CN113770379A - 基于slm的金属构件3d打印方法 - Google Patents

基于slm的金属构件3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于SLM的金属构件3D打印方法。本发明的基于SLM的金属构件3D打印方法包括以下步骤：对目标构件的模型进行划分，以形成第一处理部和第二处理部，第一处理部具有容置空间，且第二处理部位于容置空间中；利用激光烧结第一处理部；第一处理部成型完毕后，对目标构件进行热处理，以降低目标构件的残余应力，并使与第二处理部对应的原料在热处理过程中烧结。本发明提供的基于SLM的金属构件3D打印方法，能够大幅减少激光扫描所需的时间，提高目标构件的加工效率。

Description

基于SLM的金属构件3D打印方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于SLM的金属构件3D打印方法。
背景技术
SLM(Selective laser melting，选择性激光熔化)是3D打印以获得金属构件的常用技术手段。SLM技术的大致原理为：根据目标构件的截面信息，利用激光逐层扫描截面，被扫描过的金属粉末温度升高并熔化，熔化后的金属粉末再次凝固后便获得成型的目标构件，随后对目标构件进行热处理以降低内部残余的应力。然而，对于体积较大的目标构件，激光扫描的截面面积大、扫描路径长，导致目标构件生产效率低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于SLM的金属构件3D打印方法，能够提高目标构件的生产效率。
根据本发明的实施例的基于SLM的金属构件3D打印方法，包括以下步骤：S1：对目标构件的模型进行划分，以形成第一处理部和第二处理部，其中，所述第一处理部具有容置空间，且所述第二处理部位于所述容置空间中；沿所述目标构件的堆叠成型方向，将所述目标构件的模型划分出多个打印层；S2：铺设原料；S3：利用激光熔化一个所述打印层中与所述第一处理部对应的所述原料；S4：使所述原料冷却凝固；S5：重复多次S2至S4，直至所述第一处理部成型完毕，然后对所述目标构件进行热处理，以降低所述目标构件的残余应力，并使与所述第二处理部对应的所述原料在所述热处理过程中烧结。
根据本发明实施例的基于SLM的金属构件3D打印方法，至少具有如下有益效果：本发明的基于SLM的金属构件3D打印方法，仅对目标构件的第一处理部进行激光扫描，减少了激光扫描的面积、缩短了激光扫描的路径长度，从而减少了激光扫描所需的总体时间，而未被激光扫描的第二处理部会在原本便要进行的热处理过程中烧结(烧结实际上亦为原料熔化后再凝固)，第二处理部的烧结成型与目标构件的热处理同时进行和完成。因此，本方案的打印方法对第一处理部进行激光扫描，然后在热处理的过程中使第二处理部成型，大幅减少了激光扫描所需的时间，从而减少了目标构件的加工时间，提高目标构件的生产效率；而且，本方案的打印方法，对于体积较大的目标构件，效率提高效果更明显。
根据本发明的一些实施例，所述第一处理部包括：轮廓体，内部具有包围空间；第一交错体，设置有多个，所述第一交错体与所述轮廓体的内侧连接，所述第一交错体位于所述包围空间内；第二交错体，设置有多个，所述第二交错体与所述轮廓体的内侧连接，所述第二交错体位于所述包围空间内，所述第二交错体与所述第一交错体交错设置，以将所述包围空间划分并形成多个所述容置空间。
根据本发明的一些实施例，所述第一交错体和所述第二交错体均纵向设置。
根据本发明的一些实施例，所述第一交错体的底端以及所述第二交错体的底端均与所述轮廓体的底部连接，且所述轮廓体的底部封闭所述容置空间的底端。
根据本发明的一些实施例，所述第一交错体和所述第二交错体相互垂直。
根据本发明的一些实施例，多个所述第一交错体等间距设置，多个所述第二交错体等间距设置，相邻的所述第一交错体之间的距离，与相邻的所述第二交错体之间的距离相等。
根据本发明的一些实施例，所述第一交错体的厚度和所述第二交错体的厚度，均为0.3mm-0.8mm。
根据本发明的一些实施例，相邻的两个所述第一交错体之间的距离以及相邻的两个所述第二交错体之间的距离，均为0.5mm-2.0mm。
根据本发明的一些实施例，所述S5中的所述热处理为退火处理。
