CN116060634A - 一种低损伤缺陷高拉伸强度的3d熔丝打印件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属3D熔丝打印技术领域，公开一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法，包括以下步骤：对待加工对象进行三维建模，对三维模型进行分区及不同分区的打印路径；按照打印路径，采用电弧熔丝增材3D打印工艺进行相应的组合加工，进而获得低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件。本发明通过对于待加工对象建模后，根据待加工对象的结构特点，对其采用不同的打印路径进行打印，通过“川”、“弓”、“井”、“填充+边框”和“田”等路径的组合，能够满足不同结构、不同尺寸的材料的打印，进而突破了不同特性合金在3D熔丝打印中的技术瓶颈，解决了特种合金热熔‑冷却的晶体组织金相过渡难题。

Description

一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法

技术领域

本发明涉及金属3D熔丝打印技术领域，尤其涉及一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法。

背景技术

3D打印技术近些年逐步兴起，尤其在玻璃/塑料/尼龙等领域发展较为迅速，但金属领域特别是特种合金由于其本身的晶粒组织和力学性能影响，3D打印技术难以获得突破，难以实现高质量的金属制件。即使以现有的设备及工艺打印，也极易出现打印样件断裂/失控形变/局部热量不均导致的微裂纹/断面接口存在熔池真空等质量问题，这些问题影响了产品的推广应用和产业的良性发展。

为此，本发明提供一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法。

本发明的一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法是通过以下技术方案实现的：

一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，建模：对待加工对象进行三维建模，获得三维模型；

步骤2，分区及不同分区的打印路径：

对于结构规整且厚度≤10mm的待加工对象而言，由于其整体处于同一平面的特征，将其沿其长度方向上分割为处于同一平面的若干个相互平行的区域，并对每个区域进行切片获得对应的轮廓，然后沿待加工对象的长度方向，依次将各个轮廓填充完整，由此获得“川”型打印路径；

对于结构规整且厚度＞10mm的待加工对象而言，沿其高度方向上分割为不同水平面的若干个相互平行的区域，并对每个区域进行切片获得对应的内外轮廓，然后沿待加工对象的高度方向，依次将各个内轮廓和外轮廓填充完整，由此获得“填充+边框”型打印路径；

对于结构不规整的待加工对象而言，根据其纵向结构特征，将划分为若干个相互独立的区域，以便于分别对各个区域进行打印操作，由此获得“田”型打印路径；然后，按照每个区域高度方向上横截面的变化，分别将每个区域分割为若干层子区域，其中，由下至上打印过程中，奇数层的子区域采用横向打印，偶数层的子区域采用纵向打印，以通过相邻的两层子区域间采用不同的打印工艺增加打印体在不同方向上的抗拉各项同性，由此获得“井”型打印路径；

步骤3，按照步骤2的打印路径，采用电弧熔丝增材3D打印工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件。

进一步地，所述待加工对象采用的金属丝材为铝、钛、镁和钛合金中的任意一种。

进一步地，当采用钛合金为金属丝材原料进行3D熔丝打印时，其主要工艺参数为：

电流为150～250A，弧压为10～14V，电离氩气流速10～14L/min，速度1500～2500mm/min。

进一步地，步骤2中，对于结构规整且厚度>10mm的待加工对象而言，采用“弓”字型路径或“川”字型路径将各个内轮廓填充完整。

进一步地，步骤2中，在沿待加工对象的高度方向填充各个内轮廓时，相邻的两个内轮廓的加工路径的打印方向互相垂直。

进一步地，所述“川”型打印路径中，打印路线按照直线行走，从打印区的一端直线行走至另一端后熄弧停止，然后重新起一平行行起弧打印，打印路线之间是平行的。

进一步地，所述“弓”字型路径中，打印路线从打印区的一端直线行走至另一端后，不进行熄弧，直角拐弯后继续进行直线行走。

本发明的第二个目的是提供一种上述制备方法制备的低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明通过对于待加工对象建模后，根据待加工对象的结构特点，对其采用不同的打印路径进行打印，通过“川”、“弓”、“井”、“填充+边框”和“田”等路径的组合，能够满足不同结构、不同尺寸的材料的打印，进而突破了不同特性合金在3D熔丝打印中的技术瓶颈，解决了特种合金热熔-冷却的晶体组织金相过渡难题。在打印速度上是激光选区融化的粉末成型打印20倍以上的效率，其次可以不受设备的限制进行大尺寸零部件的增材制造。

