CN113084195A - 一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，公开了一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置，通过安装在打印机腔体内的非接触超声发生装置产生超声波，超声波使熔池中产生空穴和液体扰动，促进熔池中的气孔逃逸；将电磁加热装置安装在基板下方并置于打印机腔体内，通过电磁加热装置对基板和打印件进行加热，扩大熔池的尺寸，促进熔池中的气孔逃逸；在打印机腔体中通入高速气流，通过在熔池上方辅助以高速气流减少打印件上方的压力，促进熔池中的气孔逃逸，减少由于超声扰动形成的新气孔。本发明能够有效促进增材制造过程中气孔缺陷的逃逸，降低打印件的孔隙率。

Description

一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置。

背景技术

增材制造与传统的减材制造不同，减材制造是对实心块进行切屑，直到所需的对象完成为止，而增材制造使用逐层沉积材料以制造出一个统一的整体。在制造少量特殊的零件时，传统的减材制造成本高昂，此时增材制造的优势就体现出来。增材制造基于计算机辅助制造得到所需3D模型，并发送到3D打印机，即可快速打印所需零件。增材制造快速和便携的特点使其在医疗、航空航天领域应用广泛。

在激光粉末床熔融过程中，由于金属的快速加热和凝固，使得粉末中的气体在凝固前来不及逸出，或是在熔融过程中捕获环境气体，在凝固后残留在打印层中形成气孔。此外，在粉末熔融过程中，熔池存在时间短，金属粘度大，熔池底部出现颗粒聚集现象，阻碍了气泡向熔池表面运动，最后残留在打印层的底部或结合界面处。这些气孔缺陷会降低打印件的合金性能，特别是强度，也会使打印件的抗疲劳性、抗腐蚀性及耐高温性能大打折扣，严重制约了激光粉末床熔融技术的应用发展。因此，促进增材制造过程中气孔缺陷的逃逸，从而降低打印件的孔隙率，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决以上技术中存在的问题，提供一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置。

本发明提供一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，通过安装在打印机腔体内的超声发生装置产生超声波，所述超声波使熔池中产生空穴和液体扰动，促进所述熔池中的气孔逃逸；

将电磁加热装置安装在基板下方并置于所述打印机腔体内，通过所述电磁加热装置对所述基板和打印件进行加热，扩大所述熔池的尺寸，促进所述熔池中的气孔逃逸；

在所述打印机腔体中通入高速气流，通过在熔池上方辅助以所述高速气流减少所述打印件上方的压力，促进所述熔池中的气孔逃逸。

优选的，所述减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法还包括：在打印过程中，通过安装在所述打印机腔体上方的高速相机对所述熔池的形貌进行在线监测，根据在线监控信息调整所述超声发生装置的参数、所述电磁加热装置的参数和所述高速气流的流速。

优选的，所述高速气流的流速为4～6m/s。

优选的，所述减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法包括以下步骤：

S1：基于计算机辅助制造建立打印件的几何模型；

S2：安装所述超声发生装置和所述电磁加热装置，构建气体通道，将所述基板固定在机床运动平台上；

S3：打开气泵，通过所述气体通道向所述打印机腔体中以第一流速通入保护气体；打开激光器，通过所述激光器对所述基板进行预热；

S4：设置激光粉末床熔融增材制造工艺参数；通过振镜系统聚焦激光束至所述打印件；

S5：打开所述超声发生装置和所述电磁加热装置，通过所述超声发生装置发射超声波至空气中并传播至所述打印件，通过所述电磁加热装置对所述基板和所述打印件进行持续加热；调整所述气泵的压力，以第二流速通入保护气体；

S6：在打印过程中，根据在线监控信息调整所述超声发生装置的参数、所述电磁加热装置的参数和所述保护气体的流速大小，直至打印完成。

优选的，所述打印机腔体为长方体形的封闭式结构；所述打印机腔体的第一侧面设置有进气管道，所述打印机腔体的第二侧面设置有出气管道，所述进气管道与所述气泵相连，所述出气管道与所述回收腔相连。

优选的，所述步骤S3中的所述第一速度为0.8～1m/s，所述步骤S5中的所述第二速度为4～6m/s。

优选的，所述步骤S3中，通过所述激光器对所述基板进行预热时将所述基板加热至40～60℃。

优选的，所述步骤S5中，所述超声发生装置的振幅为20～25μm，频率为20～25kHz；所述电磁加热装置的功率为10～20kW。

优选的，所述S4中，所述激光粉末床熔融增材制造工艺参数包括：激光功率为80～200W、扫描速度为0.5～1m/s、光斑直径为70～100μm、层厚为25～30μm。

本发明提供一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的装置，包括：打印机腔体、高速相机、计算机、中央处理器、移动机构、超声发生装置、激光器、进气管道、气泵、基板、电磁加热装置、出气管道和回收腔；

