CN115782165A - 全封闭式空腔结构的粉末床熔融3d打印方法 - Google Patents

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李淮阳
刘世双
赵清帅
王肃国
陈祥
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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，公开了一种全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，包括如下步骤：将需要打印的零件分主体模型、薄片模型和顶盖模型；在预处理软件中，将主体模型和顶盖模型装配至一起进行切片导入到打印机中；使用打印机完成主体模型的打印，主体模型腔体内的多余粉末；使用与主体模型同种材料的薄板，按照薄片模型的形状裁剪后，搭接在主体模型的上表面；打印机按照主体模型和薄片模型的接触装配轮廓线，在不铺粉的情况下进行空扫；打印机以主体模型和薄片模型为基底，打印顶盖模型。本发明全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，解决了腔体内部粉末的清理问题和腔体上表面无法悬空打印的问题。

Description

全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法。
背景技术
粉末床熔融(Powder Bed Fusion，PBF)3D打印主要是使用粉末为原材料，利用激光或电子束为热源，对粉床上逐层铺设的粉末进行扫描，被扫描的粉末经过熔化、凝固后形成实体，层层实体累加，最终形成与输入模型一致的零件。
具体的，粉末床熔融3D打印的步骤为：1、确定零件的打印方向并根据零件摆放方式添加支撑；2、定义打印参数，并将处理完成的模型及支撑切片；3、切片数据导入打印机；4、打印机逐层并铺粉并按照切片数据逐层打印；5、打印完成后清理产品周围多余粉末；6、清除多余支撑结构，得到与设计模型一致的三维实体产品。
粉末床熔融主要通过粉末原材料的逐层铺设与热源的选区熔化实现三维成形。粉末床熔融目前根据热源可以分为激光和电子束两种。相较于其他3D打印技术，粉末床熔融拥有更高的打印精度和表面光洁度。
但是，受限于技术本身的缺陷，该技术无法进行具有平面底面结构的悬空打印。粉末床熔融技术进行全封闭腔体结构打印的难点在于空腔顶面无法悬空成形和腔体内部未熔粉末无法清除。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，解决了腔体内部粉末的清理问题和腔体上表面无法悬空打印的问题。
为实现上述目的，本发明所设计的全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，包括如下步骤：
A)将需要打印的零件分为三个模型，主体模型为零件的主体部分，具有连续的空腔结构，且空腔结构的顶面为敞开结构，薄片模型为片状实体结构，其平面形状与主体模型的空腔结构顶面一致，且其轮廓尺寸略大于空腔结构的外轮廓，顶盖模型为实体结构，是零件的顶盖部分，将主体模型的敞开结构全覆盖；
B)在预处理软件中，将主体模型和顶盖模型装配至一起进行切片导入到打印机中；
C)使用打印机完成主体模型的打印，打印后清理主体模型腔体内的多余粉末；
D)使用与主体模型同种材料的薄板，按照薄片模型的形状裁剪后，搭接在主体模型的上表面；
E)打印机按照主体模型和薄片模型的接触装配轮廓线，在不铺粉的情况下进行空扫；
F)打印机以主体模型和薄片模型为基底，打印顶盖模型。
优选地，顶盖模型完成打印后，使主体模型的空腔结构全封闭。
优选地，主体模型的上表面预留有放置薄片模型的搭接结构，薄片模型放置在主体模型上时其上表面与主体模型的上表面平齐。
优选地，薄片模型的厚度根据打印参数进行调整，保证在在薄片模型表面铺设单层粉末材料后热源不会烧穿薄片模型。
优选地，所述步骤D)中，薄片模型使用薄板型材通过裁剪、激光切割或线切割加工。
优选地，所述步骤D)中，薄片模型使用同炉的打印机打印。
优选地，所述步骤D)中，主体模型和薄片模型装配后，引入外部激光点焊或电阻焊的自熔焊方式将主体模型和薄片模型焊接一起，焊接后打磨焊缝，使焊缝与主体模型和薄片模型装配完的上表面平齐。
优选地，当需要打印的零件中沿粉层叠加方向包含多个互不连续的空腔结构时，每增加一个空腔结构，增加一个主体模型和一个薄片模型，打印时，按照主体模型-薄片模型-主体模型-薄片模型-…-薄片模型-顶盖模型的顺序装配，每打印一个主体模型，清理该主体模型腔体内的多余粉末。