本发明的方法能够避免金属粉末打印的微观气孔等组织缺陷，且能够避免两项合金及多项合金的熔池偏析现象，提高二次熔池金相组织均匀化程度；同时，提高了打印产品的组织性能并避免了打印边界的融合缺陷。

本发明实现了特种合金具备低损伤缺陷高力学特性的优异属性，是其具备了航空航天/医疗植入等高端领域的推广应用。

本发明显著提高了制品合格率，避免了金属冷却裂损的重大质量问题。

本发明杜绝了传统打印技术路线中的熔池盲区及打印盲区，使得打印空心/拐角空洞/边界塌坠现象得以杜绝。

本发明制备的特种合金具有力学性能各向同性。由于科学合理的熔池溶液导向及分层堆叠工艺，使得金属制品在不同向位的力学性能保持一致，比如X/Y/Z轴向的延伸率和抗拉强度一致。

本发明的方法增加了材料利用率。比起激光选区打印技术原材料50％利用率而言，此工艺技术材料利用率达到了75％-80％。

传统的粉末打印过程中，每一个零部件在打印过程当中的，都需要有支撑结构，也就是在打印的时候需要先设计打印零部件的支撑结构，打印完成，第一个工艺就是去支撑，所以会去掉和浪费掉至少30-50％的材料。但是，本发明的3D熔丝打印过程中，所有的丝材完全用于零部件的增材上，无需支撑材料设计，材料利用率远高于粉末打印，本发明生产效率显著提高。激光选区打印技术约0.2KG/h，此工艺技术月1.0-5.0KG/h，生产效率提高至少5-20倍。

附图说明

图1为“川”型打印路径的示意图；

图2为“弓”型打印路径的示意图；

图3为实施例2钱币模型的结构示意图；

图4为对实施例2进行分区的示意图。

具体实施方式

本发明考虑到熔丝打印过程中会产生大量的热能，这些热能的分布引起打印体的热应力呈非均性分布，从而引起打印件的性能差异化而品质收到不利影响。且现有技术中，3D熔丝打印是采用相同的工艺一层紧接着一层打印的，但是打印过程中，由于打印体的形状变化，比如有空心和变径情况，单一的一圈一圈打印路径不适合复杂件、异形件的打印过程，而且现有的每一层的一圈圈打印过程会引起打印面高度不均、熔丝精度不高等不利因素。为此，提供一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法，且下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，建模：对待加工对象进行三维建模，获得三维模型；

需要说明的是，本发明不限制待加工对象采用的金属丝材，可选自铝、钛、镁和钛合金中的任意一种。且当采用钛合金为金属丝材原料进行3D熔丝打印时，其主要工艺参数为：电流为150～250A，弧压为10～14V，电离氩气流速10～14L/min，速度1500～2500mm/min。

步骤2，分区及不同分区的打印路径：

对于结构规整且厚度≤10mm的待加工对象而言，由于其整体处于同一平面的特征，将其沿其长度方向上分割为处于同一平面的若干个相互平行的区域，并对每个区域进行切片获得对应的轮廓，然后沿待加工对象的长度方向，依次将各个轮廓填充完整，由此获得“川”型打印路径；

对于结构规整且厚度＞10mm的待加工对象而言，沿其高度方向上分割为不同水平面的若干个相互平行的区域，并对每个区域进行切片获得对应的内外轮廓，然后沿待加工对象的高度方向，依次将各个内轮廓和外轮廓填充完整，由此获得“填充+边框”型打印路径；

对于结构不规整的待加工对象而言，根据其纵向结构特征，将划分为若干个相互独立的区域，以便于分别对各个区域进行打印操作，由此获得“田”型打印路径；然后，按照每个区域高度方向上横截面的变化，分别将每个区域分割为若干层子区域，其中，由下至上打印过程中，奇数层的子区域采用横向打印，偶数层的子区域采用纵向打印，以通过相邻的两层子区域间采用不同的打印工艺增加打印体在不同方向上的抗拉各项同性，由此获得“井”型打印路径；

步骤3，按照步骤2的打印路径，采用电弧熔丝增材3D打印工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件。

本发明考虑到打印件的大小、打印舱体大大小、打印体的功能属性需要综合性考虑，为此，本发明的制备方法能够通过目前通用型打印体和特种型打印体即可实现本发明的制备工艺，以实现不同大小规格、角度形状、空心变径等的打印件的高效精准打印。

需要说明的是，上述川型打印路径和弓型打印路径区别在于行走的路径不同，如图1所示，川型路径是打印路线按照直线行走，没有转折拐弯，从打印区的一端直线行走至另一端后熄弧停止，然后重新起一平行行起弧打印，路径是平行的。如图2所示，弓型打印路径是有直角拐弯的行走路径，在打印中转折拐弯没有熄弧和熄弧的中断过程。