所述高速相机安装在所述打印机腔体的上方，所述高速相机、所述计算机和所述中央处理器依次连接；所述移动机构位于所述打印机腔体内，所述超声发生装置和所述激光器安装在所述移动机构上；所述打印机腔体的第一侧面设置有进气管道，所述打印机腔体的第二侧面设置有出气管道，所述进气管道与所述气泵相连，所述出气管道与所述回收腔相连；所述基板设置在所述打印机腔体内，并位于所述移动机构的下方；所述电磁加热装置安装在所述基板下方，并置于所述打印机腔体内；

所述减少激光粉末床熔融气孔缺陷的装置用于实现上述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法中的步骤。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，通过安装在打印机腔体内的超声发生装置产生超声波，超声波使熔池中产生空穴和液体扰动，促进熔池中的气孔逃逸；将电磁加热装置安装在基板下方并置于打印机腔体内，通过电磁加热装置对基板和打印件进行加热，扩大熔池的尺寸，促进熔池中的气孔逃逸；在打印机腔体中通入高速气流，通过在熔池上方辅助以高速气流减少打印件上方的压力，促进熔池中的气孔逃逸，同时能够减少由于超声扰动形成的新气孔。本发明能够有效促进增材制造过程中气孔缺陷的逃逸，降低打印件的孔隙率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的装置的结构示意图；

图2为气孔缺陷演化示意图。

其中，1-打印机腔体、2-高速相机、3-计算机、4-中央处理器、5-移动机构、6-超声发生装置、7-激光器、8-进气管道、9-气泵、10-基板、11-电磁加热装置、12-打印件、13-出气管道、14-回收腔。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供了一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，通过安装在打印机腔体内的超声发生装置产生超声波，所述超声波使熔池中产生空穴和液体扰动，促进所述熔池中的气孔逃逸；将电磁加热装置安装在基板下方并置于所述打印机腔体内，通过所述电磁加热装置对所述基板和打印件进行加热，扩大所述熔池的尺寸，促进所述熔池中的气孔逃逸；在所述打印机腔体中通入高速气流，通过在熔池上方辅助以所述高速气流减少所述打印件上方的压力，促进所述熔池中的气孔逃逸，同时能够减少由于超声扰动形成的新气孔。

其中，所述高速气流的流速为4～6m/s。

优选的方案中，在打印过程中，通过安装在所述打印机腔体上方的高速相机对所述熔池的形貌进行在线监测，根据在线监控信息调整所述超声发生装置的参数、所述电磁加热装置的参数和所述高速气流的流速。

本发明利用高能超声波在熔体中产生超声空化和声流效应等，使液相中产生声空穴和液体扰动，进而促使气孔逃逸。同时，使用电磁加热线圈辅助激光对打印层进行加热，减少熔池形成的时间，可以获得更宽更深的熔池，有利于打印件内部气体的逃逸，即减少气孔缺陷，提高打印件的使用性能。此外，我们研究发现仅超声和电磁的耦合并不能最大限度地去除气孔缺陷，因为超声振动过程中，会产生空化效应，搅拌过程中将熔池上方的气流卷入熔池，形成新的气孔，因此，本发明还引入了高速气流，形成负压区域，促进气孔的逃逸。本发明在引入电磁超声复合能场的同时，在熔池上方辅助以高速气流，减小打印层上方压力，促进熔体中的气孔逃逸，最终有效降低打印件的孔隙率，增强其使用性能。

下面对本发明做进一步的说明。

本发明提供的一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，包含以下步骤：

S1：基于计算机辅助制造建立打印件的几何模型。

S2：安装超声发生装置和电磁加热装置，构建气体通道，将基板固定在机床运动平台上；准备激光粉末床熔融所用的金属粉末材料，将制备好的干燥混合均匀的金属粉末材料倒入粉缸中。

具体的，将打磨、清洗和吹干后的所述基板固定在机床运动平台上。

S3：打开气泵，通过所述气体通道向所述打印机腔体中以第一流速通入保护气体；打开激光器，通过所述激光器对所述基板进行预热。

其中，所述第一速度为0.8～1m/s。通过所述激光器对所述基板进行预热时将所述基板加热至40～60℃。

S4：设置激光粉末床熔融增材制造工艺参数(包括激光功率、扫描速度、层厚等)，并进行铺粉；打开激光器，并通过振镜系统聚焦激光束至所述打印件，开始在基板表面进行熔融沉积。

S5：打开所述超声发生装置和所述电磁加热装置，通过所述超声发生装置发射超声波至空气中并传播至所述打印件，通过所述电磁加热装置对所述基板和所述打印件进行持续加热；调整所述气泵的压力，以第二流速通入保护气体。

