CN113878089A - 一种选区激光烧结砂型及其扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选区激光烧结砂型及其扫描方法，属于砂型的制备领域。所述方法包括：将待打印砂型的三维模型分为位于内部的第一扫描区域和位于外表层的第二扫描区域；然后在打印平台铺设预定厚度选区激光烧结砂型的粉末；对于所述第一扫描区域，通过SLS设备中在高强度激光能量密度下扫描，形成基体内层间强固化结构；对于第二扫描区域，在第一扫描区域外表面设置搭接宽度，采用SLS设备低能量密度扫描路径，形成表皮壳层区；分别对所述第一扫描区域和第二扫描区域的砂型打印。本发明通过采用高强度激光，形成基体内层间强固化结构，降低各向异性，保证砂型的初始强度，然后通过低强度激光，形成表皮壳层，保证了砂型的表面质量。
Description
技术领域
本发明属于砂型的制备领域，尤其是一种选区激光烧结砂型及其扫描方法。
背景技术
砂型初始强度低会带来一系列问题，如在制造复杂、薄壁、高集成度的产品时，打印完成的砂型初坯对清粉、搬运等后处理过程中的受力抵抗能力不足，容易发生断裂、塌陷破损等。因此，提高砂型初坯的强度具有重要的意义。
现有厂家的选区激光烧结设备均采用层面均匀扫描方法，如图1，即采用低能量密度的层面均匀扫描方法，生产得到的砂型初坯强度偏低。如果采用高能量密度的层面均匀扫描策略，则砂型初坯强度提高，但带来了砂型表面粘粉的问题，致使砂型表面粗糙不合格。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种选区激光烧结砂型及其扫描方法，以解决背景技术所涉及的问题。
本发明提供一种选区激光烧结砂型的扫描方法，所述方法包括：
采用计算机将待打印砂型的三维模型分为位于砂型内部的第一扫描区域和位于砂型外表层的第二扫描区域；
然后在打印平台铺设预定厚度的选区激光烧结砂型的粉末；
对于所述第一扫描区域，通过SLS设备中在高强度激光能量密度下扫描，形成基体内层间强固化结构；
对于第二扫描区域，在第一扫描区域外表面设置搭接宽度，采用SLS设备低能量密度扫描路径，形成表皮壳层区；
分别对所述第一扫描区域和第二扫描区域的砂型打印，重复上述方法，直至完成砂型产品的3D打印。
优选地或可选地，所述第一扫描区域包括：呈网状或带状分布的强化区，和位于所述强化区网状或带状结构之间、形成砂型主体部分的基体区。
优选地或可选地，所述高强度激光的扫描参数为：激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s。
优选地或可选地，所述强化区的扫描间距△S设定为0.15mm；基体区的扫描间距设定为△S为0.22mm。
优选地或可选地，所述预定厚度为0.2-0.3mm。
优选地或可选地，所述搭接宽度为3-8mm。
优选地或可选地，所述选区激光烧结砂型的粉末以120～140目的近球形覆膜砂粉末作为原料，添加为原砂重量的2.2～2.3%的酚醛树脂，树脂重量的12～13%的乌洛托品。
优选地或可选地，所述方法还包括：通过调整面层的高强度激光扫描角度来调控点阵类型，实现带状区域的打印。
本发明还提供一种基于上述的选区激光烧结砂型的扫描方法所得到的砂型初坯。
本发明涉及一种选区激光烧结砂型及其扫描方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：
1、本发明通过采用高强度激光，形成基体内层间强固化结构，降低各向异性，保证砂型的初始强度，然后通过低强度激光，形成表皮壳层，保证了砂型的表面质量。
2、本发明将待打印的砂型设计为具有一定规律性的带状或网状分布结构，其试样横向和竖向的面层均体现了不同强度带宽的规律性搭接，且层间、层内显示出了较高固化程度带宽的连续性分布，从而实现通过带状或网状规律性搭接来增强砂型初始强度，即能够提高SLS砂型初始强度的方法，又保证砂型表面质量。
3、本发明的强化区在激激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s及扫描间距0.15 mm时，初坯的抗拉强度和垂向、侧向抗弯强度等综合性能最佳。
4、本发明的基体区通过提高扫描间距设定为△S，一方面提高了砂型的加工速率，另外可以弱化激光能量的输入，保证总激光能量不会引起砂型的显著变形和层间树脂碳化失效。
5、本发明中的铺粉厚度为0.2-0.3mm，一方面能够保证单层打印的表面粗糙度，另一方面能够保证打印效率。
6、本发明中表皮壳层的搭接宽度为3-8mm，既能够避免砂型表面轮廓粘砂，保证砂型初始强度。
7、本发明采用120～140目的近球形覆膜砂粉末作为原料能够保证打印质量，提高砂型的表面质量。
8、本发明调整面层间的激光扫描角度来调控点阵类型，实现带状区域的打印，能够方便、准确的调整激光的能量输入。
综上，在保证砂型表面质量的前提下，本发明的砂型初始强度值提高量≥50%，能生产出复杂薄壁结构的砂型，并可提高SLS砂型的后处理效率。
附图说明
图1是现有技术的选区激光烧结扫描路径图。
图2是本发明的选区激光烧结扫描方法路径图，其中，1为某层的激光扫描方向，2为相邻层的扫描方向。
图3是本发明的第一扫描区域的结构示意图。
图4是本发明的砂型的结构示意图。
图5是本发明实施例1中的砂型的切片示意图。
图6是现有技术的砂型实物图。
