CN115090898A - 金属零部件增材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属零部件增材制造方法及装置，所述金属零部件增材制造方法包括S10：在三维软件中绘制目标成型件模型，对所述目标成型件模型进行分层得到层片数据文件，所述层片数据文件包括多个层片信息x1，x2，x3，……，xn；S20：将所述层片信息x1传输至下料设备；S30：所述下料设备向成型缸内填充金属粉末，并压实以形成成型粉末层；S40：采用感应线圈和/或激光扫描对所述成型粉末层加热，并对所述实体进行重熔处理；S50：在固化的实体顶部重复所述S20‑S40步骤，固化后的所有实体组成目标成型件。本发明提供的金属零部件增材制造方法及装置消除实体内的孔隙、裂纹等缺陷，进一步改善致密性和组织均匀度。

Description

金属零部件增材制造方法及装置

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种金属零部件增材制造方法及装置。

背景技术

增材制造俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，逐层堆积制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

现有增材制造技术成型过程中会诱发不充分熔合、大颗粒夹杂等内部冶金缺陷，并且由于成型过程中应力，极易产生孔隙、裂纹等缺陷。

发明内容

本发明实施例提供一种金属零部件增材制造方法及装置，旨在提高金属零部件的成型质量。

第一方面，本发明实施例提供一种金属零部件增材制造方法，包括如下步骤：

S10：在三维软件中绘制目标成型件模型，对所述目标成型件模型进行分层得到层片数据文件，所述层片数据文件包括多个层片信息x1，x2，x3，……，xn；

S20：将所述层片信息x1传输至下料设备；

S30：所述下料设备向成型缸内填充金属粉末，并压实以形成成型粉末层，所述成型粉末层的厚度与所述层片信息x1的厚度相等；

S40：采用感应线圈和/或激光扫描对所述成型粉末层加热，完成所述层片信息x1转化为实体，并对所述实体进行重熔处理；

S50：在固化的实体顶部重复所述S20-S40步骤，直至所述层片信息x2，x3，……，xn全部转化为实体，固化后的所有实体组成目标成型件。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比将目标成型件分为多层，且每层根据计算机中的分层信息进行下料，下料的金属粉末质量更加精准，防止料多或料少引发的质量缺陷；对每层成型粉末层进行成型的过程中，可采用激光对成型粉末层进行加热，可采用感应线圈对成型粉末层进行加热，也可采用激光和感应线圈结合的方式对成型粉末层进行加热，具体可根据金属粉末的种类或层片信息的形状来选择，根据层片信息的多样性，选择不同的加热方式，激光加热具有精度高、可成型复杂精密结构的效果，感应线圈具有加热速度快、方便调控的技术效果，将两种加热方式结合，整合其技术效果，实现优势互补，提高目标成型件的制造效率；固化后形成的实体再次进行重熔处理，消除实体内的孔隙、裂纹等缺陷，进一步改善致密性和组织均匀度。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述S50步骤之后还包括：

S60：对所述目标成型件进行后处理，所述后处理包括喷砂、高压气处理、去支撑、乙醇清洗、热处理中的一种或多种。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述目标成型件的材料为中、低熔点材料时，采用感应线圈进行加热；所述目标成型件的材料为高熔点材料时，采用激光扫描加热方式进行加热。

结合第一方面，在一种可能的实现方式中，多个层片信息x1，x2，x3，……，xn分别包括第一类和第二类，所述第一类的外形尺寸大于预设值，所述第二类的外形尺寸小于预设值，所述第一类采用感应线圈进行加热，所述第二类采用激光扫描进行加热。

一些实施例中，所述S40步骤包括：

S41：对所述成型粉末层预热；

S42：选取成型粉末层中多个预设点位，采用感应线圈和/或激光扫描对所述预设点位进行加热，加热至预设温度后停止加热；

S43：待所述成型粉末层固化后形成实体，采用感应线圈和/或激光扫描对所述实体再次加热实现重熔。

第二方面，本发明实施例还提供了一种金属零部件增材制造装置，用于实施上述金属零部件增材制造方法，包括：

主体，包括成型缸和储粉缸，所述储粉缸用于与计算机通讯连接并向所述成型缸内补充金属粉末；

压料组件，具有位于所述成型缸上方的压料辊，所述压料辊用于滚动铺平并压实成型缸内的金属粉末；以及

加热组件，包括设于所述成型缸上方的激光器、设于所述成型缸顶部的感应线圈，以及用于带动感应线圈沿预设路径移动的位移机构。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述加热组件还包括设于所述激光器一侧的扫描振镜，所述扫描振镜具有可相互反射光线的接收端和反射端，所述接收端用于接收所述激光器发出的光线，所述反射端用于朝向所述成型缸反射光线。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述主体上具有第一沉槽和第二沉槽，所述第二沉槽位于所述第一沉槽的一侧；

