CN115786903A - 不同孔径的透气模具钢的成型方法及成型装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种不同孔径的透气模具钢的成型方法，包括：构建透气模具钢的三维模型数据，并将三维模型数据离散分割成逐层叠加的多个打印层模型；铺设金属粉末；规划用于打印当前一打印层模型的工艺参数，并根据工艺参数按照所述打印层模型的路径对所述金属粉末进行激光熔化，从而打印出一对应的打印层，工艺参数包括离焦值，打印层包括具有第一孔径的第一孔；调整下一打印层模型的工艺参数中的离焦值，进而得到对应尺寸的激光光斑；在当前打印层上打印下一打印层，下一打印层包括具有第二孔径的第二孔，第一孔与第二孔连通且第一孔径不同与第二孔径，从而得到不同孔径的透气模具钢。本申请还提供一种不同孔径的透气模具钢的成型装置。

Description

不同孔径的透气模具钢的成型方法及成型装置

技术领域

本申请涉及增材制造的技术领域，尤其涉及一种不同孔径的透气模具钢的成型方法及成型装置。

背景技术

增材制造技术是通过材料逐层累加的方式直接制造实体零件，能够将计算机辅助设计(CAD)三维软件中设计好的实体三维模型直接打印成型。激光选区熔化(SLM)技术是金属AM领域的重要技术之一，它采用高能量密度激光作为热源，利用激光选择熔化金属粉末，可以得到高自由度的复杂金属构件，生成近乎100％的高致密度零件。

激光选区熔化制备透气模具钢，相比于传统加工工艺其更加方便快捷。透气模具钢普遍应用于注塑模具领域，用于实现注塑过程中有效排气，使得所要注塑的塑料溶体更好地成型，避免由于透气性不佳问题导致塑料溶体憋气、烧蚀等现象产生。然而在实际应用中，若气孔较小，透气模具钢无法达到较高的透气率；若气孔较大，容易使得塑料溶体流入气孔内，会造成不良的注塑件产品。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种不同孔径的透气模具钢的成型方法，以便于解决上述问题。

另外，还有必要提供一种应用不同孔径的透气模具钢的成型方法的成型装置。

本申请提供了一种不同孔径的透气模具钢的成型方法，包括以下步骤：构建所述透气模具钢的三维模型数据，并将所述三维模型数据离散分割成逐层叠加的多个打印层模型；

铺设金属粉末；

规划用于打印当前一所述打印层模型的工艺参数，并根据所述工艺参数按照所述打印层模型的路径对所述金属粉末进行激光熔化，从而打印出一对应的打印层，所述工艺参数包括离焦值，所述打印层包括具有第一孔径的第一孔；

在当前所述打印层上铺设所述金属粉末；

调整下一所述打印层模型的工艺参数中的所述离焦值，进而得到对应尺寸的激光光斑；

根据调整后的所述工艺参数按照所述打印层模型的路径对所述金属粉末进行激光融化，从而在当前所述打印层上打印下一打印层，下一所述打印层包括具有第二孔径的第二孔，所述第一孔与所述第二孔连通且所述第一孔径不同与所述第二孔径，从而得到所述不同孔径的透气模具钢。

本申请还提供一种用于执行不同孔径的透气模具钢的成型装置，用于执行所述透气模具钢的成型方法，所述成型装置包括供料单元、激光器、成型室和动态聚焦模块；

所述供料单元用于将金属粉末铺设于所述成型室内；

所述激光器用于根据工艺参数朝向所述金属粉末发射激光光束，使得所述金属粉末熔化凝固并形成一对应的打印层，所述工艺参数包括激光的离焦值，所述打印层包括具有第一孔径的第一孔；

所述动态聚焦模块用于调整所述工艺参数中的所述离焦值，获得对应尺寸的激光光斑；

所述供料单元还用于将所述金属粉末重新铺设于当前所述打印层上；

所述激光器还用于根据调整后的所述工艺参数朝向所述金属粉末发射激光光束，使得所述金属粉末熔化凝固并在当前所述打印层上形成下一打印层，所述打印层包括具有第一孔径的第一孔铺设于所述成型室内，下一所述打印层包括具有第二孔径的第二孔，所述第一孔与所述第二孔连通且所述第一孔径不同与所述第二孔径。

本申请中，在打印透气模具钢过程中，当形成具有第一孔的第一个打印层后，通过动态聚焦模块调节打印过程中的激光光斑大小，从而形成具有第二孔的下一打印层，第一孔和第二孔连通且孔径不同，使得第一孔与第二孔之间形成梯度孔。当具有较小孔径的第一孔与型腔接触时，能够避免注塑的塑料熔体流入孔隙内，保证透气模具钢具有一定的强度和透气率；当具有较大孔径的第二孔与外界连通时，以便于塑料溶体注塑过程中快速地排气。