优选地，当需要打印的零件中存在多个互不相通的空腔结构，若所有空腔结构的顶面均在同一高度，按照步骤A)至步骤F)打印，若空腔结构的顶面处于不同高度时，增加多个薄片模型，每打印到一个空腔结构的顶面，装配一个薄片模型，将该空腔结构封闭。
优选地，主体模型内的空腔结构为穹顶式结构。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：解决了腔体内部粉末的清理问题和腔体上表面无法悬空打印的问题。
附图说明
图1为本发明中模型的结构示意图；
图2主体模型的纵向剖视图。
图中各部件标号如下：
主体模型1、薄片模型2、顶盖模型3、空腔结构4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，包括如下步骤：
A)将需要打印的零件分为三个模型，如图1及图2所示，主体模型1为零件的主体部分，具有连续的空腔结构4，且空腔结构4的顶面为敞开结构，薄片模型2为片状实体结构，其平面形状与主体模型1的空腔结构4顶面一致，且其轮廓尺寸略大于空腔结构4的外轮廓，顶盖模型3为实体结构，是零件的顶盖部分，将主体模型1的敞开结构全覆盖；
B)在预处理软件中，将主体模型1和顶盖模型3装配至一起进行切片导入到打印机中；
C)使用打印机完成主体模型1的打印，打印后清理主体模型1腔体内的多余粉末，可以使用倾倒、橡皮锤锤击基板、吸尘器、氮吹等方式将空腔结构内部的粉末清理干净；
D)使用与主体模型1同种材料的薄板，按照薄片模型2的形状裁剪后，搭接在主体模型1的上表面；
E)打印机按照主体模型1和薄片模型2的接触装配轮廓线，在不铺粉的情况下进行空扫，保证主体模型与薄片模型建立有效的连接，打印顶盖模型时薄片模型不至于掉落空腔结构内；
F)打印机以主体模型1和薄片模型2为基底，打印顶盖模型3。
顶盖模型3完成打印后，使主体模型1的空腔结构4全封闭。
本实施例中，主体模型1的上表面预留有放置薄片模型2的搭接结构，薄片模型2放置在主体模型1上时其上表面与主体模型1的上表面平齐。
本实施例中，薄片模型2的厚度根据打印参数进行调整，保证在在薄片模型2表面铺设单层粉末材料后热源不会烧穿薄片模型2。
另外，步骤D)中，薄片模型2使用薄板型材通过裁剪、激光切割或线切割加工，也可以使用同炉的打印机打印。
而且，步骤D)中，主体模型1和薄片模型2装配后，引入外部激光点焊或电阻焊的自熔焊方式将主体模型1和薄片模型2焊接一起，焊接后打磨焊缝，使焊缝与主体模型1和薄片模型2装配完的上表面平齐。
在其它实施例中个，当需要打印的零件中沿粉层叠加方向包含多个互不连续的空腔结构4时，每增加一个空腔结构4，增加一个主体模型1和一个薄片模型2，打印时，按照主体模型1-薄片模型2-主体模型1-薄片模型2-…-薄片模型2-顶盖模型3的顺序装配，每打印一个主体模型1，清理该主体模型1腔体内的多余粉末。
当需要打印的零件中存在多个互不相通的空腔结构4，若所有空腔结构4的顶面均在同一高度，按照步骤A至步骤F打印，若空腔结构4的顶面处于不同高度时，增加多个薄片模型2，每打印到一个空腔结构4的顶面，装配一个薄片模型2，将该空腔结构4封闭。
在某些实施例中，可以将主体模型1内的空腔结构4设计为穹顶式结构，以此减少薄片模型的有效面积。
如果主体模型1的空腔结构4较浅，可以在不取出零件的状态下直接清理腔道内部的粉末，此类情况下，可以使用吸尘器单独清理腔道内部的粉末，并维持主体模型1周围其余未熔粉末，减少后续重新填粉的过程。
如果薄片模型2为与主体模型1同炉打印的零件，可以将薄片模型2设置在主体模型1最后几层的高度打印，主体模型1的下方使用支撑结构，在清理主体模型1中内腔粉末时将薄片模型2取下，取的过程中尽量保证薄片模型2上下平面之间的平行度。当取下薄片模型2的过程中出现变形时，可以使用滚压，重物压的方式将薄片模型2压平后再装配至主体模型1中。
如果主体模型1并不是全空的结构，而是使用拓扑结构进行了填充，此时薄片模型2与主体模型1装配之后，由于拓扑结构对薄片模型2有支撑的作用，可以不执行步骤E)，直接执行步骤F)进行铺粉并打印顶盖模型3。
最后，为了避免薄片模型2与主体模型1在装配后，由于薄片模型2的变形引起的边缘翘起导致空扫过程中无法有效将主体模型1、薄片模型2连接在一起，可以引入辅助工装压紧薄片模型2后在进行空扫，扫描完成后撤去辅助工装再执行步骤F)。
为减少主体模型1和薄片模型2搭接带来的结构强度上的风险，在空扫时可以增加扫描面积，对主体模型1和薄片模型2的有效搭接区域进行全扫描，保证扫描完成后主体模型1和薄片模型2之间不存在装配间隙。