实施例1

本实施例将以飞机机翼为例，对本发明上述制备步骤逐一进行具体解释说明：

步骤1，建模

对作为待加工对象的飞机机翼进行三维建模，获得飞机机翼对应的三维模型；

步骤2，分区及不同分区的打印路径：

为了避免打印材料中各组分合金之间发生熔池偏析现象，本发明根据机翼的不同厚度和形状，将机翼的翼尖和翼身分别划分为区域A和区域B，分别对区域A和区域B进行打印。

对于翼身而言，其结构主要为平面结构且厚度＞10mm，因此，本发明将翼身对应的区域B进行重新划分，沿区域B的高度方向上，将区域B分割为不同水平面的若干个相互平行的子区域，并对每个子区域进行切片获得对应的内外轮廓，然后沿翼身的高度方向，依次将各个内轮廓和外轮廓填充完整，由此获得“填充+边框”型打印路径。

其中，为了避免现有技术中采用单一“一圈一圈打印路径”造成打印件热应力呈非均性分布，导致打印件的性能差异化的情况发生，本发明在由下至上依次对各个上述相互平行的子区域进行打印时，对于奇数层的子区域采用如图1所述的“弓”型路径将相应的内轮廓填充完整，对于偶数层的子区域采用如图2所示的“川”型路径将相应的内轮廓填充完整；或者对于奇数层的子区域采用如图2所示的“川”型路径将相应的内轮廓填充完整，对于偶数层的子区域采用如图1所述的“弓”型路径将相应的内轮廓填充完整，且在打印过程中，使相邻的两层“川”型路径和“弓”型路径的打印方向垂直，从而使得相邻的两层子区域间采用不同的打印工艺增加打印体在不同方向上的抗拉各项同性，从而使得打印获得的翼身在不同向位的力学性能保持一致。

对于翼尖而言，需要在翼身的基础上进行打印，且本发明考虑到翼尖在同一水平面上不同区域的结构不同，且沿其高度方向上横截面的变化不同，故本发明首先将翼尖对应的区域A根据其纵向结构特征，将区域A划分为若干个相互独立的子区域，以便于分别对各个区域进行打印操作，由此获得“田”型打印路径；然后，按照每个区域高度方向上横截面的变化，分别将每个区域分割为若干层子区域，然后由下至上依次根据各个子区域的轮廓进行填充，从而能够避免传统打印过程中打印盲区的出现，能够根据每一个子区域的结构特点依次进行打印，从而科学合理的进行分层堆叠进行打印。且本发明为了提高翼尖的力学性能各向同性，在由下至上的打印过程中，奇数层的子区域采用横向打印，偶数层的子区域采用纵向打印，也就是，使得相邻的两层子区域采用不同的打印方式，通过使相邻的两层子区域的打印方向垂直，从而获得“井”型打印路径，以增加打印体在不同方向上的抗拉各项同性，从而使得打印获得的翼身在不同向位的力学性能保持一致。

实施例2

本实施例以特种Ti-Zr合金打印件为例，对本发明上述制备步骤逐一进行具体解释说明：

步骤1，建模

本实施例1以如图3所示的钱币作为待加工对象，对其进行三维建模，获得钱币三维模型；

步骤2，分区及不同分区的打印路径：

本发明考虑到钱币存在不同角度、形状、以及空心结构等特点，且其在同一水平面上的不同区域具有不同的结构，故以“X”型的方式将钱币模型划分为四个区域，如图4所示，其中“1、2、3、4”分别表示四个不同的区域，即对钱币模型执行“田”型打印路径。然后，分别沿四个区域的高度方向，分别将每个区域分割为若干层子区域，然后分别对各个子区域进行切片，获得各个子区域的内外轮廓，对其外轮廓根据其结构进行单独打印一圈，然后采用“弓”型打印路径将其内轮廓进行填充，且在由下至上打印过程中，奇数层的子区域采用的“弓”型打印工艺沿着横向打印，偶数层的子区域采用的“弓”型打印工艺沿着纵向方向打印，从而通过相邻的两层子区域间采用不同的打印工艺增加打印体在不同方向上的抗拉各项同性。

本实施例在1950℃的条件下，通过上述步骤结合电弧熔丝增材3D打印工艺进行相应的组合加工，从而使得不同时间段打印的冷却熔池热导相统一，使得不同打印界面的金属熔池相互影响及融合，进而提高了力学性能的均匀性和一致性，避免了传统打印技术的质量缺陷叠加性和一致性造成的工件异常。