附图说明

图1是本申请提供一种透气模具钢的成型装置的示意图。

图2是本申请中动态聚焦模块的结构示意图。

图3是本申请实施例一中透气模具钢的局部剖面示意图。

图4是本申请实施例二中透气模具钢的俯视图。

主要元件符号说明

成型装置 100

供料单元 10

激光器 20

成型室 30

穿孔 31

控制单元 40

振镜单元 51

X方向振镜 511

Y方向振镜 512

动态聚焦模块 52

电机 521

镜片组 522

聚焦镜 523

成型平台 61

成型缸 62

活塞升降机构 63

透气模具钢 70

第一打印层 71

第二打印层 72

第三打印层 73

第一孔 711

第二孔 721

第三孔 731

第一区 74

第二区 75

第三区 76

第四区 77

第一气孔 741

第二气孔 751

第三气孔 761

第四气孔 771

焦点 f

如下具体实施方式将结合上述附图1-4进一步说明本申请。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

为能进一步阐述本申请达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施方式，对本申请作出如下详细说明。

请参阅图1，本申请提供一种不同孔径的透气模具钢的成型装置100，用于执行透气模具钢70的成型方法。成型装置100包括供料单元10、激光器20、成型室30和控制单元40。成型室30还设有一成型缸62，控制单元40分别与供料单元10、激光器20和成型缸62电性连接。控制单元40通过控制供料单元10、激光器20和成型缸62协同工作，从而打印出透气模具钢70。其中，所述供料单元10用于铺设金属粉末至所述成型室30内的成型平台61。所述激光器20用于发射激光熔融金属粉末，直至形成透气模具钢70。

参阅图1，成型平台61活动连接在成型缸62内。成型室30的顶部还开设有一穿孔31，激光器20发射的激光穿过穿孔31进入成型室30，并作用于金属粉末。

参阅图1和图2，在一些实施例中，成型室30外还设有振镜单元51，振镜单元51正对穿孔31。振镜单元51根据控制单元40中的预设程序有规律地摆动，激光经过振镜单元51反射后聚焦到成型平台61，以熔融金属粉末形成打印层。控制单元40还控制振镜单元51使激光按照预定的扫描策略移动。在一些实施例中，振镜单元51包括X方向振镜511和Y方向振镜512，X方向振镜511和Y方向振镜512用于调整所述激光的路径，使得激光对准成型平台61上金属粉末以便于激光熔融金属粉末形成打印层。

参阅图1和图2，在激光器20与振镜单元51之间还设有动态聚焦模块52。激光器20发射的激光经过动态聚焦模块52和振镜单元51之后聚焦到成型平台61。动态聚焦模块52包括电机521、可移动的镜片组522和聚焦镜523，在一些实施例中，镜片组522为多镜片组合构成。电机521驱动镜片组522运动进而改变激光经过镜片组522的角度，进一步改变激光射向聚焦镜523的入射角度，穿过聚焦镜523的激光经过振镜单元51中的两个振镜反射到成型室30中透气模具钢70的当前打印层上，在打印层上汇聚的激光光斑尺寸并随着激光经过聚焦镜523入射角的改变而变化，使得激光的焦点f或汇聚于打印层上，或汇聚于打印层上方，或汇聚于打印层下方。激光的焦点f或汇聚于打印层上时激光光斑对应的尺寸最小；激光的焦点f或汇聚于打印层上方或汇聚于打印层下方即形成离焦，此时激光光斑对应的尺寸增大。其中，离焦值即为激光焦点f到当前打印层之间的距离，激光焦点f位于打印层上方为正离焦，激光焦点f位于打印层下方为负离焦。因此，通过改变打印工艺参数的离焦值，可以获得相应不同尺寸的激光光斑。

参阅图1，在一些实施例中，成型缸62内设有活塞升降机构63，成型平台61位于活塞升降机构63的上方。活塞升降机构63用于驱动成型平台61在成型缸62内上下移动。成型平台61与成型室30的底面齐平。每一打印层完成成型过程时，活塞升降机构63带动成型平台61下降一段预设距离，以保证下一打印层的水平位置与成型室30的底面位置对应。

