CN112893871A - 一种铝镁合金3d打印构件接续制造的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，提供了一种铝镁合金3D打印构件接续制造的方法。本发明首先对接续基板的打印面进行梯度激光预热，之后在预热的打印面上进行铺粉打印，得到接续层。本发明通过梯度激光预热将打印面进行连续预热，烧去打印面的杂质元素，完成均匀的预热处理，降低打印面和激光熔覆粉体之间的应力差；本发明在铺粉打印过程中采用低速高功率往复扫描的方式，并在打印不同层时转变激光扫描角度，以防止单向的激光扫描造成热应力不均匀，提高接续层和打印面的结合强度，实现接续层和打印面的冶金结合，提高铝镁合金3D打印接续制造所得构件的质量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种铝镁合金3D打印构件接续制造的方法。
背景技术
金属3D打印增材制造技术具有成形精度高、加工量极少、打印构件质量性能高的技术特点，在电力行业金具中具有极其广泛的应用空间。在进行金属3D打印制造构件过程中，一方面由于设计因素，通常需要将打印增材制造中断后，再次进行续接打印；另一方面某些金属构件需要在局部进行高精度的打印制造，从而满足多功能应用需要。因此就存在续接打印或者二次打印的工艺技术要求。
连续一次打印成形件中，激光对粉体烧结过程产生的温度场在每一层都是均匀的，逐层铺粉过程中每层粉之间的温度也是恒定的，激光对每层粉进行扫描烧结时的初始温度条件都是均匀的。因此整个一次打印构件基本不存在界面结合力差得问题，由于温度的均匀性，也不存在应力高度不均匀的区域。而对于需要多次打印的续接打印构件或某基板上进行增材打印制造的构件来说，由于原基板表面的粗糙度、温度、附着物等因素影响，直接在其表面进行增材打印操作，其界面的结合强度、应力水平及均匀性都是影响接续打印制造界面质量的关键。
同时激光作为一种点光源在进行面扫描过程中会存在加热不均匀，如果为了让粉体完全整体充分熔化而降低扫描速率，则会导致局部加热(激光斑点所在位置)以及冷却(光斑离开的区域)的不均匀，进一步产生应力。如果基板与打印层之间的界面结合并不完整，则将会导致结合处出现如图1所示的结合层间缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种铝镁合金3D打印构件接续制造的方法。本发明提供的方法能够实现激光熔覆粉体和接续打印面之间的冶金结合，并且能够对激光扫描加热所形成的热胀冷缩应力场进行均匀的控制，提高铝镁合金3D打印接续制造所得构件的质量。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种铝镁合金3D打印构件接续制造的方法，包括以下步骤：
(1)对接续基板的打印面进行梯度激光预热；
(2)在预热后的打印面上进行铺粉打印，得到接续层；所述铺粉打印的层数≥5层，所述铺粉打印的激光功率为300～500W，扫描速率为200～600mm/s，扫描方式为往复扫描，相邻层的激光扫描角度差为45～90°。
优选的，所述梯度激光预热包括依次进行的第一激光预热和第二激光预热；所述第一激光预热和第二激光预热的扫描方式均为螺旋扫描；
所述第一激光预热的功率为120～150W，速率为200～300mm/s，扫描间距为0.06～0.09mm；
所述第二激光预热的功率为200W以上，速率为500mm/s以上，扫描间距为0.06～0.09mm；
将从打印面外侧扫描至打印面中心或从打印面中心扫描至打印面外侧记为一次扫描，所述第一激光预热的扫描次数≥1次，所述第二激光预热的扫描次数≥1次。
优选的，当所述打印面的面积≤100mm2时，所述第一激光预热的扫描次数为1～2次，所述第二激光预热的扫描次数为1～3次；当所述打印面的面积＞100mm2时，所述第一激光预热的扫描次数为1～2次，所述第二激光预热的扫描次数为3～5次。
优选的，所述梯度激光预热后，打印面的温度不超过400℃。
优选的，所述铺粉打印的层数为5～10层。
