CN114160809A - 一种高功率大层厚选区激光熔化成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率大层厚选区激光熔化成形方法，采用万瓦功率的设备进行激光加工，且单个激光器额定功率不小于1000W；原材料为大粒径粉末，其中D90不小于150um；层厚不小于100um；在3D打印过程采用不小于150um的光斑直径，层厚不小于100um；通过减少3D打印所需时间、使用低成本粉末、减少耗材的使用，可使选区激光熔化制件的成本降低50％‑80％。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种高功率大层厚选区激光熔化成形方法。
背景技术
由于选区激光熔化增材制造技术(High-efficiency selective laser melting，HSLM)可以实现一体化、轻量化、功能化结构的快速制造，已逐步应用于各个行业，如航空航天、军工、医疗、磨具制造等。但由于成本过高，使得很多潜在行业望而却步。除非是难加工材料，如钛合金、高温合金，针对大多数不锈钢、铝合金等材料的产品，增材制造的成本仍然远高于锻造和铸造。根据典型产品的成本统计，选区激光熔化产品的成本主要来自几个方面，具体比例如下：粉末原材料(20％-30％)、增材成形(40％-50％)、热处理(5％-10％)、后处理(15％-20％)、无损检测(5％-10％)。因此，增材成形和粉末原材料的成本之和约占产品总成本的60％-80％，如何降低两者的费用将是降低成本的关键因素。
对于技术的早期阶段，相关设备和材料需要进口，导致成本高昂。近年来，随着国产设备和原材料的逐渐成熟，选区激光熔化的成本也逐步降低，其中250mm*250mm幅面设备的小时费率已由2015年之前的500-600元/小时降低至150-200元/小时；典型的钛合金粉末已由2015年之前的5000-6000元/公斤降至1000-1500元/公斤。随着国产化的深入，选区激光熔化技术的成本控制手段已无法从国产化角度切入，必须探索新的成本控制手段。由前期研究可知，提高打印效率，降低原材料价格将是控制成本的主要手段。通过调研可知，现有技术一般采用400W-500W激光器,总功率不超过2000W。由于激光功率有限，一般层厚为30-50um。而由于层厚的限制，目前使用粉末一般为15um-63um，细粉的粉末应用率一般只有30％左右，因此也导致粉末价格难以下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率大层厚选区激光熔化成形方法，以实现大部分制件成本的降低。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种高功率大层厚选区激光熔化成形方法，使用万瓦功率设备进行激光加工；使用原材料为大粒径粉末：其中D90不小于150um；在3D打印过程采用不小于150um的光斑直径，层厚不小于100um。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明采用高功率选区激光熔化方法，层厚不小于100um，可使打印层数减少50％以上，一方面减少打印时间，提高效率，降低增材成形的费用；另一方面减少气体、滤芯、刮刀的消耗，进一步降低耗材成本；
(2)使用15um-150um大粒径粉末，可使粉末使用率由20％-30％提升至70％-80％，降低原材料的成本。
附图说明
图1为本发明一种高功率选区激光熔化方法原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明的一种低成本高功率选区激光熔化方法，采用的激光设备的每个激光器的额定功率不低于1000W，激光器1的数量不少于8个，总功率达到万瓦级；设备成形幅面不小于400mm*600mm，所有的激光器1采取两排的阵列式结构排布；使用粉末(2)的主要粒径分布为15um-150um，其中D10为15um-40um，D50为95um-120um，D90不小于150um。所用粉末2的振实密度不低于材料实体密度的60％，松装材料实体密度不低于40％；工艺要求为，打印铝合金的单个激光器1的输出功率不低于800W，打印钛合金的单个激光器1的输出功率不低于700W，打印钢及高温合金的单个激光器1的输出功率不低于500W，打印所有材料的层厚3不低于100um；制件需要在24小时内进行热处理，热处理后采用线切割的方法进行基板分离；制件采用多道喷砂，第一道为100-160#的棕刚玉，第二道为40-100#的白刚玉。非加工面粗糙度的要求为Ra25。
本发明的高功率选区激光熔化方法的工作原理为，利用本发明中单个激光器1不小于1000W的高功率熔化粒径分布为15um-150um的大粒径粉末2，将激光器1的光斑直径调整至150um以上，降低能量密度，以防止飞溅过大。通过在大粒径粉末中加入中粒径和粒径粉末，保证粉末2的振实密度。打印过程，层高约为D50的尺寸，保证粉末的有效铺展。
本发明提出采用万瓦功率激光加工的方法，通过功率级别的提升实现效率的跃升。同时，改变粉末粒径和光斑直径，实现大层厚的成形。结合实际应用需求，大部分选区激光熔化制件的尺寸误差要求为0.2mm，非装配面粗糙度Ra25甚至Ra50就可以满足使用要求，装配面尺寸精度仍然可以通过机加满足。因此，可通过本发明所述高功率选区激光熔化方法实现大部分制件成本的50％-80％降低。
Claims (10)
1.一种高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，使用万瓦功率设备进行激光加工，且每个激光器的额定功率不低于1000W；使用原材料为大粒径粉末：其中D90不小于150um；在3D打印过程采用不小于150um的光斑直径，层厚不小于100um。
2.根据权利要求1所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，激光器的数量不少于8个；设备成形幅面不小于400mm*600mm，所有的激光器采取两排的阵列式结构排布。
3.根据权利要求1所述的低成本高功率选区激光熔化方法，其特征在于，使用的粉末的主要粒径分布为15um-150um，其中D10为15um-40um，D50为95um-120um，D90不小于150um。
4.根据权利要求1所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，使用的粉末的振实密度不低于材料实体密度的60％，松装材料实体密度不低于40％。
5.根据权利要求1所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，打印铝合金的单个激光器的输出功率不低于800W。
6.根据权利要求1所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，打印钛合金的单个激光器的输出功率不低于700W。
7.根据权利要求1所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，打印钢及高温合金的单个激光器的输出功率不低于500W。
8.根据权利要求1所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，制件需要在24小时内进行热处理。
9.根据权利要求8所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，制件热处理后采用线切割的方法进行基板分离。
10.根据权利要求1所述的高功率大层厚选区激光熔化成形方法，其特征在于，制件采用多道喷砂，第一道为100-160#的棕刚玉，第二道为40-100#的白刚玉；非加工面粗糙度的要求为Ra25。
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