图7是本发明实施例1中的砂型实物图。
图8是本发明实施例1中的砂型切面图。
图9是本发明实施例2中的砂型实物图。
图10是本发明实施例1和对比例在相同工艺参数下的抗拉强度分布图。
附图标记为：强化区1、基体区2、表皮壳层区3。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明提供一种选区激光烧结砂型的扫描方法，所述方法包括：采用计算机将待打印砂型的三维模型分为位于砂型内部的第一扫描区域和位于砂型外表层的第二扫描区域；然后在打印平台铺设着一层预定厚度的选区激光烧结砂型的粉末；对于所述第一扫描区域，通过SLS设备中在高强度激光能量密度下扫描，形成基体内层间强固化结构；对于第二扫描区域，在第一扫描区域外表面设置搭接宽度，采用SLS设备低能量密度扫描路径，形成表皮壳层区3；分别对所述第一扫描区域和第二扫描区域的砂型打印，重复上述方法，直至完成砂型产品的3D打印。由于位于内部的第一扫描区域通过采用高强度激光，形成基体内层间强固化结构，能够降低各向异性，保证砂型的初始强度，然后通过低强度激光，形成砂型外部的表皮壳层区3，保证了砂型的表面质量。
在进一步实施例中，所述第一扫描区域包括：呈网状或带状分布的强化区1，和位于所述强化区1网状或带状结构之间、形成砂型主体部分的基体区2。也就是将待打印的砂型设计为具有一定规律性的带状或网状分布结构，通过带状或网状规律性搭接来增强砂型初始强度。经检测，其试样的横向和竖向的面层均体现了不同强度带宽的规律性搭接，且层间、层内显示出了较高固化程度带宽的连续性分布，即能够提高SLS砂型初始强度的方法，又保证砂型表面质量。
在进一步实施例中，所述高强度激光的扫描参数为：激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s。所述强化区1的扫描间距△S设定为0.15mm；基体区2的扫描间距设定为△S为0.22mm。经过正交实验，在激激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s及扫描间距0.15 mm时，初坯的抗拉强度和垂向、侧向抗弯强度等综合性能最佳。
在进一步实施例中，所述覆膜砂单层厚度为0.2-0.3mm，单层厚度主要由原材料粒度、铸件表面质量、激光强度等决定，如果单层厚度大于0.3mm，产品容易产生台阶，表面粗糙度增加；小于0.2mm,铺粉质量不好（铺不平整），同时打印效率太低。
在进一步实施例中，所述搭接宽度为3-8mm。所述搭接宽度也就是表皮壳层区3的厚度，主要根据砂型实际尺寸大小等设置，为避免砂型表面轮廓粘砂，一般要＞3mm，同时为保证砂型初始强度，又不能太宽，约≤8mm。
在进一步实施例中，所述选区激光烧结砂型的粉末以120～140目的近球形覆膜砂粉末作为原料，添加为原砂重量的2.2～2.3%的酚醛树脂，树脂重量的12～13%的乌洛托品。
在进一步实施例中，所述方法还包括：通过调整面层的高强度激光扫描角度来调控点阵类型，实现带状区域的打印。能够方便、准确的调整激光的能量输入，保证总激光能量不引起产品显著变形和层间树脂碳化失效。
本发明还提供一种基于上述的选区激光烧结砂型的扫描方法所得到的砂型初坯。上述新型扫描方法已成功应用到几十种砂型的打印生产中，实现了设备自带均匀扫描方法难已制作的产品，如薄壁中空管道砂型等。
下面结合实施例，对本发明作进一步说明，所述的实施例的示例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种选区激光烧结砂型的扫描方法，包括：
目标砂型为8字试块；然后将8字试块用UG软件划分为3部分，分别为强化区、基体区、表皮壳层区。
以选区激光烧结砂型的粉末材料为覆膜砂，酚醛树脂添加量为原砂重的2.2%-2.3%，乌洛托品加入量为树脂重的12%-13%。为保证铺粉效果和表面质量，材料的目数为100-200目。具体操作中，将待打印体的三维模型分为三部分进行激光路径规划，再在打印平台中对正摆放，使其实现在立体空间的套叠。
第一部分为强化区，设置激光扫描参数，其中，激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s，扫描间距△S为0.15mm；用于实现高强度的带状区域，另外，覆膜砂层厚设置为0.22mm，通过调整扫描角度，调整面层间的激光扫描角度可调控点阵类型，控制激光的能量密度。
第二部分为基体区，由于强化区的参数设置已确定，其中的设备参数激光功率、扫描速度及层厚设置已不适合改变，可改变的参数扫描间距，将扫描间距△S设定为0.22mm，弱化激光能量输入，保证总激光能量不引起产品显著变形和层间树脂碳化失效。
第三部分为表皮壳层区，采用0.20mm的扫描间距，采用设备自带的常规激光低能量密度扫描路径，实现对表皮壳层的打印，用于预防产品表面轮廓的粘粉倾向。
通过上述方法实现砂型的单层打印，然后重复上述方法直至完成砂型产品的3D打印，参阅附图2，1为某层的激光扫描方向，2为相邻层的扫描方向。相邻的两层之间的强化区相互交错，通过切片软件中扫描角度、扫描间距的设置来实现立体网状结构，参阅附图7，如果每层的激光扫描方向相同，则为立体带状结构，参阅附图8。
实施例2
该实施例与实施例1相比，参阅附图8，不同之处在于：所述强化区单层平面即为网状分布，多层强化区相互叠加。