优选的，所述铺粉打印的单层铺粉厚度为0.03～0.06mm。
优选的，得到接续层后，还包括按照预设的打印参数在所述接续层上继续进行3D打印，得到构件。
本发明提供了一种铝镁合金3D打印构件接续制造的方法，本发明首先对接续基板的打印面进行梯度激光预热，之后在预热的打印面上进行铺粉打印，得到接续层，铺粉打印的层数≥5层，所述铺粉打印的激光功率为300～500W，扫描速率为200～600mm/s，扫描方式为往复扫描，相邻层的激光扫描角度差为45～90°。本发明通过梯度激光预热将打印面进行连续预热，烧去打印面的杂质元素，完成均匀的预热处理，降低打印面和激光熔覆粉体之间的应力差，提高粉体和打印面的结合强度；本发明在铺粉打印过程中采用低速高功率的激光进行扫描，并在打印不同层时转变激光扫描角度，以防止单向的激光扫描造成热应力明显的方向性，避免加热冷却不同步造成区域应力的不均匀性，从而提高接续层和打印面的结合强度，实现接续层和打印面的冶金结合。
进一步的，本发明在梯度激光预热过程中先采用低功率激光进行第一激光预热，再采用高功率激光进行第二激光预热，可以避免打印面温度瞬间升高的情况，避免打印面温度和打印面底层产生较大的温度差，从而避免热应力过大导致打印面表层开裂。
进一步的，本发明在梯度预热过程中采用螺旋扫描的方法进行预热，在线速度一定的情况下，外圈大圈扫描速率相对较慢，越靠近心部，圈半径越小，扫描速率越快，热量密度越大，由于螺旋扫描在定值扫描速率下也具有快慢的特点，不同扫描区域温差较小，所导致的热应力就较小；螺旋扫描具有加热升温的对称性较好的优点，能够实现打印面完整均匀的预热。
本发明综合考虑接续3D打印过程中接续层和基材的结合强度，以及激光扫描加热过程中点光源对于整个打印面扫描方向的先后性所带来的应力变化规律，对结合面以及靠近结合面的打印层进行铺粉及扫描策略的调整，以实现在结合面上，被激光熔化的粉体和基板的冶金结合，提高铝镁合金3D打印接续制造所得构件的质量。
附图说明
图1为现有技术中经常出现的结合层缺陷的代表图；
图2为激光从打印面外侧向打印面中心进行螺旋扫描的示意图；
图3为相邻层激光扫描角度差值为90°时的扫描示意图；
图4为实施例1所得构件的接续部位的组织结构图；
图5为1#～3#构件的拉伸性能测试结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种铝镁合金3D打印构件接续制造的方法，包括以下步骤：
(1)对接续基板的打印面进行梯度激光预热；
(2)在预热后的打印面上进行铺粉打印，得到接续层；所述铺粉打印的层数≥5层，所述铺粉打印的激光功率为300～500W，扫描速率为200～600mm/s，扫描方式为往复扫描，相邻层的激光扫描角度差为45～90°。
本发明对接续基板的打印面进行梯度激光预热。本发明对所述接续基板没有特殊要求，本领域中需要进行接续打印的基板均可以采用本发明的方法进行接续制造；在本发明的一些具体实施例中，所述接续基板具体可以为打印中断后需要进行继续打印的铝镁合金构件半成品，例如打印构件过程中由于突然停电、卡粉、换粉、设备故障等发生打印中断，或者由于设计原因需要中断后再继续进行打印的；在本发明的另一些实施例中，所述接续打印基板还可以是需要进行增材制造的铝镁合金基板。
在本发明中，所述梯度激光预热优选包括依次进行的第一激光预热和第二激光预热；所述第一激光预热和第二激光预热的扫描方式均为螺旋扫描，所述螺旋扫描具体可以为从打印面外侧向打印面中心进行螺旋扫描，或者从打印面中心向打印面外侧进行螺旋扫描，激光从打印面外侧向打印面中心进行螺旋扫描的示意图如图2所示；所述第一激光预热的功率优选为120～150W，更优选为130～140W，速率优选为200～300mm/s，更优选为220～250mm/s，扫描间距优选为0.06～0.09mm，更优选为0.07～0.08mm；所述第二激光预热的功率优选为200W以上，更优选为200～300W，速率优选为500mm/s以上，更优选为500～800mm/s，扫描间距优选为0.06～0.09mm，更优选为0.07～0.08mm。本发明采用小功率慢速率的激光进行第一激光预热，在第二激光预热中提高激光功率，这样能够使基板均匀升温，不会因为快速升温带来较大的热应力。