所述主体还包括滑动设于所述第一沉槽内的第一底板、滑动设于所述第二沉槽内的第二底板，以及分别设于所述第一底板和所述第二底板底部的升降机构；

所述第一底板和所述第一沉槽的侧壁围合形成成型缸，所述第二底板和所述第二沉槽的侧壁围合形成所述储粉缸。

一些实施例中，所述主体上还设有废料缸，所述废料缸与所述储粉缸分别位于所述成型缸的相对两侧；

所述压料辊用于在所述储粉缸和所述废料缸之间往复移动。

结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述金属零部件增材制造装置还包括与所述感应线圈连通的冷却系统。

附图说明

图1为本发明实施例提供的金属零部件增材制造方法的工艺流程示意图；

图2为本发明实施例提供的金属零部件增材制造装置的主视结构示意图；

图3为本发明实施例采用的成型粉末层的外形示例图。

附图标记说明：

10-主体；11-成型缸；12-储粉缸；13-第一底板；14-第二底板；15-废料缸；

20-压料辊；

30-加热组件；31-激光器；32-感应线圈；33-位移机构；34-扫描振镜；

40-升降机构；

50-冷却系统；

60-变频电源。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1，现对本发明提供的金属零部件增材制造方法进行说明。所述金属零部件增材制造方法，包括如下步骤：

S10：在三维软件中绘制目标成型件模型，对目标成型件模型进行分层得到层片数据文件，层片数据文件包括多个层片信息x1，x2，x3，……，xn；

S20：将层片信息x1传输至下料设备；

S30：下料设备向成型缸11内填充金属粉末，并压实以形成成型粉末层，成型粉末层的厚度与层片信息x1的厚度相等；

S40：采用感应线圈32和/或激光扫描对成型粉末层加热，完成层片信息x1转化为实体，并对实体进行重熔处理；

S50：在固化的实体顶部重复S20-S40步骤，直至层片信息x2，x3，……，xn全部转化为实体，固化后的所有实体组成目标成型件。

需要说明的是，对目标成型件模型的分层操作采用分层软件进行操作，分层软件可以采用Cura,Simplify3D,Magics等软件进行操作，S10步骤在计算机中通过软件操作完成；下料过程可采用通过在计算机上计算出的每个层片信息所需的金属粉末重量进行人工控制下料，或者计算机和下料设备通讯连接，计算机中的层片信息通过计算机转换为能被下料设备所识别的驱动信号文件，下料设备根据驱动信号文件直接下料，避免了人工控制误差。

本实施例提供的金属零部件增材制造方法，与现有技术相比，将目标成型件分为多层，且每层根据计算机中的分层信息进行下料，下料的金属粉末质量更加精准，防止料多或料少引发的质量缺陷；对每层成型粉末层进行成型的过程中，可采用激光对成型粉末层进行加热，可采用感应线圈32对成型粉末层进行加热，也可采用激光和感应线圈32结合的方式对成型粉末层进行加热，具体可根据金属粉末的种类或层片信息的形状来选择，根据层片信息的多样性，选择不同的加热方式，激光加热具有精度高、可成型复杂精密结构的效果，感应线圈32具有加热速度快、方便调控的技术效果，将两种加热方式结合，整合其技术效果，实现优势互补，提高目标成型件的制造效率；固化后形成的实体再次进行重熔处理，消除实体内的孔隙、裂纹等缺陷，进一步改善致密性和组织均匀度。

