CN117047131A - 一种3d打印方法、打印产品及打印装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种3D打印方法，包括如下步骤：准备原材料粉末，将基板装入选区激光熔化设备；三维模型进行切片分层处理，将数据导入到3D打印机内；选择多激光实时热处理扫描策略，并选择适用的打印参数；将原材料粉末平铺在基板上，首套激光系统开始扫描熔化原材料粉末的同时，后续激光系统跟随首套激光开始扫描，形成熔化层，直至该层扫描结束；控制基板下降至设定高度，在熔化层上重新铺设原材料粉末，再次扫描铺设的原材料粉末；重复上一步骤，直到打印完成；本申请能更高效地降低残余应力，对基板预热温度要求低，避免了表面高粗糙度、低打印精度等问题；不需要打印材料为了降低裂纹敏感度而调节材料化学成分。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔化增材制造技术领域，具体涉及一种3D打印方法、打印产品及打印装置，特别是用于3D打印中消除材料残余应力的方法。
背景技术
在3D打印过程中，由于过快的激光熔化与冷却，增材制造生产的可塑性材料零件内部将产生极大的残余应力，残余应力对增材制造零件有多方面的负面影响，极大的残余应力会使得零件翘曲，严重时，残余应力会使得零件在打印过程中出现裂纹，使得零件打印直接失败。
为了降低可塑性材料，例如合金，在增材制造过程中的残余应力以及开裂情况，现有的方法主要有激光重熔、升高基板温度以及调节合金成分：
（1）激光重熔：在现有的激光重熔的方法中，激光会首先在铺上原材料的粉床上扫描一遍得到熔覆层，待激光扫完该层后，再重新以设定的激光功率以及扫描速率对熔覆层进行再次扫描，从而降低残余应力。
（2）升高基板温度：此方法主要是为了降低凝固熔池到基板之间的温度差与梯度，从而降低熔池的冷却速率与残余应力。
（3）调节合金成分：通过调节合金成分，降低材料在增材制造过程中的裂纹敏感性，减少合金开裂情况。
然而，由于其技术本身限制，上述三类方法分别存在以下缺点：
（1）激光重熔：此技术方法在激光扫完某一层粉末之后，再重新使用激光在该熔覆层重新扫描；该方法有两个主要弊端，一方面是激光对每一层的两次扫描大幅度增加了生产时长，降低了生产效率；另一方面，现有的激光重熔技术再次扫描之前熔池已经凝固，再次扫描后凝固的固体重新熔化并再次凝固，这一再次凝固过程中熔池与基板之间的温度梯度仍然很大，导致较大的冷却速率，使得残余应力降低效果有限。
（2）基板加热：基板加热（≥300℃）虽然能在不降低生产效率的情况下有效降低残余应力，然而，基板温度过高对于机器内部光学系统、密封圈、过滤系统中的零件损害过大，目前很难找到耐200℃以上高温的这些构件，除此之外，过高的基板温度使得打印零件的表面粗糙度过高。
（3）调节合金成分：例如高温镍基合金，降低高温合金在打印过程中的裂纹敏感性的一个主要方式为降低主要强化析出相γ’的组成元素，然而，此方法会牺牲材料能达到的力学性能，如高温强度，限制了合金零件在服役过程中的使用寿命。
为了解决上述几种常用方法的缺点，并同时降低3D打印零件在生产后的残余应力以及开裂情况，提供一种3D打印方法、打印产品及打印装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印方法、打印产品及打印装置，可以显著降低3D打印零件的残余应力，并同时兼有高生产效率、低基板预热温度要求、广泛材料成分应用范围等优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种3D打印方法，包括如下步骤：
S1，准备原材料粉末，装入选区激光熔化设备的供粉腔内，将基板装入选区激光熔化设备，并通入保护气体；
S2，对所需打印零件的三维模型进行切片分层处理，将分层处理后的数据导入到3D打印机内；
S3，在3D打印机操作页面中，选择程序中预设好的多激光实时热处理扫描策略，调控两套以上的激光系统同时扫描，并根据不同原材料选择适用的打印参数；
S4，3D打印机开始打印，将原材料粉末平铺在打印舱的基板上，首套激光系统开始扫描熔化原材料粉末的同时，后续激光系统跟随首套激光开始扫描，形成熔化层，直至扫描结束；
S5，一层扫描结束后，系统控制基板下降至设定高度，在熔化层上重新铺设原材料粉末，两套以上的所述激光系统再次扫描铺设的原材料粉末；
S6，重复步骤S5，直到打印完成。
优选的一种方案，在步骤S1中，所述原材料粉末为合金粉末，包括但不限于镍基、钛基、铁基和铝基的一种或多种。
优选的一种方案，所述合金粉末以质量百分比计，包括但不限于以下组分：
Fe：0-95wt%； Co：0-26wt%；Ni：0-80wt%； Al：0-10wt%； Ti：0-95wt%； Cr：0-30wt%； Mo：0-30wt%； W：0-20wt%； Nb：0-7wt%； Ta：0-11wt%； B：0-0.1wt%； C：0-2wt%；Zr：0-8wt%； Hf：0-5wt%； Si：0-3wt%； V： 0-10wt%； O：0-0.2wt%； Sn：0-3wt%； Mn：0-3wt%。
