CN113263187B - 一种金属材料的增材制造方法及增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种金属材料的增材制造方法及增材制造装置，涉及增材制造技术领域。该方法包括：建立待加工工件的三维模型；根据预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、孔隙度以及材料热膨胀状态进行计算得到每层的切片厚度；进行切片处理及路径规划；控制成形平台下降、铺粉；增材制造装置按照预设熔化工艺和路径规划数据对粉层进行熔化扫描，重复所述铺粉、熔化扫描步骤，从而得到所述金属材料。本发明根据预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙度以及材料热膨胀状态对粉末收缩量进行校正，得到对应的切片厚度，切片厚度是梯度变化的，但是每层的实际铺粉厚度是相同的，从而保证能量输入与铺粉厚度相匹配，减少工件内部的缺陷，提高工件质量。

Description

一种金属材料的增材制造方法及增材制造装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种金属材料的增材制造方法及增材制造装置。

背景技术

粉床熔融增材制造成形方法的原理为在预置底板上铺置一层粉末，根据零件路径规划数据有选择地对铺置粉末进行选区扫描熔化，根据切片数据底板下降一定层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，新熔化层与前一层熔合为一体，层层堆叠直到零件加工完成。

可见，粉床熔融增材制造是通过松散金属粉末的逐层熔化来实现的，熔化完成后存在体积收缩的现象。通常增材制造用粉末的孔隙度在0.4~0.6之间，也就意味着在不考虑其它因素的情况下，单层存在约40~60%的体积收缩，使凝固层表面低于熔化前粉层高度。通常情况下底板的下降高度与切层厚度是一致的，也是固定的，这样就会导致下一层铺置的粉末厚度大于预设粉层厚度。随着加工层的增加，粉层的收缩量也会有一个函数性的累加。此外，除粉末孔隙度的影响外，成形过程中粉末的飞溅、凝固金属的热膨胀问题等都会对粉层的收缩量存在较大影响，同时就对实际铺粉厚度存在较大影响。如果继续采用预设铺粉厚度对应的能量输入，将会导致铺粉厚度与能量输入的不匹配，从而使得成形零件内部存在层间结合不良等缺陷。现有技术中，通常可采用降低粉末层厚，采用松装密度较高的粉末或优化预热工艺以降低粉末飞溅来抑制粉层收缩对成形质量的影响，但效果有限。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属材料的增材制造方法及增材制造装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本发明首先提供一种金属材料的增材制造方法，包括：

建立待加工工件的三维模型；

根据预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙度以及材料热膨胀状态进行计算得到每层的切片厚度；

根据所述计算得到的每层的切片厚度对所述三维模型进行切片处理，得到所述三维模型的二维切片数据，并对所述二维切片数据进行路径规划处理，得到所述二维切片数据的路径规划数据；

控制软件根据所述二维切片数据控制增材制造装置的成形平台下降，并控制铺粉机构在所述成形平台上进行铺粉；

所述增材制造装置按照预设熔化工艺和所述路径规划数据对粉层进行熔化扫描，重复所述铺粉、熔化扫描步骤，从而得到所述金属材料。

优选的，所述金属材料的第n层的切片厚度h_n由以下公式计算：

当n=1时，h₁=H；

当n＞1时，h_n=H-a_n-1=H-H(1-η_n-1)(1-θ)(1+α×ΔT_n-1)，

其中H为预设铺粉厚度，a_n-1为第n-1层粉末熔化凝固后的收缩量，η_n-1为待加工工件的截面范围内熔化第n-1层时粉末的飞溅质量占第n-1层的铺粉质量的百分比，θ为粉末的孔隙度，α为粉末的平均线膨胀系数，ΔT_n-1为第n-1层粉末熔化凝固后的温度与室温的温度差，n为正整数。

优选的，θ=1-(ρ_松装/ρ_理论)，所述ρ_松装为粉末的松装密度，所述ρ_理论为粉末的理论密度。

优选的，0＜η_n-1＜50%。

优选的，η_n-1根据粉末飞溅情况实时获得。

优选的，α由材料本身的性质决定，10^-6≤α≤10^-5。

优选的，0＜ΔT_n-1≤3500℃。

优选的，所述每层的切片厚度根据函数单独计算储存在计算机中，再导入到切片软件中进行切片，或由直接嵌套于切片软件中的函数直接计算并完成切片，或包含切片厚度计算函数的切片软件直接嵌套于控制软件中，控制软件载入三维模型直接完成切片。

优选的，所述每层的切片厚度与所述成形平台每层下降的高度相同，从而控制铺粉完成后，每层实际铺粉厚度与预设铺粉厚度相同。

本发明其次提供一种增材制造装置，包括能量源，所述增材制造装置利用所述能量源对待加工工件进行增材制造时采用上述任一项所述的增材制造方法进行制造。

本发明可以实现以下有益效果：

本发明中，根据预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙度以及材料热膨胀等计算得到对应的切片厚度，所述切片厚度是梯度变化的，但是每层的实际铺粉厚度是相同的，从而保证能量输入与铺粉厚度相匹配，减少工件内部的缺陷，提高工件质量。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出现有技术中的切片厚度示意图；