在一些实施例中，上述金属零部件增材制造方法的一种改进实施方式如下。S50步骤之后还包括：

S60：对目标成型件进行后处理，后处理包括喷砂、高压气处理、去支撑、乙醇清洗、热处理中的一种或多种。

通过对目标成型件进行后处理，可以提高目标成型件的表面质量，并且使其更加美观，后处理的多种形式可根据需求自由组合。

在一些实施例中，上述步骤S40的一种具体实施方式可以采用如下步骤。目标成型件的材料为中、低熔点材料时，采用感应线圈32进行加热；目标成型件的材料为高熔点材料时，采用激光扫描加热的方式进行加热。通过目标成型件的材料进行加热方式的选取，当材料为中、低熔点材质时，采用感应线圈32可以快速加热，降低成本；当材料为高熔点材质时，可采用激光扫描加热，防止使用感应线圈32加热时间过长，提高成型速率。

在一些实施例中，上述步骤S40的一种具体实施方式可以采用如下步骤。多个层片信息x1，x2，x3，……，xn分别包括第一类和第二类，第一类的外形尺寸大于预设值，第二类的外形尺寸小于预设值，第一类采用感应线圈32进行加热，第二类采用激光扫描进行加热。即通过外形的特征选取加热的方式，参见图3，该目标成型件分为A部的轮廓较大，形状较简单的部分，以及B部轮廓较小，形状较复杂的部分。则A部采用感应线圈32的方式进行加热；B部则采用激光扫描的方式进行加热。通过感应线圈32和激光扫描结合的方式，实现对一个成型粉末层采用不同的加热方式，利用了感应线圈32加热和激光扫描加热各自的优势，使得目标成型件中每个成型粉末层都具有较优的成型质量，进而保证最终目标成型件的成型质量。

作为一种变形实施方式，当成型粉末层的整体结构均比较单一，且尺寸较大，可仅采用感应线圈32的方式进行加热；同理，当成型粉末层的整体结构均比较复杂，且尺寸较小，可仅采用激光扫描的方式进行加热。

在一些实施例中，上述步骤S40的一种具体实施方式可以采用如下步骤。S40步骤包括：

S41：对成型粉末层预热；

S42：选取成型粉末层中多个预设点位，采用感应线圈32和/或激光扫描对预设点位进行加热，加热至预设温度后停止加热；

S43：待成型粉末层固化后形成实体，采用感应线圈32和/或激光扫描对实体再次加热实现重熔。

需要说明的是，预设点位并不是指定一个点，而是代表了一片区域，多个预设点位之间可以是相同间隔，也可以是不同间隔。由于仅进行了局部加热，加热部分的金属粉末熔化后凝固形成目标成型件的一个层面，没有加热的地方仍保留粉末状态，并作为下一层熔化的支撑部分，下一层实体成型后会与底部的一层实体成型的部分实现粘接。

作为举例，例如层片信息x1的形状为矩形，面积为s1，厚度为y1，根据其采用的材料，通过质量＝密度*体积的公式计算得出需要下料的金属粉末质量，通过下料设备进行下料，下料后压实的成型粉末层厚度为y1，选取成型粉末层上的多个间隔区域(即预设点位)，通过感应线圈32或激光扫描对预设点位进行加热，加热后凝固得到固化后的实体。

成型材料在高温度的梯度驱使下容易形成极高的残余应力，控制不当会造成零件变形甚至开裂，本实施例在加热前对成型粉末层进行了预热，防止形成的实体开裂，保证成型质量；通过对成型粉末层的局部进行加热，不需要整体上加热成型粉末层，可以选择性的精确、局部加热成型粉末层，降低电能的消耗，成型后的实体也减少了变形的概率；重熔操作的时候采用和加热时同样的方式，即加热时采用的感应线圈32加热，则重熔的时候也采用感应线圈32加热，可有效去除实体内的孔隙、裂纹。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种金属零部件增材制造装置，用于实施上述金属零部件增材制造方法，包括主体10、压料组件以及加热组件30，主体10包括成型缸11和储粉缸12，储粉缸12用于与计算机通讯连接并向成型缸11内补充金属粉末；压料组件具有位于成型缸11上方的压料辊20，压料辊20用于滚动铺平并压实成型缸11内的金属粉末；加热组件30包括设于成型缸11上方的激光器31、设于成型缸11顶部的感应线圈32，以及用于带动感应线圈32沿预设路径移动的位移机构33。

