CN112548120B - 增材制造零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造零件的方法。该方法包括以下步骤：（a）选择所需打印材料的实体扫描参数；（b）根据所需打印材料的实体扫描参数，对轮廓扫描线能量密度进行优化计算，其中，轮廓扫描为两道，第一道轮廓的能量系数k₁为1.3~1.6，第二道轮廓的能量系数k₂为0.4~0.5；（c）根据所需打印材料的实体扫描参数，对轮廓扫描位置参数进行优化计算；（d）采用优化后的轮廓扫描线能量密度和轮廓扫描位置参数，打印零件。本发明能起到以下有益技术效果：无需打印后处理，就能优化成形零件的侧面粗糙度。

Description

增材制造零件的方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及增材制造零件的方法。

背景技术

增材制造，又称3D打印，是一种可以实现零件从粉末材料直接成形三维零件的先进成形技术，成形精度高，尺寸精度可达到±0.1mm，可成形具有复杂结构特别是复杂内部结构的构件，具有较高的成形自由度，在航空、航天、模具、医疗、汽车等领域具有非常高的发展潜力。该技术是一种逐层堆叠成形的加工技术，成形前，由专门的软件对零件及支撑结构进行粉层切片，然后将零件所有的截层信息发送到设备上，在软件控制系统的作用下，由高能激光束选择性地对粉末区域进行扫描烧结，从而实现三维零件的整体成形。

目前，增材制造技术在航空、航天、医疗、磨具等行业均得到较为广发的应用，采用该技术可显著提高零件的成形效率，缩短加工周期，节省零件成本。在现有的增材制造成形设备里，成形零件的上表面粗糙度相对较好，可达到Ra2μm以内。但是，侧面粗糙度均较差，一般为Ra10μm以上。因此，若不对零件进行特殊的后处理过程，成形零件大部分不能直接应用，若对零件进行后处理加工，又将增加零件的加工成本，并提高零件报废的风险。特别是对于航空发动机燃油喷嘴等复杂结构零件，对于内部无法进行后处理的位置粗糙度要求较高，亟需一种可以通过优化打印工艺优化成形零件粗糙度的方法，以便于缩短试制周期，及提高零件使用性能。

激光扫描过程中，在零件实体的边缘位置，激光熔化金属粉末形成的熔池冷却速度非常快，熔池周围的金属粉末不能完全熔化，未完全熔化的金属粉末颗粒将粘附在熔池周围，这些金属颗粒的存在将影响成形零件的侧面粗糙度。一般情况下，直接打印成形零件的侧面粗糙度Ra值为10μm以上，侧面粗糙度较差。以德国EOS公司为例，采用EOS公司默认参数下，打印成形的镍基及铁基合金零件，其侧面粗糙度均在Ra10以上。目前对零件表面进行后处理的技术有磨粒流、电解抛光、磁针研磨等技术，但是这些技术均存在一定的限制，尚未在增材制造零件后处理中得到有效应用，而且，新增工序也将提高零件的加工成本。因此，如果能在打印过程中，对打印零件侧面粗糙度进行有效控制，使得打印零件呈现出比较低的粗糙度水平，那么将有效减少成形零件后处理成本及周期。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种增材制造零件的方法，其能解决现有技术所存在的问题，无需打印后处理，就能优化成形零件的侧面粗糙度。

本发明的以上目的通过一种增材制造零件的方法来实现，所述方法包括以下步骤：

（a）选择所需打印材料的实体扫描参数；

（b）根据所需打印材料的实体扫描参数，对轮廓扫描线能量密度进行优化计算，其中，轮廓扫描为两道，每道轮廓扫描的线能量密度按照以下公式计算：

其中，i为1或2，β_i为第i道轮廓的线能量密度，k_i为第i道轮廓的能量系数，P为实体扫描参数中的实体扫描功率，v为实体扫描参数中的实体扫描速度。k₁为1.3~1.6，k₂为0.4~0.5；