Claims (10)

1.一种全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：包括如下步骤：
A)将需要打印的零件分为三个模型，主体模型(1)为零件的主体部分，具有连续的空腔结构(4)，且空腔结构(4)的顶面为敞开结构，薄片模型(2)为片状实体结构，其平面形状与主体模型(1)的空腔结构(4)顶面一致，且其轮廓尺寸略大于空腔结构(4)的外轮廓，顶盖模型(3)为实体结构，是零件的顶盖部分，将主体模型(1)的敞开结构全覆盖；
B)在预处理软件中，将主体模型(1)和顶盖模型(3)装配至一起进行切片导入到打印机中；
C)使用打印机完成主体模型(1)的打印，打印后清理主体模型(1)腔体内的多余粉末；
D)使用与主体模型(1)同种材料的薄板，按照薄片模型(2)的形状裁剪后，搭接在主体模型(1)的上表面；
E)打印机按照主体模型(1)和薄片模型(2)的接触装配轮廓线，在不铺粉的情况下进行空扫；
F)打印机以主体模型(1)和薄片模型(2)为基底，打印顶盖模型(3)。
2.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：顶盖模型(3)完成打印后，使主体模型(1)的空腔结构(4)全封闭。
3.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：主体模型(1)的上表面预留有放置薄片模型(2)的搭接结构，薄片模型(2)放置在主体模型(1)上时其上表面与主体模型(1)的上表面平齐。
4.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：薄片模型(2)的厚度根据打印参数进行调整，保证在在薄片模型(2)表面铺设单层粉末材料后热源不会烧穿薄片模型(2)。
5.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：所述步骤D)中，薄片模型(2)使用薄板型材通过裁剪、激光切割或线切割加工。
6.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：所述步骤D)中，薄片模型(2)使用同炉的打印机打印。
7.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：所述步骤D)中，主体模型(1)和薄片模型(2)装配后，引入外部激光点焊或电阻焊的自熔焊方式将主体模型(1)和薄片模型(2)焊接一起，焊接后打磨焊缝，使焊缝与主体模型(1)和薄片模型(2)装配完的上表面平齐。
8.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：当需要打印的零件中沿粉层叠加方向包含多个互不连续的空腔结构(4)时，每增加一个空腔结构(4)，增加一个主体模型(1)和一个薄片模型(2)，打印时，按照主体模型(1)-薄片模型(2)-主体模型(1)-薄片模型(2)-…-薄片模型(2)-顶盖模型(3)的顺序装配，每打印一个主体模型(1)，清理该主体模型(1)腔体内的多余粉末。
9.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：当需要打印的零件中存在多个互不相通的空腔结构(4)，若所有空腔结构(4)的顶面均在同一高度，按照步骤A)至步骤F)打印，若空腔结构(4)的顶面处于不同高度时，增加多个薄片模型(2)，每打印到一个空腔结构(4)的顶面，装配一个薄片模型(2)，将该空腔结构(4)封闭。
10.如权利要求1所述全封闭式空腔结构的粉末床熔融3D打印方法，其特征在于：主体模型(1)内的空腔结构(4)为穹顶式结构。
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