本实施例提供的金属零部件增材制造装置，在具体使用时，可将金属零部件增材制造装置放入试验腔内，并与计算机进行连接，计算机中完成三维模型的绘制以及分层后，层片信息在计算机中转换为驱动信号，驱动信号传输至储粉缸12，传输完毕后，将试验腔的腔门密封，抽真空后通入惰性保护气体，直至试验腔内的气氛满足成型要求。储粉缸12向成型缸11内补充定量的金属粉末，通过压料组件上的压料辊20在成型缸11的顶部来回滚动，实现对成型缸11内金属粉末的铺平和压实，形成成型粉末层，然后通过加热组件30上的激光器31和/或感应线圈32对成型粉末层进行预热，当采用激光器31时，采用激光扫描的方式加热成型粉末层；当采用感应线圈32时，感应线圈32在位移机构33的带动下在成型缸11顶部沿预设路径移动，实现对成型粉末层的加热；完成加热后，采用激光扫描和感应线圈32结合的方式进行重熔，重复上述步骤依次叠加实体，直至形成目标成型件。

与现有技术相比，本实施例金属零部件增材制造装置可以实现增材制造的自动化，降低劳动强度，提高成型效率。

在一些实施例中，上述加热组件30的一种改进实施方式可以采用如图2所示的结构。参见图2，加热组件30还包括设于激光器31一侧的扫描振镜34，扫描振镜34具有可相互反射光线的接收端和反射端，接收端用于接收激光器31发出的光线，反射端用于朝向反射缸散射光线。激光器31发出的光束通过扫描振镜34，可以实现激光的扩束、扫描、聚焦和保护等功能。其中，扩束可以扩大激光光束的直径，并压缩光路的发射角。激光器31发出的激光能量较高，在一定的功率下，光束直径越小，功率密度越大，因此可根据扩大光束直径提高功率密度；激光在被扩束时,它的发散角和扩束比是成反比的,所以经过扩束之后,激光束在被聚焦之后光斑直径可以变得更小,这就更能够提高能量的集中程度,提髙成形效率。

在一些实施例中，上述主体10的一种改进实施方式可以采用如图2所示的结构。参见图2，主体10上具有第一沉槽和第二沉槽，第二沉槽位于第一沉槽的一侧；主体10还包括滑动设于第一沉槽内的第一底板13、滑动设于第二沉槽内的第二底板14，以及分别设于第一底板13和第二底板14底部的升降机构40；第一底板13和第一沉槽的侧壁围合形成成型缸11，第二底板14和第二沉槽的侧壁围合形成储粉缸12。第一底板13和每个第二底板14的底部均设有升降机构40，升降机构40可以通过设置实现自动升降，每完成一个实体，升降机构40带动第一底板13下降预设高度，预设高度即下一个成型粉末层的厚度，同时升降机构40带动第二底板14上升，使得储粉缸12上的金属粉末溢出，压料辊20可从储粉缸12的上方开始滚动直至成型缸11的上方，完成将储粉缸12的金属粉末推动至成型缸11的过程，该实施过程方便操作，代替人工，提高了效率。

需要说明的是，第二底板14的上升高度根据需要补充的金属粉末的质量而定，可通过公式计算得到，第一底板13和第二底板14可分别连通计算机，进而通过计算机程序控制第一底板13和第二底板14的精确上升或下降高度。

具体地，升降机构40可采用液压缸进行控制，第一沉槽和第二沉槽侧壁还分别设有限位柱，限位柱可以限制第一底板13和第二底板14的升降极限位置。

在一些实施例中，上述压料组件的一种改进实施方式可以采用如图2所示的结构。参见图2，主体10上还设有废料缸15，废料缸15与储粉缸12分别位于成型缸11的相对两侧；压料辊20用于在储粉缸12和废料缸15之间移动。当第二底板14上升一定高度后，储粉缸12内的金属粉末溢出，压料辊20将储粉缸12上的金属粉末推动至成型缸11内，并将成型缸11顶部多余的金属粉末推至废料缸15内，在压料辊20的往复移动过程中，将成型缸11顶部的多余粉末清理，并完成对成型缸20内的金属粉末压实，提高成型质量。通过设置废料缸15，可对成型缸11顶部的多余金属粉末回收，精准控制金属粉末的用量，防止过多；废料缸15对多余的金属粉末进行收集，还可以进行再利用，降低制造成本。

具体地，压料组件还包括电机、同步带和同步轮，同步轮和压料辊20连接，启动时，电机输出轴带动同步带传送，同步带与同步轮啮合进而带动压料辊20运动，实现对金属粉末的有效铺设和压实。