参阅图1、图2和图3，本申请实施例提供一种不同孔径的透气模具钢的成型方法，包括以下步骤：

步骤一：构建待打印透气模具钢70的三维模型数据，并将所述三维模型数据离散分割成逐层叠加的多个打印层模型。

步骤二：规划用于打印当前一打印层模型的工艺参数，利用成型装置100选取激光3D打印的工艺参数并打印出对应的打印层，使得在所述透气模具钢70上形成第一打印层71，在所述第一打印层71上形成具有第一孔径的第一孔711。

步骤三：通过动态聚焦模块52，调整下移打印层模型的工艺参数中的离焦值，进而得到对应尺寸的激光光斑。

步骤四：根据调整后的所述工艺参数在当前所述打印层上打印第二打印层72，在所述第二打印层72上形成具有第二孔径的第二孔721。第一孔711与第二孔721连通且第一孔径不同与第二孔径，即得到孔径大小呈梯度设置的透气模具钢70。

通过调整激光光斑的尺寸，改变激光选区熔化过程中熔融金属粉末的熔道宽度，进而会改变相邻的熔道宽度之间形成的熔道间隙，即改变形成透气模具孔隙的孔径大小。

在一些实施例中，所述制备方法还进一步包括如下步骤：

步骤五：再次调整下一所述调整下一所述打印层模型的工艺参数中的离焦值，进而得到对应尺寸的激光光斑。根据调整后的所述工艺参数在当前所述打印层上打印第三打印层，在所述第三打印层73上形成具有第三孔径的第三孔731。第三孔731与第一孔711和第二孔721连通，且第一孔径、第二孔径和第三孔径均不同。本实施例以透气模具钢70包括三层打印层进行示例，但不以此为限制。例如，在另一些实施例中，透气模具钢70可以具有四层、五层、六层打印层以及多层打印层。在另外一些实施例中，多层孔径大小也可以部分相同。

在一些实施例中，所述第一孔711、第二孔721和第三孔731的中心轴线重合。

下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面示例仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

请参阅图1、图2和图3，透气模具钢70具体包括依次层叠设置的第一打印层71、第二打印层72和第三打印层73。第一打印层71形成具有第一孔径的第一孔711，第二打印层72形成具有第二孔径的第二孔721、第三打印层73形成具有第三孔径的第三孔731，其中，第一孔711、第二孔721和第三孔731连通，三者之间的孔径均不同。本实施例中，第一孔711、第二孔721和第三孔731的孔径逐渐增大。

上述透气模具钢70的成型方法包括以下步骤：

步骤S11：构建透气模具钢70的三维模型数据，并将所述三维模型数据离散分割成逐层叠加的若干层模型，得到所述透气模具钢70的打印层信息。

步骤S12：规划对第一打印层71的打印层模型的工艺参数，利用成型装置100选取适当打印的工艺参数，打印得到第一打印层71，使得第一打印层71具有第一孔711。

具体地，取金属粉末，供料单元10根据获得的打印第一打印层71的成型信息，将金属粉末均匀地铺设于成型室30的成型平台61上。激光器20根据打印第一打印层71的信息发射激光熔融第一成型区的金属粉末，形成包括具有第一孔711的第一打印层71。在激光打印过程中，扫描间距为150μm，激光功率300W，激光速度1200mm/s，并设定离焦值为4㎜，此时得到激光光斑大小为110μm，其中熔道宽度为110μm，相邻的熔道之间形成熔道孔隙，所述熔道孔隙大约为40μm，可以得到成型的透气模具钢70的第一孔711的孔径为40μm。

步骤S13：通过动态聚焦模块52，调整打印第二打印层72的工艺参数离焦值，获得对应的尺寸的激光光斑，激光器20根据打印第二打印层72的工艺参数打印第二打印层72，在所述第二打印层72上形成第二孔721。

具体地，通过调整动态聚焦模块52中的电机521驱动镜片组522，进而改变激光经过镜片组522的角度，改变激光射向聚焦镜523的入射角度，使得激光通过聚焦镜523或在焦点或离焦，改变离焦值大小，获得对应尺寸的激光光斑。激光器20根据打印第二打印层72的信息发射激光并采用交替垂直的扫描策略熔融第二打印层72的第二成型区的金属粉末，形成具有第二孔721的第二打印层72。其中扫描间距为150μm，激光功率300W，激光速度1200mm/s，并设定离焦值为3㎜，此时得到激光光斑大小为101μm，其中熔道宽度为101μm，所述熔道孔隙大约为50μm，可以得到成型的透气模具钢70的第二孔721的孔径为50μm。

