CN115592136A - 一种3d打印成型金属材料的成型基板加热机构及打印方法 - Google Patents

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Jiangsu University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种3D打印成型金属材料的成型基板加热机构，成型基板置于加热机构上方；所述加热机构包括支撑底板及设于支撑底板上四周的侧挡板，所述成型基板位于侧挡板上方，所述支撑底板上表面设有电动推杆，所述电动推杆上端部设有隔板，所述隔板上安装有电磁感应线圈，对电磁感应线圈通电，通过电动推杆控制与成型基板的距离，实现对成型基板温度的调控；所述支撑底板下方连接升降活塞；还公开了利用上述加热机构加热成型基板的3D打印成型金属材料打印方法。通过本发明打印方法能够降低金属材料零件的孔隙率，降低温度梯度，弱化裂纹形成的倾向性，减少残余应力和缺陷，改善层间结合性和零件组织性能，保证打印质量显著提升。

Description

一种3D打印成型金属材料的成型基板加热机构及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印成型金属材料的成型基板加热机构及打印方法。
背景技术
3D打印技术又称为增材制造技术，根据模型数据信息，利用3D打印设备逐层堆积形成三维实体。作为增材制造技术中的一种，激光粉床选区熔化技术具有成型精度高、表面质量优异、力学性能优异等特点，对复杂金属结构的制备具有高度的加工柔性。由于激光与金属粉末作用是一个快热快冷的过程，在逐层堆积过程中易产生较大的温度梯度，受残余应力的影响易引发开裂，通常在成型基板下端设置加热组件。现有的加热组件为电阻丝加热，升温速度慢，长期高温使用易导致电阻丝老化，存在安全隐患。另外，常用的高斯激光束与金属粉末相互作用易引起飞溅，导致零件致密度下降，为了提高金属零件的致密度，通常采用热等静压的方法降低孔隙率，但导致经济成本增加。
发明内容
发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明第一目的是公开一种3D打印成型金属材料的成型基板加热机构；第二目的是公开利用上述加热机构加热成型基板的3D打印成型金属材料打印方法。
技术方案：本发明所公开的3D打印成型金属材料的成型基板加热机构，成型基板置于加热机构上方；所述加热机构包括支撑底板及设于支撑底板上四周的侧挡板，所述成型基板位于侧挡板上方，所述支撑底板上表面设有电动推杆，所述电动推杆上端部设有隔板，所述隔板上安装有电磁感应线圈，对电磁感应线圈通电，通过电动推杆控制与成型基板的距离，实现对成型基板温度的调控；所述支撑底板下方连接升降活塞。
进一步的，所述支撑底板、成型基板及侧挡板形成封闭腔体，并通过隔板分成设置电磁感应线圈的第一腔体和设置电动推杆的第二腔体，所述隔板下表面、侧挡板内侧设置隔热层。
进一步的，所述成型基板下方设有监测成型基板温度的温度传感器及监测电磁感应线圈与成型基板距离的距离传感器。
进一步的，所述电磁感应线圈的形状为圆盘形或方盘形。
一种3D打印成型金属材料的打印方法，采用上述加热机构，包括以下步骤：
S1、原材料烘干
将金属材料粉末材料放入真空烘干炉中，加热温度设置范围为100～150℃，加热时间范围4h～8h，真空度小于-0.8bar；
所述金属材料为不锈钢、模具钢、高速钢、高温合金、铜及铜合金中的一种；
S2、基板加热
采用加热机构对成型基板进行加热，在加热过程中，启动电动推杆，隔板上下运动，根据成型基板厚度，调节电磁感应线圈与成型基板下端面距离，向电磁感应线圈通入电流，维持成型基板加热温度为200～300℃之间。
S3、基础层打印
利用送粉和铺粉机构将金属材料粉末均匀铺在成型基板上，启动贝塞尔激光束系统，贝塞尔激光束按照规划路径和工艺参数熔化金属材料粉末并凝固，完成基础层打印；