图2示出本发明实施例中的切片厚度示意图；

图3示出本发明实施例中的金属材料的增材制造方法的流程图；

图4示出本发明实施例中的增材制造装置的结构示意图。

附图标记：

铺粉机构100、成形平台200、升降机构300、控制单元400、能量源500、待加工工件600。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

请参考图1，图1为现有增材制造技术中的切片厚度的设置方法，如图1中的a₁、a₂、a₃为每层的粉末收缩量，每层的切片厚度都相等，都是h。前一层铺粉之后，粉末会受热熔化收缩，使熔化收缩后的粉末层厚度小于切片厚度，从而导致实际铺粉厚度（例如H₁、H₂、H₃等）大于切片厚度，从而导致能量输入的不匹配，使得成形零件内部存在部分缺陷。

本发明实施例首先提供了一种金属材料的增材制造方法，请参考图3，包括以下步骤：

S101，建立待加工工件600的三维模型；

S102，根据预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙度以及材料热膨胀状态进行计算得到每层的切片厚度；

S103，根据所述计算得到的每层的切片厚度对所述三维模型进行切片处理，得到所述三维模型的二维切片数据，并对所述二维切片数据进行路径规划处理，得到所述二维切片数据的路径规划数据；

S104，控制软件根据所述二维切片数据控制增材制造装置的成形平台200下降，并控制铺粉机构100在所述成形平台200上进行铺粉；

S105，所述增材制造装置按照预设熔化工艺和所述路径规划数据对粉层进行熔化扫描，重复所述铺粉、熔化扫描步骤，从而得到所述金属材料。

在本实施例中，根据预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙度以及对材料热膨胀等计算得到对应的切片厚度，所述切片厚度是梯度变化的，但是每层的实际铺粉厚度是相同的，从而保证能量输入与铺粉厚度相匹配，减少工件内部的缺陷，提高工件质量。

可选的，在一些实施例中，请参考图2，所述金属材料的第n层的切片厚度h_n由以下公式计算：

当n=1时，h₁=H；

当n＞1时，h_n=H-a_n-1=H-H(1-η_n-1)(1-θ)(1+α×ΔT_n-1)，

其中H为预设铺粉厚度，a_n-1为第n-1层粉末熔化凝固后的收缩量，η_n-1为待加工工件的截面范围内熔化第n-1层时粉末的飞溅质量占第n-1层的铺粉质量的百分比，也就是要进行熔化扫描的截面范围。θ为粉末的孔隙度，α为粉末的平均线膨胀系数，ΔT_n-1为第n-1层粉末熔化凝固后的温度与室温的温度差，n为正整数。在本实施例中，根据预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙度以及对材料热膨胀等计算得到每层对应的切片厚度，保证能量输入与铺粉厚度相匹配，以便进行熔化扫描，从而完成金属材料的打印，减少工件内部的缺陷，提高工件质量。

可选的，在一些实施例中，θ=1-(ρ_松装/ρ_理论)，所述ρ_松装为粉末的松装密度，所述ρ_理论为粉末的理论密度。粉末的材料不同，其理论密度不同，粉末的材料、形貌、粒度分布等不同，其松装密度不同，根据实际测试结果精确计算，从而得到粉末的孔隙度。

可选的，在一些实施例中，0＜η_n-1＜50%，η_n-1可以是5%、10%、20%、30%等等，每层粉末在扫描熔化时的飞溅程度不同，从而带来不同的损失量。

可选的，在一些实施例中，η_n-1根据制造经验获得，或根据粉末飞溅质量情况实时获得，如通过称重或距离传感器检测实时数据进行计算得到，以由前述公式实时调整切片厚度、铺粉量或成形参数。

可选的，在一些实施例中，10^-6≤ɑ≤10^-5，α为平均线膨胀系数，是由材料本身的性质决定，通常10^-6≤α≤10^-5，例如，2×10^-6、4×10^-6、5×10^-6、7×10^-6等等，但也不限于此。

可选的，在一些实施例中，0＜ΔT_n-1≤3500℃，可以是500℃、1000℃、1500℃、2000℃、3000℃等等，但也不限于此，随着粉末材料以及制造工艺不同而发生改变，能够对温度差带来的金属材料热膨胀进行较为准确的计算。

可选的，在一些实施例中，所述每层的切片厚度根据函数单独计算储存在计算中，再导入到切片软件中进行切片，或由直接嵌套于切片软件中的函数直接计算并完成切片，或包含切片厚度计算函数的切片软件直接嵌套于控制软件中，控制软件载入三维模型直接完成切片。利用本领域中可以使用的软件和函数即可。