其中，所述第二速度为4～6m/s。

S6：在打印过程中，根据在线监控信息调整所述超声发生装置的参数、所述电磁加热装置的参数和所述保护气体的流速大小，直至打印完成。

其中，所述超声发生装置的振幅为20～25μm，频率为20～25kHz；所述电磁加热装置的功率为10～20kW。所述激光粉末床熔融增材制造工艺参数包括：激光功率为80～200W、扫描速度为0.8～1m/s、光斑直径为70～100μm、层厚为25～30μm。

按上述方案，设计并制造出低孔隙率的打印件。

所述打印机腔体为长方体形的封闭式结构；所述打印机腔体的第一侧面设置有进气管道，所述打印机腔体的第二侧面设置有出气管道，所述进气管道与所述气泵相连，所述出气管道与所述回收腔相连。在S3过程中向打印机腔体中通入保护气体，在S5过程中改变气泵压力，通入高速气流。

下面给出一个具体的应用实例。

本发明提供的一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，包含以下步骤：

S1：基于计算机辅助制造建立打印件的几何模型。可用三维制图软件(如Autodesk123D)建立打印件的3D几何模型，将成型构建的模型导出为STL格式的文件，再将STL格式成型件导入Materialise Magics软件，根据增材制造设备型号及实际工况要求对成型件模型进行调整。然后将调整后的模型导入Marcam Autofab切片软件，对其进行切片，存储为增材制造装置可识别的gcode格式文件。

S2：准备激光粉末床熔融所用的金属粉末材料及基板。将打磨、清洗和吹干后的基板固定在打印机运动平台上，将干燥混合均匀的粉末倒入粉缸中，并在基板上预置粉末。

金属粉末材料选择铝合金粉末，基板材料选用不锈钢。例如，铝合金粉末为规则球形，粒径分布在15～50μm。

具体的，将粉末放置在真空干燥箱中100℃干燥20min；使用金相砂纸对不锈钢基板表面进行打磨，并用无水乙醇进行超声波清洗10min以去除表面油污和氧化膜。并将粉末与无水乙醇混合制成膏状涂覆在不锈钢基板上，将其放置于真空干燥箱中100℃干燥1h，以减少基板表面污染物的影响。

S3：打开气泵，向打印机腔体中通入流速为1m/s的保护气体；打开激光器，激光预热基板至60℃。

例如，为防止打印过程中打印件被氧化，导致成型零部件产生制造缺陷，通入氮气保护气。

S4：设置激光粉末床熔融增材制造工艺参数。通过振镜系统，聚焦激光束至打印层，并按照既定工艺参数开始打印。

例如，设置激光粉末床熔融工艺参数如下：激光功率为200W、扫描速度为1m/s、光斑直径为70μm、层厚为30μm。

S5：打开超声发生装置(例如超声波发射器)，调整中心频率和振幅；打开电磁加热装置(例如电磁加热线圈)，调整功率；调整气泵压力，将保护气流速升高至4m/s。

例如，将电磁加热线圈的功率设置为20kW；将超声波发射器的振幅设置为25μm，频率为25kHz。

S6：根据高速相机拍摄的熔池形貌，在打印过程中实时调整磁场、超声、气流参数。计算机根据CAD切片数据判断零件是否制作完成，未完成则进入下一指令周期，直至打印完成。

上述过程中的气孔演化如图2所示。在电磁辅助激光加热的条件下，获得较宽较深的熔池，在熔池上方辅助以高速气流，气孔在电磁辅助加热、超声振动搅拌、高速气流减压下更容易向熔池外逸出。此外，通过调整电磁线圈和超声发射器以及上方气流，尽可能获得较宽较深的熔池，能够进一步确保排出气孔的效果。

实施例2：

实施例2提供了一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的装置，参见图1，包括：打印机腔体1、高速相机2、计算机3、中央处理器4、移动机构5、超声发生装置6、激光器7、进气管道8、气泵9、基板10、电磁加热装置11、出气管道13和回收腔14。打印件12位于所述基板10上。

所述高速相机2安装在所述打印机腔体1的上方，所述高速相机2、所述计算机3和所述中央处理器4依次连接；所述移动机构5位于所述打印机腔体1内，所述超声发生装置6和所述激光器7安装在所述移动机构5上；所述打印机腔体1的第一侧面设置有进气管道8，所述打印机腔体1的第二侧面设置有出气管道13，所述进气管道8与所述气泵9相连，所述出气管道13与所述回收腔14相连；所述基板10设置在所述打印机腔体1内，并位于所述移动机构5的下方；所述电磁加热装置11安装在所述基板10下方，并置于所述打印机腔体1内。

所述减少激光粉末床熔融气孔缺陷的装置用于实现实施例1中任一项所述减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法中的步骤。