S4、重熔层打印
关闭贝塞尔激光束系统，启动高斯激光束系统，高斯激光束按照规划路径和工艺参数在已凝固的基础层上扫描，完成重熔层打印；
S5、三维实体打印
关闭高斯激光束系统，设置升降活塞在机械结构的控制下带动加热机构和成型基板下降一个层厚，重复S3、S4步骤，根据成型基板温度情况实时调节S2中电磁感应线圈的电流和频率，降低温度梯度，完成金属材料三维实体打印过程。
其中，S3和S4中规划路径选用蛇形扫描、棋盘格扫描或条带状扫描方式。
进一步的，S3的贝塞尔激光束系统中还包括轴棱镜。
进一步的，S3中基础层打印工艺参数为：激光功率200～350W，扫描速度1200～2000mm/s，扫描间距70～90μm。
进一步的，S4中重熔打印工艺参数为：激光功率180～250W，扫描速度1000～1800mm/s，扫描间距70～90μm。
进一步的，S5中一个层厚的范围为20μm～40μm之间。
工作原理：通过S1、S3和S4，能够降低金属材料零件的孔隙率，利用S2和S5，降低温度梯度，弱化裂纹形成的倾向性，结合S3和S4应用的棋盘格扫描和条带状扫描等规划路径减少残余应力和缺陷，改善层间结合性和零件组织性能，保证打印质量显著提升。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：S1中，通过真空加热有效降低金属粉末表面附着的水汽，提高粉末流动性，S2中的电磁感应线圈作为加热机构，升温速度快，加热效率高，根据成型基板厚度通过电动推杆自动调节线圈与成型基板底面的距离，结合打印过程中成型基板温度变化情况，实时改变电流和频率以降低温度梯度，减少开裂倾向性，安全可靠；S3中，采用贝塞尔激光束熔化粉末基础层能够降低飞溅，降低孔隙率，利用S4在已凝固层上应用规划的路径进行重熔扫描，一方面能够降低贝塞尔激光束系统中轴棱镜的损耗，另一方面能够细化晶粒组织，降低层间温度梯度，减少层间球化、气孔等缺陷，促进层间呈现良好的冶金结合，提高零件整体打印质量。
附图说明
图1为本发明的加热机构示意图；
图2为本发明的加热机构剖视图；
图3为本发明的电磁感应线圈示意图；
图4为本发明的打印流程图；
图5为本发明实施例1中规划路径示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1-3所示的3D打印成型金属材料的成型基板加热机构，所述金属材料为不锈钢、模具钢、高速钢、高温合金、铜及铜合金中的一种，成型基板1置于加热机构2上方；所述加热机构2包括支撑底板201及设于支撑底板201上四周的侧挡板202，所述成型基板1位于侧挡板202上方，所述支撑底板201上表面设有电动推杆203，所述电动推杆203上端部设有隔板204，所述隔板204上安装有电磁感应线圈205，所述电磁感应线圈的形状为圆盘形或方盘形，所述支撑底板201、成型基板1及侧挡板202形成封闭腔体，并通过隔板204分成设置电磁感应线圈205的第一腔体和设置电动推杆203的第二腔体，所述隔板204下表面、侧挡板202内侧设置隔热层。对电磁感应线圈205通电，通过电动推杆203控制与成型基板1的距离，实现对成型基板1温度的调控。所述成型基板1下方设有监测成型基板1温度的温度传感器及监测电磁感应线圈205与成型基板1距离的距离传感器。
所述支撑底板201下方连接升降活塞3，可以控制整体加热机构2和成型基材1升降。
采用上述加热机构进行3D打印成型金属材料：
实施例1
如图4所示的3D打印成型金属材料的打印方法，包括以下步骤：
S1、原材料烘干
将H13粉末材料放入真空烘干炉中，加热温度设置范围为120℃，加热时间范围4h，真空度小于-0.8bar。
S2、基板加热