具体地，第一部分为强化区，设置激光扫描参数，其中，激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s，扫描间距△S为0.15mm；用于实现高强度的网状区域，另外，覆膜砂层厚设置为0.22mm，通过调整扫描角度，调整面层间的激光扫描角度可调控点阵类型，控制激光的能量密度。
其它步骤和参数同实施例1，不再赘述。
实施例3
该实施例与实施例1的相比，区别在于：铺粉厚度的不同。
具体地，第一部分为强化区，设置激光扫描参数，其中，激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s，扫描间距△S为0.15mm；用于实现高强度的带状区域，另外，覆膜砂层厚设置为0.30m，通过调整扫描角度，调整面层间的激光扫描角度可调控点阵类型，控制激光的能量密度。
其它步骤和参数同实施例1，不再赘述。
对比例
参阅附图6，目标砂型为8字试块；用UG软件画出8字试块，并作为一个整体进行打印，8字试块按一定的层厚进行切片，通常厚度为0.2mm，原材料也是覆膜砂，进行激光路径规划，采用均匀扫描策略，参阅附图1，设置激光扫描参数，其中，激光功率P为30-50W，扫描速度V为2-3m/s，扫描间距△S为0.2mm，实现对8字试块整体打印，打印出的产品整体呈现出均匀一致的特点，无带状或网状结构。
检测例
对实施例1和对比例所得到的8字试块进行力学性能测试，如附图10所示，为实施例1和对比例在相同工艺参数下的抗拉强度分布图。
通过两种8字试块的大量实验验证，初坯抗拉强度平均值由0.28MPa提高到约0.48Mpa，初坯强度显著提高≥50%，并成功应用复杂薄壁产品的生产中，取得了很好的效果。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (9)
1.一种选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述方法包括：
采用计算机将待打印砂型的三维模型分为位于砂型内部的第一扫描区域和位于砂型外表层的第二扫描区域；
然后在打印平台铺设预定厚度的选区激光烧结砂型的粉末；
对于所述第一扫描区域，通过SLS设备中在高强度激光能量密度下扫描，形成基体内层间强固化结构；
对于第二扫描区域，在第一扫描区域外表面设置搭接宽度，采用SLS设备低能量密度扫描路径，形成表皮壳层区；
分别对所述第一扫描区域和第二扫描区域的砂型打印，重复上述方法，直至完成砂型产品的3D打印。
2.根据权利要求1所述的选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述第一扫描区域包括：呈网状或带状分布的强化区，和位于所述强化区网状或带状结构之间、形成砂型主体部分的基体区。
3.根据权利要求2所述的选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述高强度激光的扫描参数为：激光功率P为65W，扫描速度V为2.5m/s。
4.根据权利要求3所述的选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述强化区的扫描间距△S设定为0.15mm；基体区的扫描间距设定为△S为0.22mm。
5.根据权利要求1所述的选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述预定厚度为0.2-0.3mm。
6.根据权利要求1所述的选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述搭接宽度为3-8mm。
7.根据权利要求1所述的选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述选区激光烧结砂型的粉末以120～140目的近球形覆膜砂粉末作为原料，添加为原砂重量的2.2～2.3%的酚醛树脂，树脂重量的12～13%的乌洛托品。
8.根据权利要求1所述的选区激光烧结砂型的扫描方法，其特征在于，所述方法还包括：通过调整面层的高强度激光扫描角度来调控点阵类型，实现带状区域的打印。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述的选区激光烧结砂型的扫描方法所得到的砂型初坯。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
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Address after: 213000, No. 258, Wuyi Road, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee after: CRRC Qishuyan Locomotive and Rolling Stock Technology Research Institute Co.,Ltd. Address before: 213000, No. 258, Wuyi Road, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee before: CRRC QISHUYAN INSTITUTE Co.,Ltd. |