根据本发明的一些实施例，所述原料的烧结温度不小于所述热处理的过程中所述目标构件的保温温度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为打印设备的局部示意图；
图2为本发明一些实施例中的目标构件的模型立体示意图；
图3为图2所示的模型的第一处理部的立体示意图；
图4为图3所示的第一处理部的俯视图；
图5为第一处理部和第二处理部的分布简化示意图(俯视角度)；
图6为另一些实施例中第一处理部的俯视图；
图7为一些实施例中目标构件的热处理过程示意图。
附图标记：101-打印头，102-铺料辊，103-料台，104-打印缸，105-粉末，106-成型腔，201-目标构件，301-第一处理部，302-轮廓体，303-第一交错体，304-第二交错体，401-包围空间，402-容置空间，501-第二处理部。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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发明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一定指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。
为方便介绍本发明的基于SLM的金属构件3D打印方法，下面先简要介绍实现该方法的打印设备。参照图1，打印设备包括打印缸104、料台103、铺料辊102和打印头101。料台103设置在打印缸104的内部，且料台103能够相对打印缸104升降，料台103的顶面与打印缸104的内壁限定出成型腔106，料台103用于承载原料，原料可进入成型腔106中。铺料辊102能够相对于打印缸104移动并跨过料台103，从而将原料铺设到料台103上。打印头101能够相对于料台103移动，打印头101能够发出激光以使原料熔化。该打印设备的打印过程大致如下：铺料辊102铺设一层粉末105(原料)到料台103上(一层粉末105对应一个打印层)，打印头101根据目标构件201(即想要获得的最终产品)的截面信息移动，使一层粉末105中的一部分粉末105熔化；待该层粉末105凝固后，料台103下降一定距离，铺料辊102再铺一层粉末105到料台103上，随后再次进行激光熔化粉末105的步骤；重复多次后，多层的成型的粉末105自下而上堆叠最终形成目标构件201。此外，目标构件201成型后，目标构件201需要移出打印缸104，并放入到加热炉中进行热处理，以降低残余应力(加热炉未具体示出)。
下面介绍本发明的基于SLM的金属构件3D打印方法(以下简称打印方法)。参照图2至图5，打印方法包括以下步骤：
S1：对目标构件201的模型进行划分，将目标构件201的模型划分为第一处理部301和第二处理部501，其中，第一处理部301具有多个容置空间402，第二处理部501与第一处理部301相连，且第二处理部501位于容置空间402中；此外，除划分第一处理部301和第二处理部501之外，还需要沿目标构件201的堆叠成型方向(即上下方向，或者说纵向)，将目标构件201的模型划分出多个打印层；
S2：铺设原料(由于是制造金属构件，原料为金属粉末)；
S3：利用激光熔化当前的一个打印层中与第一处理部301所对应的那一部分原料；
S4：等待被激光熔化的原料冷却凝固；
S5：重复多次S2至S4，直至第一处理部301成型完毕，随后对目标构件201进行热处理，以降低目标构件201的残余应力，并使第二处理部501对应的那一部分原料在热处理的过程中烧结。
本发明的打印方法，仅对目标构件201的第一处理部301进行激光扫描，减少了激光扫描的面积、缩短了激光扫描的路径长度，从而减少了激光扫描所需的总体时间，而未被激光扫描的第二处理部501会在原本便要进行的热处理过程中烧结(烧结实际上亦为原料熔化后再凝固)，第二处理部501的烧结成型与目标构件201的热处理同时进行和完成。因此，本方案的打印方法对第一处理部301进行激光扫描，然后在热处理的过程中使第二处理部501成型，大幅减少了激光扫描所需的时间，从而减少了目标构件201的加工时间，提高目标构件201的生产效率；而且，本方案的打印方法，对于体积较大的目标构件201，效率提高效果更明显。
下面再对打印方法中的各步骤的具体细节进行补充或说明，打印方法中的步骤S2至步骤S4与传统的SLM方法类似，故下面主要对步骤S1和步骤S5进行补充。