采用加热机构2对成型基板1进行加热，在加热过程中，启动电动推杆203，隔板204上下运动，根据成型基板1厚度，调节电磁感应线圈205与成型基板1下端面距离，向电磁感应线圈205通入电流，调整电流和频率，维持成型基板加热温度为200℃。
S3、基础层打印
利用送粉和铺粉机构将粉末材料均匀铺在成型基板上，启动贝塞尔激光束系统，贝塞尔激光束按照规划路径和工艺参数熔化H13粉末并凝固，完成基础层打印。
规划路径选用棋盘格扫描。
其中，贝塞尔激光束系统中还包括轴棱镜。
S3中基础层打印工艺参数为：激光功率200W，扫描速度1200mm/s，扫描间距80μm。
S4、重熔层打印
关闭贝塞尔激光束系统，启动高斯激光束系统，高斯激光束按照规划路径和工艺参数在已凝固的基础层上扫描，完成重熔层打印；规划路径选用条带状扫描方式。
规划路径如图5所示。
S4中重熔打印工艺参数为：激光功率180W，扫描速度1000mm/s，扫描间距70μm。
S5、三维实体打印
关闭高斯激光束系统，设置升降活塞3在机械结构的控制下带动加热机构2和成型基板1下降一个层厚，重复S3、S4步骤，根据成型基板温度情况实时调节S2中电磁感应线圈的电流和频率，降低温度梯度，完成H13三维实体打印过程。
其中，一个层厚为40μm。
实施例2
一种3D打印成型金属材料的打印方法，包括以下步骤：
S1、原材料烘干
将IN718粉末材料放入真空烘干炉中，加热温度设置范围为100℃，加热时间范围6h，真空度小于-0.8bar；
S2、基板加热
采用加热机构2对成型基板1进行加热，在加热过程中，启动电动推杆203，隔板204上下运动，根据成型基板1厚度，调节电磁感应线圈205与成型基板1下端面距离，向电磁感应线圈205通入电流，设置电流和频率，维持成型基板加热温度为250℃；
S3、基础层打印
利用送粉和铺粉机构将粉末材料均匀铺在成型基板上，启动贝塞尔激光束系统，贝塞尔激光束按照规划路径和工艺参数熔化IN718粉末并凝固，完成基础层打印；
S3的贝塞尔激光束系统中还包括轴棱镜。
S3中基础层打印工艺参数为：激光功率250W，扫描速度1400mm/s，扫描间距70μm。
规划路径选用蛇形扫描方式。
S4、重熔层打印
关闭贝塞尔激光束系统，启动高斯激光束系统，高斯激光束按照规划路径和工艺参数在已凝固的基础层上扫描，完成重熔层打印；
规划路径选用棋盘格扫描方式。
S4中重熔打印工艺参数为：激光功率200W，扫描速度1200mm/s，扫描间距80μm。
S5、三维实体打印
关闭高斯激光束系统，设置升降活塞3在机械结构的控制下带动加热机构2和成型基板1下降一个层厚，重复S3、S4步骤，根据成型基板温度情况实时调节S2中电磁感应线圈的电流和频率，降低温度梯度，完成IN718三维实体打印过程。
其中一个层厚为30μm。
实施例3
一种3D打印成型金属材料的打印方法，包括以下步骤：
S1、原材料烘干
将纯铜粉末材料放入真空烘干炉中，加热温度设置范围150℃，加热时间范围8h，真空度小于-0.8bar；
S2、基板加热
采用加热机构2对成型基板1进行加热，在加热过程中，启动电动推杆203，隔板204上下运动，根据成型基板1厚度，调节电磁感应线圈205与成型基板1下端面距离，向电磁感应线圈205通入电流，设置电流和频率，维持成型基板加热温度为300℃；
S3、基础层打印
利用送粉和铺粉机构将粉末材料均匀铺在成型基板上，启动贝塞尔激光束系统，贝塞尔激光束按照规划路径和工艺参数熔化纯铜粉末并凝固，完成基础层打印；
S3的贝塞尔激光束系统中还包括轴棱镜。
S3中基础层打印工艺参数为：激光功率350W，扫描速度2000mm/s，扫描间距90μm。
规划路径选用条带状扫描方式。
S4、重熔层打印
关闭贝塞尔激光束系统，启动高斯激光束系统，高斯激光束按照规划路径和工艺参数在已凝固的基础层上扫描，完成重熔层打印；
规划路径选用蛇形扫描方式。
S4中重熔打印工艺参数为：激光功率250W，扫描速度1800mm/s，扫描间距90μm。
S5、三维实体打印
