5、进行3D打印增材制造;
S6、计算初始降温速率。
图中实线与虚线同时存在,并不相互叠加,之所以用虚线是为了标记移动Δt1时间后前的位置,A点表示3D打印初始位置。
用红外成像测温仪3对3D打印部件进行实时测温,明确打印部件材料的高温回复温度T回,如图2所示,当光纤激光器1初始打印位置的温度经红外成像测温仪3检测为T初始,经Δt1时间激光打印后,初始位置的温度经红外成像测温仪3检测为TΔt1,据此可以计算出打印过程中初始温度降低速率为τ=(T初始-TΔt1)/Δt1,从而可计算得到在一次打印循环周期时间t内,初始位置的最终温度为T最终=T初始-τ×t=T初始-(T初始-TΔt1)/Δt1×t,对比T最终与T回的大小,如果T最终>T回,则不需二氧化碳激光器2进行同步热处理或进行低功率进行同步热处理,如果T最终<T回,计算ΔT=T回-T最终,基于打印材料的比热容C,计算可得初始位置保证温度在T回以上所需要额外输入能量Q=ΔT×C=(T回-T最终)×C,根据材料对激光的吸收率η,从而计算得到所需输入激光能量Q激光=Q/η=(T回-T最终)×C/η,根据光纤激光器1与二氧化碳的同步速率,得到二氧化碳激光器2的最小输入功率为w=Q激光/Δt2=(T回-T最终)×C/(η×Δt2),其中Δt2为二氧化碳激光扫过初始打印位置的所需时间,于是可得最终二氧化碳激光最小输入功率为
以上为二氧化碳激光器2最小输入功率,考虑激光打印与热处理过程中,打印材料散热速率的不稳定性,故以上打印材料过程中应用的T回=T回理论值+100k,通常T回理论值为0.3-0.5Tm(Tm为金属材料的熔点),并用红外成像测温仪3实时监控3D打印材料的温度不应超过材料的Tm。
所述步骤S1中,光纤激光器1为3D打印增材制造激光器,二氧化碳激光器2为同步热处理激光器,光纤激光器1在前打印,二氧化碳激光器2在后进行热处理,两激光器以相同的速度沿预设AutoCAD打印路径4数据进行3D打印与热处理,二氧化碳激光器2热处理与光纤激光器13D打印存有一定的时间错差Δt。
所述步骤S2中,采用红外成像测温仪3对3D打印部件进行实时测温,明确打印部件材料的高温回复温度T回。
所述步骤S4中,在进入第二道打印循环时,打印初始位置的温度仍处于T回以上,采用光纤激光器1继续打印第二道循环的部件材料,利用红外成像测温仪3智能重复步骤2中的初始降温速率计算,确定第二个打印循环过程中的最小二氧化碳激光器2激光功率。
所述步骤S5中,重复所述步骤S4,再进行第三道及第三道以上3D打印增材制造,并最终得到内应力降低的3D打印零部件。
所述步骤S2中,Δt1应控制在步骤1中的Δt内,即在二氧化碳激光器2热处理扫描到初始位置前,提前确定好下一道打印循环过程中,二氧化碳激光器2的功率。
本发明提供的3D打印同步热处理的方法的工作原理如下:
基于金属3D打印过程中内应力调控的热处理温度控制,采用红外成像测温仪对3D打印金属部件进行实时测温,并根据金属部件局部温度的变化,智能判断同步激光热处理的功率数值,实现金属3D打印部件的内应力调控,进而制备高性能零部件。
与相关技术相比较,本发明提供的3D打印同步热处理的方法具有如下有益效果:
通过红外成像测温仪3对打印路径温度变化进行实时监控,并智能控制激光器输出功率,进而智能调控3D打印部件的热处理温度,实现快速、高效的金属部件3D打印。基于材料学热处理工艺与内应力关系的基础原理,该发明方法可实现快速、及时地降低打印部件内部应力,避免热应力导致的打印部件裂纹与变形从产生,进而提高生产效率,保证部件成品率,降低工业应用化成本。
第二实施例
请结合参阅图3和图4,基于本申请的第一实施例提供的一种3D打印同步热处理的方法,本申请的第二实施例提出另一种3D打印同步热处理的方法。第二实施例仅仅是第一实施例优选的方式,第二实施例的实施对第一实施例的单独实施不会造成影响。
具体的,本申请的第二实施例提供的3D打印同步热处理的方法的不同之处在于,3D打印同步热处理的方法还包括打印平台5工作时使用的辅助支撑装置7,所述辅助支撑装置7包括壳体71,所述壳体71内壁的一侧固定连接有滑杆72,所述滑杆72上滑动连接有第一活动板73和第二活动板74,所述第一活动板73的上传动连接有第一传动杆75,所述第二活动板74上传动连接有第二传动杆76;动力装置8,所述动力装置8固定于所述壳体71的底部,所述动力装置8包括安装架81,所述安装架81内壁的底部固定连接有电机82;活动装置9,所述活动装置9设置于所述壳体71的内部,所述活动装置9包括齿轮91,所述齿轮91的两侧分别设置有第一齿板92和第二齿板93。
通过打印平台5方便3D打印,电机82外接电源并且在外部设置有对应的控制开关安装架81外部有可以打开和闭合的挡板,方便打开安装架81对电机82进行安装或者维护。
滑杆72的两端和壳体71固定连接,方便第一活动板73和第二活动板74的水平运动。
所述第一传动杆75和所述第二传动杆76的顶部均和所述打印平台5的底部传动连接。
第一传动杆75和第二传动杆76的尺寸一致。
所述安装架81固定于所述壳体71的底部,所述电机82的输出端贯穿所述壳体71且延伸至所述壳体71的内部。
壳体71的底部有通孔方便电机82的输出端穿过壳体71。