步骤S1中，对目标构件201的模型的划分工作，均可以通过计算机实现。参照图2至图4，在一些实施例中，第一处理部301包括轮廓体302、第一交错体303和第二交错体304；轮廓体302对应目标构件201的外部轮廓的一部分(可对应图4中最外围的矩形框)，轮廓体302的内部具有包围空间401；第一交错体303和第二交错体304均设置有多个，第一交错体303和第二交错体304均与轮廓体302的内侧连接，第一交错体303和第二交错体304均设置在包围空间401中，第一交错体303和第二交错体304相互交错，从而将包围空间401划分形成多个容置空间402。参照图3和图4，第一交错体303从左后方延伸至右前方，第二交错体304从左前方延伸至右后方；在俯视角度下，第一处理部301呈网格状，相邻的两个第一交错体303以及相邻的两个第二交错体304围设形成的空间为容置空间402，第一交错体303、第二交错体304以及轮廓体围设形成的空间亦为容置空间402。
在这种设置方式下，先成型的第一处理部301起到支撑作用，第一处理部301成型后，目标构件201的基本形状便固定；此外，这样划分第一处理部301和第二处理部501，可以避免单个容置空间402内的原料过多，从而避免容置空间402中的第二处理部501烧结所需的时间过长导致生产效率低下。
在一些实施例中，第一交错体303和第二交错体304均纵向设置。具体来说，参照图3和图4，第一交错体303和第二交错体304均呈平板状(即第一交错体303和第二交错体304相当于立起的板件)，第一交错体303的法线位于一水平面内，第二交错体304的法线亦位于一水平面内(法线未具体示出)。这样设置的好处在于，对于一些形状简单的目标构件201，每一打印层中需要扫描的路径基本相同，有利于降低打印设备控制难度。
参照图3和图4，在一些实施例中，第一交错体303和第二交错体304相互垂直，这样可以降低打印头101的移动路径的复杂度，降低打印设备的控制难度。此外，在第一交错体303和第二交错体304相互垂直的情况下，相邻的第一交错体303之间的距离，与相邻的第二交错体304之间的距离相等，这样可以保证目标构件201(第二处理部501未烧结时)的各向力学性能同性，避免局部应力集中而导致在后续处理过程中发生影响产品质量的形变。需要说明的是，第一交错体303和第二交错体304的交错方式不一定按图3至图5中所示的设置。例如，对于一些圆柱形或圆锥形的目标构件201，第一交错体303可以为圆环形(最外围的圆环则为轮廓体302)，第二交错体304为平板状且沿目标构件201的径向延伸(从俯视角度来看)。
第一交错体303和第二交错体304相当于围合形成容置空间402的侧板，第一交错体303的厚度和第二交错体304的厚度(可对应图5中的d2)可以设置在0.3mm-0.8mm之间(包括0.3mm和0.8mm)。若第一交错体303的厚度和第二交错体304的厚度过小(小于0.3mm)，则第一处理部301的结构强度较低，支撑效果较差，而且厚度过小会难以加工；若第一交错体303和第二交错体304的厚度过大(大于0.8mm)，则第一处理部301的体积较大，激光扫描所需的时间较长，不利于提高目标构件201的生产效率。
此外，相邻的第一交错体303之间的距离，以及相邻的第二交错体304之间的距离(可对应图5中的d1)，均可以设置为0.2mm-2.0mm(包括0.2mm和2.0mm)。在目标构件201的形状大小不变的情况下，若相邻的第一交错体303之间的距离以及相邻的第二交错体304之间的距离过小(小于0.2mm)，则第一交错体303和第二交错体304更密集，激光扫描路径更复杂，不利于降低打印设备的控制难度。在目标构件201的形状大小不变的情况下，若相邻的第一交错体303之间的距离以及相邻的第二交错体304之间的距离过大(大于2.0mm)，则第一交错体303和第二交错体304的数量较少，第一处理部301的结构强度较低，支撑效果较差，此外，此时单个容置空间402内的原料较多，第二处理部501的烧结时间较长，有可能导致热处理过程的时间延长。
第一交错体303的底端和第二交错体304的底端均与轮廓体302的底部连接，且轮廓体302的底部封闭容置空间402的底端，即，轮廓体302除了4个侧板以外，还包括一个底板。通常来说，对于S5步骤，当第一处理部301成型后，需要将目标构件201搬离打印设备并将目标构件201转移至加热炉中；由于轮廓体302的底部封闭容置空间402的底端，移动目标构件201时，将要烧结的原料(对应第二处理部501的原料)不会从容置空间402的底端掉出。对应地，在最初的若干个打印层的打印过程中，打印头101所要扫描的区域并非呈网格状，而是没有网格的完整的平板状。