将从打印面外侧扫描至打印面中心或从打印面中心扫描至打印面外侧记为一次扫描，所述第一激光预热的扫描次数优选≥1次，所述第二激光预热的扫描次数优选≥1次；具体的，当所述打印面的面积≤100mm2时，所述第一激光预热的次数优选为1～2次，所述第二激光预热的扫描次数优选为1～3次，更优选为2次；当所述打印面的面积＞100mm2时，所述第一激光预热的次数优选为1～2次，所述第二激光预热的扫描次数为3～5次，更优选为4次。
在本发明中，所述梯度激光预热后，打印面的温度优选不超过400℃。本发明通过梯度激光预热对打印面进行连续预热，烧去杂质元素并解决打印热应力的问题。
激光梯度预热完成后，本发明在预热后的打印面上进行铺粉打印，得到接续层。在本发明中，所述铺粉打印的层数≥5层，优选为5～10层，单层的铺粉厚度优选为0.03～0.06mm，优选为0.04～0.05mm；所述铺粉打印的激光功率为300～500W，优选为350～450W，扫描速率为200～600mm/s，优选为300～500mm/s，扫描方式为往复扫描，相邻层的激光扫描角度差为45～90°，优选为60～90°。以铺粉打印的层数为5层，相邻层激光扫描角度差为90°为例，说明本发明激光扫描角度的变化过程：第二层激光扫描角度相对于第一层旋转90°，第三层激光扫描角度相对于第二层旋转90°，以此类推，直至完成5层铺粉打印，例如：第一层激光进行上下扫描，第二层激光进行左右扫描，第三层激光进行上下扫描，以此类推，直至完成5层铺粉打印。图3为两层激光扫描角度差值为90°时的扫描示意图，其中的黑色箭头和灰色箭头表示相邻层的激光扫描方向。本发明采用低速高功率且转变激光扫描角度的方式进行铺粉打印，能够防止单向熔化造成热应力不均的现象，铺粉打印5层以上时，结合界面的结合力与应力达到稳定，后续回到正常的打印参数继续进行3D打印即可。
得到接续层后，本发明优选按照预设的打印参数在所述接续层上继续进行3D打印，得到构件。本发明对所述预设的打印参数没有特殊要求，按照本领域技术人员熟知的正常打印参数进行设置即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
以铝镁合金构件半成品为基板进行接续打印，首先对打印面进行梯度激光预热，梯度激光预热包括依次进行的第一激光预热和第二激光预热，第一激光预热的激光功率为150W，速率为200mm/s，扫描间距为0.06mm，扫描从打印面最外侧开始向打印面中心进行螺旋扫描，具体的扫描方式如图2所示，扫描次数为1次；第二激光预热的功率为200W，速率为500mm/s，扫描间距为0.06mm，扫描方式和第一激光预热相同，扫描次数为2次。
在预热后的打印面上进行铺粉打印，第一层铺粉厚度0.03mm，激光功率为300W，速率为200mm/s，按上下的方向进行扫描烧结粉体，完成后，第二层铺粉厚度0.03mm，激光功率为300W，速率为200mm/s，按左右方向进行扫描烧结粉体，随后第三层以同样的激光参数进行扫描，扫描角度相对第二层再转90°，第四层的激光扫描角度相对于第三层旋转90°，其他扫描参数均相同，以此类推，共进行5层铺粉打印。具体的扫描示意图如图3所示。
铺粉打印完成后，回到正常的打印参数继续进行3D打印，打印参数为：激光功率280W，扫描速率1000mm/s，扫描间距0.075mm，铺粉厚度0.05mm，完成续接铝镁合金的打印，得到构件。
图4为构件接续部位的组织结构图，其中两个横线中间的部位为接续层和打印面的结合界面，根据图4可以看出，接续层和打印面实现了较好的冶金结合。
以和实施例1相同的铝镁合金构件半成品为基板，直接在打印面上以常规参数进行打印，具体参数为：激光功率280W，扫描速率1000mm/s，扫描间距0.075mm，铺粉厚度0.05mm，将所得构件记为1#构件；
将实施例1制备得到的构件记为2#构件；