步骤S14：通过动态聚焦模块52，调整打印第三打印层73的工艺参数离焦值，得到对应尺寸的激光光斑，激光器20根据打印第三打印层73的工艺参数打印第三打印层73，在所述第三打印层73上形成第三孔731。

具体地，同步骤S13的原理，通过动态聚焦模块52改变离焦值大小，激光器20根据打印第三打印层73的信息发射激光并采用交替垂直的扫描策略熔融第三打印层73上第三成型区的金属粉末，形成具有第三孔731的第三打印层73。其中扫描间距为150μm，激光功率300W，激光速度1200mm/s，并设定离焦值为2㎜，此时得到激光光斑大小为92μm，其中熔道宽度为92μm，所述熔道孔隙大约为60μm，可以得到成型的透气模具钢70的第三孔731的孔径为60μm。

通过在透气模具钢70上形成不同梯度的透气孔，使得第一孔711与型腔接触，能够避免注塑的塑料熔体流入孔隙内，保证透气模具钢70具有一定的强度，第三孔731与外界连通，以便于塑料溶体注塑过程中快速地排气，进而满足一定的透气率的要求。

在其他实施例中，若该透气模具钢70具有多层，则可以依次按照上述步骤S14，并通过动态聚焦模块52改变对应的离焦值，在每一层形成不同孔径且连通的孔。

根据多次实施测试，可按照表1中通过动态聚焦模块52改变离焦值，进而实时调整激光光斑大小。

表1离焦值对应激光光斑的尺寸数据

实施例二

参阅图4，实施例二与实施例一不同之处在于，在同一打印层上还可以形成若干个不同孔径的孔。在本实施例，在同一打印层上示例，以形成4个不同孔径的第一气孔741、第二气孔751、第三气孔761和第四气孔771进行示例，其中，这四个气孔之间相距设置。在透气模具钢70的打印层上形成四个打印成型区，分别为对应的第一区74、第二区75、第三区76和第四区77。本实施例所述透气模具钢70按照以下步骤制备：

步骤S21：构建待打印透气模具钢70打印层的数据导入成型系统，并得到透气模具钢70的打印层的成型数据。

步骤S22：规划打印层中四个所述打印成型区的工艺参数，并利用成型装置100打印对应的打印层。

步骤S23：供料单元10根据获得的打印层的成型信息，将物料均匀地铺设至成型平台61，激光器20发射激光以熔融第一区74的金属粉末。

具体地，激光器20根据获得的第一区74的成型信息发射激光，并融熔打印层上第一区74的的金属粉末，在打印层上形成第一气孔741。在融熔第一区74的金属粉末过程中，激光的扫描间距为150μm，激光功率300W，激光速度1200mm/s，选用离焦值为1㎜，其激光光斑为80μm，熔道宽度为80μm，成形熔道孔隙大约70μm，成型透气钢孔隙约70μm，即第一气孔741的孔径为70μm。

步骤S24：激光器20发射激光以融熔第二区75的金属粉末。

具体地，激光器20在与步骤S23相同的激光扫描间距、激光功率和扫描速度下，通过调整动态聚焦模块52改变离焦值，获得对应尺寸的激光光斑，融熔第二区75的金属粉末形成第二气孔751。其中，离焦值为2mm，对应的激光光斑为92μm，熔道宽度为92μm，成形熔道孔隙大约60μm，成型透气钢孔隙约60μm，即第二气孔751的孔径为60μm。

步骤S25：激光器20发射激光以融熔第三区76的金属粉末。

具体地，激光器20在与步骤S23相同的激光扫描间距、激光功率和扫描速度下，通过调整动态聚焦模块52改变离焦值，获得对应的激光光斑尺寸，融熔第三区76的金属粉末形成第三气孔761。其中，离焦值为3mm，对应的激光光斑为101μm，熔道宽度为101μm，成形熔道孔隙大约50μm，成型透气钢孔隙约50μm，即第三气孔761的孔径为50μm。

步骤S26：激光器20发射激光以融熔第四区77的金属粉末。

具体地，激光器20在与步骤S23相同的激光扫描间距、激光功率和扫描速度下，通过调整动态聚焦模块52改变离焦值，获得对应尺寸的激光光斑，熔融第四区77的金属粉末形成第四气孔771。其中，离焦值为4mm，对应的激光光斑为110μm，熔道宽度为110μm，成形熔道孔隙大约40μm，成型透气钢孔隙约40μm，即第四气孔771的孔径为40μm。

在同一打印层上通过动态聚焦模块52可以实时改变离焦值，并通过对应的离焦值得到对应尺寸的激光光斑，可以实现在同一打印层上得到不同孔径大小的气孔，以便于满足透气模具钢70对于不同注塑溶体所需的气孔大小。