关闭高斯激光束系统，设置升降活塞3在机械结构的控制下带动加热机构2和成型基板1下降一个层厚，重复S3、S4步骤，根据成型基板温度情况实时调节S2中电磁感应线圈的电流和频率，降低温度梯度，完成纯铜三维实体打印过程。
其中一个层厚为20μm。

Claims (10)

1.一种3D打印成型金属材料的成型基板加热机构，其特征在于：成型基板(1)置于加热机构(2)上方；所述加热机构(2)包括支撑底板(201)及设于支撑底板(201)上四周的侧挡板(202)，所述成型基板(1)位于侧挡板(202)上方，所述支撑底板(201)上表面设有电动推杆(203)，所述电动推杆(203)上端部设有隔板(204)，所述隔板(204)上安装有电磁感应线圈(205)，对电磁感应线圈(205)通电，通过电动推杆(203)控制与成型基板(1)的距离，实现对成型基板(1)温度的调控；所述支撑底板(201)下方连接升降活塞(3)。
2.根据权利要求1所述的3D打印成型金属材料的成型基板加热机构，其特征在于：所述支撑底板(201)、成型基板(1)及侧挡板(202)形成封闭腔体，并通过隔板(204)分成设置电磁感应线圈(205)的第一腔体和设置电动推杆(203)的第二腔体，所述隔板(204)下表面、侧挡板(202)内侧设置隔热层。
3.根据权利要求1所述的3D打印成型金属材料的成型基板加热机构，其特征在于：所述成型基板(1)下方设有监测成型基板(1)温度的温度传感器及监测电磁感应线圈(205)与成型基板(1)距离的距离传感器。
4.根据权利要求1-3所述的3D打印成型金属材料的成型基板加热机构，其特征在于：所述电磁感应线圈(205)的形状为圆盘形或方盘形。
5.一种3D打印成型金属材料的打印方法，其特征在于，采用权利要求1-3所述的加热机构(2)，包括以下步骤：
S1、原材料烘干
将金属材料粉末放入真空烘干炉中，加热温度设置范围为100～150℃，加热时间范围4h～8h，真空度小于-0.8bar；
S2、基板加热
采用加热机构(2)对成型基板(1)进行加热，在加热过程中，启动电动推杆(203)，隔板(204)上下运动，根据成型基板(1)厚度，调节电磁感应线圈(205)与成型基板(1)下端面距离，向电磁感应线圈(205)通入电流，维持成型基板加热温度为200～300℃之间；
S3、基础层打印
利用送粉和铺粉机构将金属材料粉末均匀铺在成型基板上，启动贝塞尔激光束系统，贝塞尔激光束按照规划路径和工艺参数熔化金属材料粉末并凝固，完成基础层打印；
S4、重熔层打印
关闭贝塞尔激光束系统，启动高斯激光束系统，高斯激光束按照规划路径和工艺参数在已凝固的基础层上扫描，完成重熔层打印；
S5、三维实体打印
关闭高斯激光束系统，设置升降活塞(3)在机械结构的控制下带动加热机构(2)和成型基板(1)下降一个层厚，重复S3、S4步骤，根据成型基板温度情况实时调节S2中电磁感应线圈的电流和频率，降低温度梯度，完成金属材料三维实体打印过程。
6.根据权利要求5所述的3D打印成型金属材料的打印方法，其特征在于：S3和S4中规划路径选用蛇形扫描、棋盘格扫描或条带状扫描方式。
7.根据权利要求5所述的3D打印成型金属材料的打印方法，其特征在于：S3的贝塞尔激光束系统中还包括轴棱镜。
8.根据权利要求5所述的3D打印成型金属材料的打印方法，其特征在于：S3中基础层打印工艺参数为：激光功率200～350W，扫描速度1200～2000mm/s，扫描间距70～90μm。
9.根据权利要求5所述的3D打印成型金属材料的打印方法，其特征在于：S4中重熔打印工艺参数为：激光功率180～250W，扫描速度1000～1800mm/s，扫描间距70～90μm。
10.根据权利要求5所述的3D打印成型金属材料的打印方法，其特征在于：S5中一个层厚的范围为20μm～40μm之间。
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