所述齿轮91固定于所述电机82的输出端,所述第一齿板92和所述第二齿板93均和所述第一齿轮91相啮合,所述第一活动板73固定于所述第一齿板92的顶部,所述第二活动板74固定于所述第二齿板93的顶部。
通过第一活动板73和第二活动板74可以保证第一齿板92和第二齿板93的水平运动。
本发明提供的3D打印同步热处理的方法的工作原理如下:
当通过电机82带动齿轮91逆时针转动时,第一齿板92和第二齿板93带动第一活动板73和第二活动板74向相互靠近的方向运动,第一活动板73和第二活动板74通过第一传动杆75和第二传动杆76带动打印平台5上升,同理当电机82带动齿轮91顺时针转动时,第一活动板73和第二活动板74向相互远离的方向移动,并通过第一传动杆75和第二传动杆76带动打印平台5下降。
与相关技术相比较,本发明提供的3D打印同步热处理的方法具有如下有益效果:
通过电机82的转动带动带动第一齿板92和第二齿板93移动,并使得第一活动板73和第二活动板74相互靠近或者远离,并通过第一传动杆75和第二传动杆76带动打印平台5上升或者下降,对打印平台5进行高度调节,方便打印平台5的使用。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种3D打印同步热处理的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、采用二氧化碳激光器作为3D打印增材制造零部件的同步热处理热源;
S2、红外成像测温仪对3D打印过程的智能测温;
S3、采用光纤激光器3D打印同步二氧化碳激光器热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;
S4、确定二氧化碳激光器激光功率,采用光纤激光器3D打印同步二氧化碳激光器热处理的方法进行金属部件的3D打印制造;
S5、进行3D打印增材制造;
S6、计算初始降温速率。
2.如权利要求1所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述步骤S1中,光纤激光器为3D打印增材制造激光器,二氧化碳激光器为同步热处理激光器,光纤激光器在前打印,二氧化碳激光器在后进行热处理,两激光器以相同的速度沿预设AutoCAD打印路径数据进行3D打印与热处理,二氧化碳激光器热处理与光纤激光器3D打印存有一定的时间错差Δt。
3.如权利要求1所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述步骤S2中,采用红外成像测温仪对3D打印部件进行实时测温,明确打印部件材料的高温回复温度T回。
4.如权利要求3所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述步骤S4中,在进入第二道打印循环时,打印初始位置的温度仍处于T回以上,采用光纤激光器继续打印第二道循环的部件材料,利用红外成像测温仪智能重复步骤2中的初始降温速率计算,确定第二个打印循环过程中的最小二氧化碳激光器激光功率。
5.如权利要求1所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述步骤S5中,重复所述步骤S4,再进行第三道及第三道以上3D打印增材制造,并最终得到内应力降低的3D打印零部件。
6.如权利要求2所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述步骤S2中,Δt1应控制在步骤1中的Δt内,即在二氧化碳激光器热处理扫描到初始位置前,提前确定好下一道打印循环过程中,二氧化碳激光器的功率。
7.如权利要求1所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:还包括打印平台工作时使用的辅助支撑装置,所述辅助支撑装置包括壳体,所述壳体内壁的一侧固定连接有滑杆,所述滑杆上滑动连接有第一活动板和第二活动板,所述第一活动板的上传动连接有第一传动杆,所述第二活动板上传动连接有第二传动杆;
动力装置,所述动力装置固定于所述壳体的底部,所述动力装置包括安装架,所述安装架内壁的底部固定连接有电机;
活动装置,所述活动装置设置于所述壳体的内部,所述活动装置包括齿轮,所述齿轮的两侧分别设置有第一齿板和第二齿板。
8.如权利要求7所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述第一传动杆和所述第二传动杆的顶部均和所述打印平台的底部传动连接。
9.如权利要求7所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述安装架固定于所述壳体的底部,所述电机的输出端贯穿所述壳体且延伸至所述壳体的内部。
10.如权利要求7所述的3D打印同步热处理的方法,其特征在于:所述齿轮固定于所述电机的输出端,所述第一齿板和所述第二齿板均和所述第一齿轮相啮合,所述第一活动板固定于所述第一齿板的顶部,所述第二活动板固定于所述第二齿板的顶部。
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