（c）根据所需打印材料的实体扫描参数，对轮廓扫描位置参数进行优化计算；

（d）采用优化后的轮廓扫描线能量密度和轮廓扫描位置参数，打印零件。

根据上述技术方案，本发明的增材制造零件的方法能起到以下有益技术效果：无需打印后处理，就能优化成形零件的侧面粗糙度。

较佳的是，步骤（c）中的轮廓扫描位置参数包括第一道轮廓激光扫描线中心相对于实体内部扫描区域边界的距离L₁，L₁按照以下公式计算：

其中，k₁为第1道轮廓的能量系数，r为所用激光器的光斑直径，H为实体扫描参数中的实体扫描间距，D为所用打印材料粉末的最大颗粒尺寸。

根据上述技术方案，本发明的增材制造零件的方法能起到以下有益技术效果：通过适宜的方式确定第一道轮廓扫描位置参数，进一步优化成形零件的侧面粗糙度。

较佳的是，步骤（c）中的轮廓扫描位置参数还包括第二道轮廓激光扫描线中心相对于第一道轮廓激光扫描线中心的距离L₂，L₂按照以下公式计算：

其中，k₁为第1道轮廓的能量系数，k₂为第2道轮廓的能量系数，D为所用打印材料粉末的最大颗粒尺寸。

根据上述技术方案，本发明的增材制造零件的方法能起到以下有益技术效果：通过适宜的方式确定第二道轮廓扫描位置参数，进一步优化成形零件的侧面粗糙度。

较佳的是，所述方法还包括步骤（e）：在步骤（d）之后，对打印后的零件进行取件清理。

根据上述技术方案，本发明的增材制造零件的方法能起到以下有益技术效果：能对打印后的零件进行清理，使其较好地应用于相应场合。

较佳的是，所述方法还包括步骤（f）：在步骤（e）之后，检测零件的侧面粗糙度。

根据上述技术方案，本发明的增材制造零件的方法能起到以下有益技术效果：检测零件的侧面粗糙度，确保具备优化侧面粗糙度的零件应用于相应场合。

附图说明

图1是本发明的增材制造零件方法的示意流程图。

图2是本发明的增材制造零件方法的扫描路径示意图。

图3是现有技术所打印零件的侧面光学照片。

图4是本发明所打印零件的侧面光学照片。

附图标记列表

101、 实体内部激光扫描路径；

102、 第一道轮廓激光扫描路径；

103、 第二道轮廓激光扫描路径。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计、制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

图1是本发明的增材制造零件方法的示意流程图。图2是本发明的增材制造零件方法的扫描路径示意图。图3是现有技术所打印零件的侧面光学照片。图4是本发明所打印零件的侧面光学照片。

如图1—图2所示，本发明的增材制造零件的方法包括以下步骤：

第一步，根据不同的粉末原材料选用相应的一般扫描参数，该参数可以为设备自带的原始参数，包括实体扫描参数及轮廓扫描参数。其中，实体扫描参数应为较为成熟的参数，在该参数下成形的零件，其内部致密度较高，可满足零件正常使用需求。例如，实体扫描参数包括实体扫描功率P、实体扫描速度v、实体扫描间距H、激光器光斑直径r、粉末最大颗粒尺寸D等。

第二步，根据已有参数（实体扫描参数），对轮廓扫描线能量密度进行优化计算。轮廓一般设置为两道，即成形过程中，扫描完零件内部实体之后，对零件外部轮廓进行两遍扫描。轮廓的能量输入以线能量密度（β）来计算，计算公式如下：

公式（1）

其中，i为1或2，β_i为第i道轮廓的线能量密度，k_i为第i道轮廓的能量系数，P为实体扫描参数中的实体扫描功率，v为实体扫描参数中的实体扫描速度。k₁一般为1.3~1.6，采用较高的能量密度，保证金属粉末能够完全融化。k₂一般为0.4~0.5，采用较低的能量密度，仅用于消除熔池边缘粘附的粉末颗粒。

第三步，根据已有参数（实体扫描参数），对轮廓扫描位置参数进行优化计算。如图2所示，101为零件实体内部激光扫描路径，102为第一道轮廓激光扫描路径，103为第二道轮廓激光扫描路径。L₁为第一道轮廓激光扫描线中心相对于实体内部扫描区域边界的距离，L₂为第二道轮廓激光扫描线中心相对于第一道轮廓激光扫描线中心的距离。L₁可由以下公式计算得出：

公式（2）

其中，k₁为第1道轮廓的能量系数，r为所用激光器的光斑直径，H为实体扫描参数中的实体扫描间距，D为所用粉末的最大颗粒尺寸（对于铺粉增材制造，D一般为0.05mm）。L₂可由以下公式计算得出：

