CN115007877B - 一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法 - Google Patents

一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法，该方法实现了同层异质材料的选区激光熔化，满足了多材料快速成形制造的需求；对于不同结构由不同材料组成或同一结构由不同材料组成的模型均可实现；在铺粉时利用掩膜来隔绝不同粉末，清除回收不同种类粉末时使用不同个吸粉装置，基本无粉末泄露，最大程度地避免了粉末混合污染，粉末回收利用率高，减少了粉末的浪费；成形过程中异质粉末分别熔化，成形精度有保证。

Description

一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造 方法
技术领域
本发明涉及3D快速成型领域，具体涉及一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法。
背景技术
选区激光熔化(SLM)是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。SLM技术克服了传统技术制造具有复杂形状的金属零件带来的困扰。它能直接成型出近乎全致密且力学性能良好的金属零件。
工程应用中，很多零件不同部位力学性能要求不一，需要应用梯度功能材料，即一个零件的不同部位使用不同材料，这用一般的方法是难以实现的；通常的SLM使用同种材料也无法满足要求。解决方案之一就是多材料的快速成型制造。这种工艺打印出的产品，无需再组装；能制造出其它方案不能做出的新混合材料和新元件，更加适应新的设计规则。
现有的同层异质材料选区激光熔化方法中，有使用吸附罩回收粉末的，有使用定量供粉+柔性清理回收粉末的，有结合粉末床铺展+逐点选择性除粉+逐点干粉输送的。前两种方法会将当层所有铺的粉末都收回，需要大量的粉末进行填充；第三种方法在逐点干粉输送的区域容易产生气孔等缺陷。所以需要一种新的同层异质材料选区激光熔化方法来满足实际的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法。
本发明的技术方案如下：
一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法，包括如下步骤：
(1)对有A、B两种材料构成的零件模型进行数字化分层，将每层中使用A粉末成形的区域称为A区域，使用B粉末成形的区域称为B区域，对A区域、B区域和区域结合部分别进行路径规划；
(2)在设备的成形区底部放置基板，使用铺粉装置铺一层A粉末，并根据规划好的路径对A区域进行重熔扫描；
在该步中，仅对A区域进行选区激光熔化，B区域中的A粉末保持原样；
(3)在扫描后的A粉层上方覆盖一层掩膜；
所述掩膜的材料是受热后易气化，灰分很少的有机物，其厚度无限接近于零；
(4)对B区域进行激光扫描，使该区域掩膜气化分解；
在该步中，激光功率密度需要降低，使激光扫描区域的掩膜气化分解，而掩膜下的粉末不受影响；
(5)使用吸粉装置吸走B区域中的A粉末；
在该步中，若B区域位于A区域的四周而不是中间时，要控制吸粉装置的功率，尽可能少地吸入掩膜下的粉末，减少熔化区域外两种粉末的混合污染；
(6)使用铺粉装置铺一层B粉末，此时B粉末会填充满B区域；
(7)对B区域进行激光扫描成形；
(8)使用吸粉装置吸走掩膜上残留的B粉末；
(9)回收掩膜；
(10)设备成形区底部的基板下降一个层厚的高度，循环步骤(2)至步骤(9)，直到成型件加工完成。
本发明中，
使用的铺粉装置上设置有多个铺粉槽，避免粉末在铺粉槽中混合污染；
在清除回收不同种类粉末时，应使用不同的吸粉装置，避免两种粉末的混合污染，便于回收利用。
本发明的有益效果是：
实现了同层异质材料的选区激光熔化，满足了多材料快速成形制造的需求；对于不同结构由不同材料组成或同一结构由不同材料组成的模型均可实现。在铺粉时利用掩膜来隔绝不同粉末，清除回收不同种类粉末时使用不同个吸粉装置，基本无粉末泄露，最大程度地避免了粉末混合污染，粉末回收利用率高，减少了粉末的浪费。成形过程中异质粉末分别熔化，成形精度有保证。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图。
图2为本发明的过程演示图。
图3为实施例1的模型示意图。
图4为实施例1的分层示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明保护范围并不仅限于此。
实施例1
如图3-4所示，一种使用掩膜实现同层两种材料选区激光熔化的增材制造方法，其具体加工过程如下：
步骤S1：将模型的制造分层信息输入计算机中。
步骤S2：刮板和两个铺粉槽沿导轨移动，打开316L铺粉槽的出口开始铺粉，将粒径为15-53μm的球形316L粉末平铺在支撑板上，层厚为50μm。
步骤S3：将该层中使用316L粉末成形的区域称为A区域，使用Cu粉末成形的区域称为B区域。激光按照零件的截面轮廓信息开始扫描，激光功率为235W，扫描速度为750mm/s，将A区域的粉末熔化，形成316L的单层截面。
步骤S4：扫描结束后，在该层上方使用铺膜装置铺一层掩膜(掩膜由植物纤维构成，长度为30cm，宽度为30cm，厚度为0.1mm)，使用激光功率为25W，扫描速度为1000mm/s对B区域进行扫描，使该区域的掩膜气化分解，掩膜下的316L粉末因未达到熔点而不受影响。
步骤S5：将吸粉装置移动到B区域上方，吸走B区域中的316L粉末，回收到相应的回收舱中。若B区域位于A区域的四周而不是中间时，要控制吸粉装置的功率，尽可能少地吸入掩膜下的粉末，减少熔化区域外两种粉末的混合污染。
步骤S6：刮板和两个铺粉槽沿导轨移动，根据需要打开Cu铺粉槽的出口开始铺粉，将Cu粉末填充满B区域，掩膜上残留有少量Cu粉末。
步骤S7：激光按照零件的截面轮廓信息开始扫描，激光功率为350W，扫描速度为1000mm/s，将B区域的Cu粉末熔化，形成Cu的单层截面。此时单层截面加工完成。
步骤S8：将吸粉装置移动到掩膜上方，吸走掩膜上残留的Cu粉末，回收到相应的回收舱中。通过回收装置回收掩膜。
步骤S9：判断成型件是否已完成，若已完成，取出成型件，否则支撑板下降一个层厚的高度，继续重复进行上述步骤S2～S9直到成型件加工完成。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对有A、B两种材料构成的零件模型进行数字化分层，将每层中使用A粉末成形的区域称为A区域，使用B粉末成形的区域称为B区域，对A区域、B区域和区域结合部分别进行路径规划；
(2)在设备的成形区底部放置基板，使用铺粉装置铺一层A粉末，并根据规划好的路径对A区域进行重熔扫描；
(3)在扫描后的A粉层上方覆盖一层掩膜；
(4)对B区域进行激光扫描，使该区域掩膜气化分解；
(5)使用吸粉装置吸走B区域中的A粉末；
(6)使用铺粉装置铺一层B粉末，此时B粉末会填充满B区域；
(7)对B区域进行激光扫描成形；
(8)使用吸粉装置吸走掩膜上残留的B粉末；
(9)回收掩膜；
(10)设备成形区底部的基板下降一个层厚的高度，循环步骤(2)至步骤(9)，直到成型件加工完成。
2.如权利要求1所述的使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法，其特征在于，使用的铺粉装置上设置有多个铺粉槽，避免粉末在铺粉槽中混合污染。
3.如权利要求1所述的使用掩膜实现同层异质材料选区激光熔化的增材制造方法，其特征在于，在清除回收不同种类粉末时，应使用不同的吸粉装置，避免两种粉末的混合污染，便于回收利用。
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