本申请中，在打印透气模具钢70过程中，当形成具有第一孔711的第一打印层71后，通过动态聚焦模块52调节打印过程中的离焦值获得对应尺寸的激光光斑，从而形成具有第二孔721的下一打印层，第一孔711和第二孔721连通且孔径不同，使得第一孔711与第二孔721之间形成梯度孔。当具有较小孔径的第一孔711与型腔接触，能够避免注塑的塑料熔体流入孔隙内，保证透气模具钢70具有一定的强度和透气率；当具有较大孔径的第二孔721与外界连通，以便于塑料溶体注塑过程中快速地排气。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种不同孔径的透气模具钢的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建所述透气模具钢的三维模型数据，并将所述三维模型数据离散分割成逐层叠加的多个打印层模型；

铺设金属粉末；

规划用于打印当前一所述打印层模型的工艺参数，并根据所述工艺参数按照所述打印层模型的路径对所述金属粉末进行激光熔化，从而打印出一对应的打印层，所述工艺参数包括离焦值，所述打印层包括具有第一孔径的第一孔；

在当前所述打印层上铺设所述金属粉末；

调整下一所述打印层模型的工艺参数中的所述离焦值，进而得到对应尺寸的激光光斑；

根据调整后的所述工艺参数按照所述打印层模型的路径对所述金属粉末进行激光融化，从而在当前所述打印层上打印下一打印层，下一所述打印层包括具有第二孔径的第二孔，所述第一孔与所述第二孔连通且所述第一孔径不同与所述第二孔径，从而得到所述不同孔径的透气模具钢。

2.如权利要求1所述的不同孔径的透气模具钢的成型方法，其特征在于，所述第一孔和所述第二孔的中心轴线重合。

3.如权利要求1所述的不同孔径的透气模具钢的成型方法，其特征在于，所述工艺参数还包括扫描策略、扫描间距、激光功率和激光速度。

4.如权利要求3所述的不同孔径的透气模具钢的成型方法，其特征在于，所述扫描策略包括交替垂直的扫描策略。

5.如权利要求1所述的不同孔径的透气模具钢的成型方法，其特征在于，每一所述打印层形成有多个孔径大小不同的第一孔或第二孔，且多个所述第一孔或所述第二孔间隔设置。

6.一种不同孔径的透气模具钢的成型装置，用于执行如权利要求1-5任一项所述的不同孔径的透气模具钢的成型方法，其特征在于，所述成型装置包括供料单元、激光器、成型室和动态聚焦模块；

所述供料单元用于将金属粉末铺设于所述成型室内；

所述激光器用于根据工艺参数朝向所述金属粉末发射激光，使得所述金属粉末熔化凝固并形成一对应的打印层，所述工艺参数包括所述激光的离焦值，所述打印层包括具有第一孔径的第一孔；

所述动态聚焦模块用于调整所述工艺参数中的所述离焦值，获得对应尺寸的激光光斑；

所述供料单元还用于将所述金属粉末重新铺设于当前所述打印层上；

所述激光器还用于根据调整后的所述工艺参数朝向所述金属粉末发射激光光束，使得所述金属粉末熔化凝固并在当前所述打印层上形成下一打印层，所述打印层包括具有第一孔径的第一孔，下一所述打印层包括具有第二孔径的第二孔，所述第一孔与所述第二孔连通且所述第一孔径不同与所述第二孔径。

7.如权利要求6所述的不同孔径的透气模具钢的成型装置，其特征在于，所述第一孔和所述第二孔的中心轴线重合。

8.如权利要求6所述的不同孔径的透气模具钢的成型装置，其特征在于，所述成型装置还包括控制单元，所述控制单元用于构建所述透气模具钢的三维模型数据，并将所述三维模型数据离散分割成逐层叠加的多个打印层模型；所述控制单元还用于规划用于打印每一所述打印层模型的工艺参数，并控制所述激光器根据对应的所述工艺参数打印出所述打印层。

9.如权利要求6所述的不同孔径的透气模具钢的成型装置，其特征在于，所述动态聚焦模块包括镜片组和驱动所述镜片组运动的电机以及聚焦镜，所述镜片组用于改变所述激光射向所述聚焦镜的入射角以改变所述打印层的离焦值。

10.如权利要求6所述的不同孔径的透气模具钢的成型装置，其特征在于，每一所述打印层形成有多个孔径大小不同的第一孔或第二孔，且多个所述第一孔或所述第二孔间隔设置。

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