本发明实施例提供的一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法及装置至少包括如下技术效果：

(1)现有的单一的超声振动与单一的电磁辅助加热对打印层的作用效果不明显，本发明将超声振动与电磁辅助激光加热结合起来，辅助以高速气流，调整其参数，实现对熔池的协同调控，缩短熔池形成的时间，获得尺寸更大的熔池，可以显著提高打印速度，降低了打印件孔隙率；

(2)本装置是一种高效节能的环保装置。相比于单一的超声场需要较高的振幅和单一的电磁加热线圈需要较高的温度，本装置可以在较低的超声能量和电磁线圈温度下实现对熔池的协同调控。另外，电磁辅助加热缩短了激光加热时间，可以在较低的激光功率下得到尺寸更大的熔池；

(3)在打印过程中，以高速相机在线监测熔池的形貌，并实时调整电磁加热线圈、超声波频率和振幅以及打印机腔内保护气流速，来控制熔池形貌；

(4)在超声振动与电磁辅助加热作用下，以高速气流辅助，不仅减小打印层上方压力，有利于熔覆层内部气孔逃逸，而且在制造过程中及时将激光加热产生的蒸气羽烟和溅射颗粒排出，保证了打印机腔体内气体的纯净度，减少其对打印过程的干扰。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，通过安装在打印机腔体内的超声发生装置产生超声波，所述超声波使熔池中产生空穴和液体扰动，促进所述熔池中的气孔逃逸；

将电磁加热装置安装在基板下方并置于所述打印机腔体内，通过所述电磁加热装置对所述基板和打印件进行加热，扩大所述熔池的尺寸，促进所述熔池中的气孔逃逸；

在所述打印机腔体中通入高速气流，通过在熔池上方辅助以所述高速气流减少所述打印件上方的压力，促进所述熔池中的气孔逃逸。

2.根据权利要求1所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，还包括：在打印过程中，通过安装在所述打印机腔体上方的高速相机对所述熔池的形貌进行在线监测，根据在线监控信息调整所述超声发生装置的参数、所述电磁加热装置的参数和所述高速气流的流速。

3.根据权利要求1所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，所述高速气流的流速为4～6m/s。

4.根据权利要求1所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于计算机辅助制造建立打印件的几何模型；

S2：安装所述超声发生装置和所述电磁加热装置，构建气体通道，将所述基板固定在机床运动平台上；

S3：打开气泵，通过所述气体通道向所述打印机腔体中以第一流速通入保护气体；打开激光器，通过所述激光器对所述基板进行预热；

S4：设置激光粉末床熔融增材制造工艺参数；通过振镜系统聚焦激光束至所述打印件；

S5：打开所述超声发生装置和所述电磁加热装置，通过所述超声发生装置发射超声波至空气中并传播至所述打印件，通过所述电磁加热装置对所述基板和所述打印件进行持续加热；调整所述气泵的压力，以第二流速通入保护气体；

S6：在打印过程中，根据在线监控信息调整所述超声发生装置的参数、所述电磁加热装置的参数和所述保护气体的流速大小，直至打印完成。

5.根据权利要求4所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，所述打印机腔体为长方体形的封闭式结构；所述打印机腔体的第一侧面设置有进气管道，所述打印机腔体的第二侧面设置有出气管道，所述进气管道与所述气泵相连，所述出气管道与所述回收腔相连。

6.根据权利要求4所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，所述步骤S3中的所述第一速度为0.8～1m/s，所述步骤S5中的所述第二速度为4～6m/s。

7.根据权利要求4所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过所述激光器对所述基板进行预热时将所述基板加热至40～60℃。

8.根据权利要求4所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述超声发生装置的振幅为20～25μm，频率为20～25kHz；所述电磁加热装置的功率为10～20kW。

9.根据权利要求4所述的减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法，其特征在于，所述S4中，所述激光粉末床熔融增材制造工艺参数包括：激光功率为80～200W、扫描速度为0.5～1m/s、光斑直径为70～100μm、层厚为25～30μm。

10.一种减少激光粉末床熔融气孔缺陷的装置，其特征在于，包括：打印机腔体、高速相机、计算机、中央处理器、移动机构、超声发生装置、激光器、进气管道、气泵、基板、电磁加热装置、出气管道和回收腔；

所述高速相机安装在所述打印机腔体的上方，所述高速相机、所述计算机和所述中央处理器依次连接；所述移动机构位于所述打印机腔体内，所述超声发生装置和所述激光器安装在所述移动机构上；所述打印机腔体的第一侧面设置有进气管道，所述打印机腔体的第二侧面设置有出气管道，所述进气管道与所述气泵相连，所述出气管道与所述回收腔相连；所述基板设置在所述打印机腔体内，并位于所述移动机构的下方；所述电磁加热装置安装在所述基板下方，并置于所述打印机腔体内；

所述减少激光粉末床熔融气孔缺陷的装置用于实现如权利要求1-9中任一项所述减少激光粉末床熔融气孔缺陷的方法中的步骤。

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