在一些实施例中，上述金属零部件增材制造装置的一种改进实施方式可以采用如图2所示的结构。参见图2，金属零部件增材制造装置还包括与感应线圈32连通的冷却系统50。冷却系统50可以采用循环水冷的方式实现对感应线圈32的进行保护，防止感应线圈32温度过高。

具体地，加热组件30上的位移机构33采用X、Y轴直线模组控制感应线圈32在X-Y平面上沿预设路径移动，预设路径可以是直线型、蛇形或圆形等；感应线圈32与变频电源60连接，可根据工作频率分为：低频感应加热、中频感应加热、超音频感应加热、高频感应加热和超高频感应加热。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属零部件增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：在三维软件中绘制目标成型件模型，对所述目标成型件模型进行分层得到层片数据文件，所述层片数据文件包括多个层片信息x1，x2，x3，……，xn；

S20：将所述层片信息x1传输至下料设备；

S30：所述下料设备向成型缸内填充金属粉末，并压实以形成成型粉末层，所述成型粉末层的厚度与所述层片信息x1的厚度相等；

S40：采用感应线圈和/或激光扫描对所述成型粉末层加热，完成所述层片信息x1转化为实体，并对所述实体进行重熔处理；

S50：在固化的实体顶部重复所述S20-S40步骤，直至所述层片信息x2，x3，……，xn全部转化为实体，固化后的所有实体组成目标成型件。

2.如权利要求1所述的金属零部件增材制造方法，其特征在于，所述S50步骤之后还包括：

S60：对所述目标成型件进行后处理，所述后处理包括喷砂、高压气处理、去支撑、乙醇清洗、热处理中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的金属零部件增材制造方法，其特征在于，所述目标成型件的材料为中、低熔点材料时，采用感应线圈进行加热；所述目标成型件的材料为高熔点材料时，采用激光扫描加热方式进行加热。

4.如权利要求1所述的金属零部件增材制造方法，其特征在于，多个层片信息x1，x2，x3，……，xn分别包括第一类和第二类，所述第一类的外形尺寸大于预设值，所述第二类的外形尺寸小于预设值，所述第一类采用感应线圈进行加热，所述第二类采用激光扫描进行加热。

5.如权利要求3或4所述的金属零部件增材制造方法，其特征在于，所述S40步骤包括：

S41：对所述成型粉末层预热；

S42：选取成型粉末层中多个预设点位，采用感应线圈和/或激光扫描对所述预设点位进行加热，加热至预设温度后停止加热；

S43：待所述成型粉末层固化后形成实体，采用感应线圈和/或激光扫描对所述实体再次加热实现重熔。

6.一种金属零部件增材制造装置，其特征在于，用于实施权利要求1-5中任一项所述的金属零部件增材制造方法，包括：

主体，包括成型缸和储粉缸，所述储粉缸用于与计算机通讯连接并向所述成型缸内补充金属粉末；

压料组件，具有位于所述成型缸上方的压料辊，所述压料辊用于滚动铺平并压实成型缸内的金属粉末；以及

加热组件，包括设于所述成型缸上方的激光器、设于所述成型缸顶部的感应线圈，以及用于带动感应线圈沿预设路径移动的位移机构。

7.如权利要求6所述的金属零部件增材制造装置，其特征在于，所述加热组件还包括设于所述激光器一侧的扫描振镜，所述扫描振镜具有可相互反射光线的接收端和反射端，所述接收端用于接收所述激光器发出的光线，所述反射端用于朝向所述成型缸反射光线。

8.如权利要求6所述的金属零部件增材制造装置，其特征在于，所述主体上具有第一沉槽和第二沉槽，所述第二沉槽位于所述第一沉槽的一侧；

所述主体还包括滑动设于所述第一沉槽内的第一底板、滑动设于所述第二沉槽内的第二底板，以及分别设于所述第一底板和所述第二底板底部的升降机构；

所述第一底板和所述第一沉槽的侧壁围合形成成型缸，所述第二底板和所述第二沉槽的侧壁围合形成所述储粉缸。

9.如权利要求8所述的金属零部件增材制造装置，其特征在于，所述主体上还设有废料缸，所述废料缸与所述储粉缸分别位于所述成型缸的相对两侧；

所述压料辊用于在所述储粉缸和所述废料缸之间往复移动。

10.如权利要求6所述的金属零部件增材制造装置，其特征在于，所述金属零部件增材制造装置还包括与所述感应线圈连通的冷却系统。

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