不进行接续打印，直接以激光功率280W，扫描速率1000mm/s，扫描间距0.075mm，铺粉厚度0.05mm的参数进行完整打印，得到完整打印试样，记为3#构件。
对1#～3#构件的拉伸性能进行测试，所得结果如图5所示。根据图5可以看出，1#～3#构件都在结合部位断裂，1#构件强度指标只有94.86MPa，变形伸长率为0.58％，这主要是因为结合界面上有太多缺陷，在拉伸过程中仅能承担有限的变形就快速断裂。而采用本发明的方法打印得到的2#构件强度达到142.53MPa，伸长率达到0.912％，虽然强度塑性指标均低于完整打印试样3#(174MPa，1.068％)，但和1#试样相比，续接试样的界面结合强度具有明显提高。
实施例2
其他条件和实施例1相同，仅将第一激光预热的激光功率改为120W，速率改为300mm/s，第二激光预热的功率改为260W，速率改为800mm/s。
实施例3
其他条件和实施例1相同，仅将第一激光预热的激光功率改为130W，速率改为250mm/s，第二激光预热的功率改为220W，速率改为600mm/s。
实施例4
其他条件和实施例1相同，仅将铺粉打印参数修改为铺粉厚度0.04mm，激光功率改为500W，速率改为300mm/s，相邻层的激光扫描角度差为45°。
实施例5
其他条件和实施例1相同，仅将铺粉打印参数修改为铺粉厚度0.06mm，激光功率改为400W，速率改为600mm/s，相邻层的激光扫描角度差为60°。
对实施例2～5制备得到的构件接续部位的组织结构进行观察，结果显示接续层和打印面均实现了冶金结合，所得构件的拉伸性能均有显著提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种铝镁合金3D打印构件接续制造的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对接续基板的打印面进行梯度激光预热；
(2)在预热后的打印面上进行铺粉打印，得到接续层；所述铺粉打印的层数≥5层，所述铺粉打印的激光功率为300～500W，扫描速率为200～600mm/s，扫描方式为往复扫描，相邻层的激光扫描角度差为45～90°。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述梯度激光预热包括依次进行的第一激光预热和第二激光预热；所述第一激光预热和第二激光预热的扫描方式均为螺旋扫描；
所述第一激光预热的功率为120～150W，速率为200～300mm/s，扫描间距为0.06～0.09mm；
所述第二激光预热的功率为200W以上，速率为500mm/s以上，扫描间距为0.06～0.09mm；
将从打印面外侧扫描至打印面中心或从打印面中心扫描至打印面外侧记为一次扫描，所述第一激光预热的扫描次数≥1次，所述第二激光预热的扫描次数≥1次。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述打印面的面积≤100mm2时，所述第一激光预热的扫描次数为1～2次，所述第二激光预热的扫描次数为1～3次；当所述打印面的面积＞100mm2时，所述第一激光预热的扫描次数为1～2次，所述第二激光预热的扫描次数为3～5次。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述梯度激光预热后，打印面的温度不超过400℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铺粉打印的层数为5～10层。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述铺粉打印的单层铺粉厚度为0.03～0.06mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，得到接续层后，还包括按照预设的打印参数在所述接续层上继续进行3D打印，得到构件。
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