可选的，在一些实施例中，所述每层的切片厚度与所述成形平台每层下降的高度相同，从而控制铺粉完成后，每层实际铺粉厚度与预设铺粉厚度相同。

可选的，在一些实施例中，各个参数的实际数值可以根据实验获取。粉末除了受上述因素影响之外，还可能受其他因素，例如，粉末间的相互作用，扫描路径的规划等等，产生不同程度的收缩。把多种因素考虑进去，用以计算切片厚度，使得到的切片厚度更加符合实际情况。

上述任一实施例中的粉末都可以是TiAl合金粉末，但也不限于此，其它金属粉末亦可，如铁基材料、镍基材料等。所述增材制造装置的高能束可以是激光、电子束、等离子束等，但也不限于此。

可选的，所述球形TiAl合金粉末可以通过等离子旋转电极雾化法制备而得，所述球形TiAl合金粉末的球形度大于90%。

在一个具体实施例中，可以采用以下步骤进行增材制造：

把电子束选区熔化设备的成形室抽真空至<5×10^-3Pa；

利用电子束对成形室的成形平台200进行预热，控制电子束预热电流为10~35mA，使底板达到工作预备状态；

将粉仓中的球形TiAl合金粉末均匀铺设到成形室的成形平台200上；

采用电子束对所述成形室的成形平台200上的球形TiAl合金粉末进行铺粉前预烧结；

根据所述规划后的扫描路径以及切片厚度采用电子束对预热后的球形TiAl合金粉末进行选区熔化扫描；重复上述铺粉、前预热、选区熔化扫描，直至实体片层逐层堆积，得到目标工件。

本发明其次提供一种增材制造装置，如图4所示，所述增材制造装置包括：铺粉机构100、成形平台200、升降机构300、控制单元400和能量源500。所述增材制造装置利用所述能量源500对待加工工件600进行增材制造时采用上述任一项实施例所述的增材制造方法进行制造。其中，所述铺粉机构100、升降机构300和能量源500分别与所述可控制单元400连接。所述铺粉机构100位于所述成形平台200的上方，并在控制单元400的控制下在所述成形平台200上进行铺粉。所述能量源500位于所述铺粉机构100的上方，对所述成形平台200上的粉末进行扫描预热以及熔化。所述升降机构300位于所述成形平台200下方，在所述控制单元400的控制下对成形平台200进行升降操作，两者之间可以是固定连接。所述能量源500可以是激光、电子束、等离子束等，但也不限于此。

需要理解的是，上述描述中的术语“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实施例和简化描述，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实施例的限制。

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。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，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，可以是固定连接，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公开中的具体含义。

在本发明实施例中，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公开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接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种金属材料的增材制造方法，其特征在于，包括：

建立待加工工件的三维模型；

综合考虑预设铺粉厚度、粉末的飞溅程度、粉末的孔隙度以及材料热膨胀状态进行计算得到每层的切片厚度；

根据所述计算得到的每层的切片厚度对所述三维模型进行切片处理，得到所述三维模型的二维切片数据，并对所述二维切片数据进行路径规划处理，得到所述二维切片数据的路径规划数据；

控制软件根据所述二维切片数据控制增材制造装置的成形平台下降，并控制铺粉机构在所述成形平台上进行铺粉；

所述增材制造装置按照预设熔化工艺和所述路径规划数据对粉层进行熔化扫描，重复所述铺粉、熔化扫描步骤，从而得到所述金属材料。

2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述金属材料的第n层的切片厚度h_n由以下公式计算：

当n=1时，h₁=H；

当n＞1时，h_n=H-a_n-1=H-H(1-η_n-1)(1-θ)(1+α×ΔT_n-1)，

其中H为预设铺粉厚度，a_n-1为第n-1层粉末熔化凝固后的收缩量，η_n-1为待加工工件的截面范围内熔化第n-1层时粉末的飞溅质量占第n-1层的铺粉质量的百分比，θ为粉末的孔隙度，α为粉末的平均线膨胀系数，ΔT_n-1为第n-1层粉末熔化凝固后的温度与室温的温度差，n为正整数。

3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，θ=1-(ρ_松装/ρ_理论)，所述ρ_松装为粉末的松装密度，所述ρ_理论为粉末的理论密度。

4.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，0＜η_n-1＜50%。

5.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，η_n-1根据粉末飞溅情况实时获得。

6.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，α由材料本身的性质决定，10^-6≤α≤10^-5。

7.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，0＜ΔT_n-1≤3500℃。

8.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述每层的切片厚度根据函数单独计算储存在计算机中，再导入到切片软件中进行切片，或由直接嵌套于切片软件中的函数直接计算并完成切片，或包含切片厚度计算函数的切片软件直接嵌套于控制软件中，控制软件载入三维模型直接完成切片。

9.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述每层的切片厚度与所述成形平台每层下降的高度相同，从而控制铺粉完成后，每层实际铺粉厚度与预设铺粉厚度相同。

10.一种增材制造装置，其特征在于，包括能量源，所述增材制造装置利用所述能量源对待加工工件进行增材制造时采用权利要求1-9任一项所述的增材制造方法进行制造。

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