由于对第一处理部301的加工通常不会将目标构件201的整体上升至非常高的温度，不需要对目标构件201进行淬火等其他热处理步骤，步骤S5中的热处理可以设置为退火处理。退火处理的基本过程为，将目标构件201加热到某一温度(记为保温温度)，并使目标构件201在保温温度保温一段时间，然后使目标构件201以合适的速度冷却。保温温度通常为退火处理过程中目标构件201所达到的最高温度，若将原料受热烧结需要的温度记为烧结温度，则烧结温度应当不小于保温温度，否则与第二处理部501对应的原料无法烧结，与第二处理部501对应的部分无法成型。参照图7，在一些实施例中，原料为某种钛合金粉末，目标构件201的热处理工艺过程为：先将目标构件201在2小时内加热到800℃，随后使目标构件201在800℃保温4小时；保温结束后，使目标构件201在2小时内炉内冷却至500℃，然后利用氩气将目标构件201冷却至室温。对应的，钛合金粉末105的烧结温度应当不小于800℃。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对目标构件的模型进行划分，以形成第一处理部和第二处理部，其中，所述第一处理部具有容置空间，所述第二处理部位于所述容置空间中；沿所述目标构件的堆叠成型方向，将所述目标构件的模型划分出多个打印层；
S2：铺设原料；
S3：利用激光熔化一个所述打印层中与所述第一处理部对应的所述原料；
S4：使所述原料冷却凝固；
S5：重复多次S2至S4，直至所述第一处理部成型完毕，然后对所述目标构件进行热处理，以降低所述目标构件的残余应力，并使与所述第二处理部对应的所述原料在所述热处理过程中烧结。
2.根据权利要求1所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，所述第一处理部包括：
轮廓体，内部具有包围空间；
第一交错体，设置有多个，所述第一交错体与所述轮廓体的内侧连接，所述第一交错体位于所述包围空间内；
第二交错体，设置有多个，所述第二交错体与所述轮廓体的内侧连接，所述第二交错体位于所述包围空间内，所述第二交错体与所述第一交错体交错设置，以将所述包围空间划分并形成多个所述容置空间。
3.根据权利要求2所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，所述第一交错体和所述第二交错体均纵向设置。
4.根据权利要求3所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，所述第一交错体的底端以及所述第二交错体的底端均与所述轮廓体的底部连接，且所述轮廓体的底部封闭所述容置空间的底端。
5.根据权利要求3所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，所述第一交错体和所述第二交错体相互垂直。
6.根据权利要求5所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，多个所述第一交错体等间距设置，多个所述第二交错体等间距设置，相邻的所述第一交错体之间的距离，与相邻的所述第二交错体之间的距离相等。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，所述第一交错体的厚度和所述第二交错体的厚度，均为0.3mm-0.8mm。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，相邻的两个所述第一交错体之间的距离以及相邻的两个所述第二交错体之间的距离，均为0.5mm-2.0mm。
9.根据权利要求1所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，所述S5中的所述热处理为退火处理。
10.根据权利要求9所述的基于SLM的金属构件3D打印方法，其特征在于，所述原料的烧结温度不小于所述热处理的过程中所述目标构件的保温温度。
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