公式（3）

其中，k₂为第2道轮廓的能量系数，D为所用粉末的最大颗粒尺寸。

第四步，采用优化后的轮廓扫描线能量密度和轮廓扫描位置参数，打印零件。

较佳的是，在第四步之后，对打印后的零件进行取件清理。较佳的是，在取件清理之后，检测零件的侧面粗糙度。还可以检测零件的致密度。经检测，通过本发明的增材制造零件方法，零件侧面粗糙度可降至Ra5μm以下。

根据上述技术方案，本发明的增材制造零件的方法能起到以下有益技术效果：通过计算得出优化后的轮廓扫描线能量密度和轮廓扫描位置参数，采用优化后的参数打印零件，可有效消除熔池侧面粘附的金属粉末，提高成形零件侧面的表面质量，侧面粗糙度Ra值可达到5μm以下。本发明的增材制造零件的方法可应用与多种不同牌号的粉末，比如镍基合金、铁基合金、钴基合金等。

实施例：

针对GH4169镍基高温合金粉末材料，现有参数（P为285W，v为960mm/s，r为0.1mm，H为0.11mm，D为0.05mm）下，成形零件的侧面粗糙度Ra值大于10μm。采用本发明的增材制造零件的方法对轮廓扫描参数（轮廓扫描线能量密度和轮廓扫描位置参数）进行优化，根据现有实体扫描参数，采用k₁为1.3、k₂为0.4，计算可得β₁为0.386 W.s/mm、β₂为0.119 W.s/mm、L₁为0.029mm、L₂为0.015mm，采用优化后的轮廓扫描线能量密度和轮廓扫描位置参数，打印零件。对打印后的零件进行取件清理，并检测打印零件的侧面粗糙度。打印零件的侧面粗糙度得到较大优化，Ra值减小到约4μm。图3为未优化参数（现有技术）打印零件的侧面光学照片，其中黑色区域为粘附的金属颗粒。图4为优化后参数（本发明）打印零件的侧面光学照片，侧面粘附的金属颗粒显著减少。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本领域技术人员将会理解，上述具体实施方式并不构成对本发明的限制，本领域技术人员可以在以上公开内容的基础上进行多种修改，而不超出本发明的范围。

Claims (5)

1.一种增材制造零件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（a）选择所需打印材料的实体扫描参数；

（b）根据所需打印材料的实体扫描参数，对轮廓扫描线能量密度进行优化计算，其中，轮廓扫描为两道，每道轮廓扫描的线能量密度按照以下公式计算：

其中，i为1或2，第1道轮廓扫描线位于第2道轮廓扫描线内侧，β_i为第i道轮廓的线能量密度，k_i为第i道轮廓的能量系数，P为实体扫描参数中的实体扫描功率，v为实体扫描参数中的实体扫描速度；k₁为1.3~1.6，k₂为0.4~0.5；

（c）根据所需打印材料的实体扫描参数，对轮廓扫描位置参数进行优化计算；

（d）采用优化后的轮廓扫描线能量密度和轮廓扫描位置参数，打印零件。

2.如权利要求1所述的增材制造零件的方法，其特征在于，步骤（c）中的轮廓扫描位置参数包括第一道轮廓激光扫描线中心相对于实体内部扫描区域边界的距离L₁，L₁按照以下公式计算：

其中，k₁为第1道轮廓的能量系数，r为所用激光器的光斑直径，H为实体扫描参数中的实体扫描间距，D为所用打印材料粉末的最大颗粒尺寸。

3.如权利要求2所述的增材制造零件的方法，其特征在于，步骤（c）中的轮廓扫描位置参数还包括第二道轮廓激光扫描线中心相对于第一道轮廓激光扫描线中心的距离L₂，L₂按照以下公式计算：

其中，k₁为第1道轮廓的能量系数，k₂为第2道轮廓的能量系数，D为所用打印材料粉末的最大颗粒尺寸。

4.如权利要求1所述的增材制造零件的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤（e）：

在步骤（d）之后，对打印后的零件进行取件清理。

5.如权利要求4所述的增材制造零件的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤（f）：

在步骤（e）之后，检测零件的侧面粗糙度。

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