需要说明的是，在实际操作中，可以将上述的飞机机翼的三维模型或钱币的三维模型导出为以二进制形式存储的表征模型表面信息的STL文件，读取该STL文件中面片的坐标和矢量信息，然后按照上述步骤进行分区，划分区域或/和子区域，然后分层切片(可以根据STL文件中面片的坐标和矢量信息，将面片按Z坐标由小到大进行排序，然后按照Z坐标的层厚方向上进行切片)和路径规划，可以得到以有序点云表示的打印路径，并对获得的打印路径进行机器人语言的转化，得到机器人运动打印指令。接着，将所述的机器人运动打印指令导入机器人控制平台，采用合适的工艺参数进行各个分区部分的电弧熔丝3D打印制造。比如，在上述飞机机翼或钱币的打印过程中，按照本发明的一个优选实施例，以钛合金为金属丝材原料进行3D熔丝打印，且基于以下工艺参数来进行：电流为150～250A，弧压为10～14V，电离氩气流速10～14L/min，速度1500～2500mm/min。

当打印完一部分之后，通过变位机变换构件到合适的位置，重复以上步骤进行下一部分的打印，直至获得最终产品。

本发明通过对于待加工对象建模后，根据待加工对象的结构特点，对其采用不同的打印路径进行打印，通过“川”、“弓”、“井”、“填充+边框”和“田”等路径的组合，能够满足不同结构、不同尺寸的材料的打印，进而突破了不同特性合金在3D熔丝打印中的技术瓶颈，解决了特种合金热熔-冷却的晶体组织金相过渡难题。在打印速度上是激光选区融化的粉末成型打印20倍以上的效率，其次可以不受设备的限制进行大尺寸零部件的增材制造。且本发明的3D熔丝打印过程中，所有的丝材完全用于零部件的增材上，无需支撑材料设计，材料利用率远高于粉末打印，本发明生产效率显著提高。激光选区打印技术约0.2KG/h，此工艺技术月1.0-5.0KG/h，生产效率提高至少5-20倍。

显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建模：对待加工对象进行三维建模，获得三维模型；

步骤2，分区及不同分区的打印路径：

对于结构规整且厚度≤10mm的待加工对象而言，由于其整体处于同一平面，沿其长度方向上，将其分割为处于同一平面的若干个相互平行的区域，并对每个区域进行切片获得对应的轮廓，然后沿待加工对象的长度方向，依次将各个轮廓填充完整，由此获得“川”型打印路径；

对于结构规整且厚度＞10mm的待加工对象而言，沿其高度方向上分割为不同水平面的若干个相互平行的区域，并对每个区域进行切片获得对应的内外轮廓，然后沿待加工对象的高度方向，依次将各个内轮廓和外轮廓填充完整，由此获得“填充+边框”型打印路径；

对于结构不规整的待加工对象而言，根据其纵向结构特征，将划分为若干个相互独立的区域，以便于分别对各个区域进行打印操作，由此获得“田”型打印路径；然后，按照每个区域高度方向上横截面的变化，分别将每个区域分割为若干层子区域，并对每层子区域进行切片获得对应的轮廓，然后由下至上依次对各个轮廓进行打印；且打印过程中，奇数层的子区域采用横向打印，偶数层的子区域采用纵向打印，由此获得“井”型打印路径；

步骤3，按照步骤2的打印路径，采用电弧熔丝增材3D打印工艺进行相应的组合加工，进而获得所需的低损伤缺陷高拉伸强度的3D熔丝打印件。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述待加工对象采用的金属丝材为铝、钛、镁和钛合金中的任意一种。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当采用钛合金为金属丝材原料进行3D熔丝打印时，其主要工艺参数为：

电流200A，弧压12V，电离氩气流速12L/min，速度2000mm/min。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，对于结构规整且厚度>10mm的待加工对象而言，采用“弓”字型路径或“川”字型路径将各个内轮廓填充完整。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，在沿待加工对象的高度方向填充各个内轮廓时，相邻的两个内轮廓的加工路径的打印方向互相垂直。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述“川”型打印路径中，打印路线按照直线行走，从打印区的一端直线行走至另一端后熄弧停止，然后重新起一平行行起弧打印，打印路线之间是平行的。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述“弓”字型路径中，打印路线从打印区的一端直线行走至另一端后，不进行熄弧，直角拐弯后继续进行直线行走。

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