优选的一种方案，在步骤S1中，所述保护气体包括但不限于氮气或氩气。
优选的一种方案，在步骤S3中，所述打印参数包括但不限于首套激光功率、首套激光扫描速率、首套激光离焦量、后续激光功率、后续激光扫码速率、后续激光离焦量、激光扫描间隔时长以及熔化层层厚。
优选的一种方案，在步骤S4中，在首套激光系统熔化的原材料粉末尚未凝固之前，后续激光系统在熔池凝固前进行一个实时的退火处理。
优选的一种方案，在步骤S4中，设定激光系统单次扫描某一层所需要的时间为t，多激光实时热处理扫描某一层的时间为t加上激光扫描间隔时长dt，由于后续激光系统紧跟首套激光系统进行扫描，因此，dt远小于t，激光系统扫描时间和每层单次扫描所需时间相仿，即t+dt≈t。
为了更好地更全面的对技术进行保护，本申请还包括一种3D打印产品，采用3D打印方法进行制造而成。
为了更好地更全面的对技术进行保护，本申请还包括一种3D打印装置，用于执行3D打印方法。
由于上述技术方案的运用，本申请与现有技术相比的有益效果在于：
本申请提供的一种3D打印方法、打印产品及打印装置，相较于现有的激光重熔技术，能更高效地降低残余应力，且生产效率远高于现有的重熔技术；多激光实时热处理技术对基板预热温度要求低，因此极小化了打印过程中对打印舱内设备的损伤，且避免了基板预热温度过高导致的表面高粗糙度、降低打印精度等问题；该方法也不需要打印材料为了降低裂纹敏感度而调节材料化学成分，从而不需要被迫降低材料原有的性能标准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种3D打印方法流程示意图；
图2为本发明的多激光实时热处理扫描示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
请参见图1和2，本申请提供一种3D打印方法，包括如下步骤：
S1，准备原材料粉末，所述原材料粉末为合金粉末，以质量百分比计，包括但不限于以下组分：
Co: 9.3wt%； Ni:余量； Al: 5.6wt%；
Ti: 0.7wt%； Cr: 8wt%； Mo: 0.5wt%；
W: 9.5wt%； Ta: 3.2wt%； B: 0.015wt%；
C: 0.07wt%； Zr: 0.01wt%； Hf: 1.4wt%；
装入选区激光熔化设备的供粉腔内，将基板装入选区激光熔化设备，并通入保护气体，保护气体为氮气或氩气；
S2，对所需打印零件的三维模型进行切片分层处理，将分层处理后的数据导入到3D打印机内；
S3，在3D打印机操作页面中，选择程序中预设好的多激光实时热处理扫描策略，调控两套以上的激光系统同时扫描，并根据不同原材料选择适用的打印参数，所述打印参数包括但不限于首套激光功率、首套激光扫描速率、首套激光离焦量、后续激光功率、后续激光扫码速率、后续激光离焦量、激光扫描间隔时长以及熔化层层厚；
具体参数如下：
首套激光功率：250W；首套激光扫描速率：1200mm/s；首套激光离焦量：0.15mm；后续激光功率：150W；后续激光扫码速率：1200mm/s；后续激光离焦量：0.15mm；激光扫描间隔时长：1ms；熔化层层厚：0.06mm；
S4，3D打印机开始打印，将原材料粉末平铺在打印舱的基板上，首套激光系统开始扫描熔化原材料粉末的同时，后续激光系统跟随首套激光开始扫描，形成熔化层，在首套激光系统熔化的原材料粉末尚未凝固之前，后续激光系统在该层熔池凝固前进行一个实时的退火处理，直至该层扫描结束；
S5，一层扫描结束后，系统控制基板下降至设定高度，在熔化层上重新铺设原材料粉末，两套以上的所述激光系统再次扫描铺设的原材料粉末；
S6，重复步骤S5，直到打印完成。
实施例二
本申请提供一种3D打印方法，包括如下步骤：
S1，准备原材料粉末，所述原材料粉末为合金粉末，以质量百分比计，包括但不限于以下组分：
Ti：余量； Al：6.0wt%； V：4wt%；
Fe：0.2wt%； C：0.1wt%；O：0.1wt%；
装入选区激光熔化设备的供粉腔内，将基板装入选区激光熔化设备，并通入保护气体，保护气体为氮气或氩气；
S2，对所需打印零件的三维模型进行切片分层处理，将分层处理后的数据导入到3D打印机内；
S3，在3D打印机操作页面中，选择程序中预设好的多激光实时热处理扫描策略，调控两套以上的激光系统同时扫描，并根据不同原材料选择适用的打印参数，所述打印参数包括但不限于首套激光功率、首套激光扫描速率、首套激光离焦量、后续激光功率、后续激光扫码速率、后续激光离焦量、激光扫描间隔时长以及熔化层层厚；
具体参数如下：
首套激光功率：200W；首套激光扫描速率：800mm/s；首套激光离焦量：0.10mm；后续激光功率：100W；后续激光扫码速率：800mm/s；后续激光离焦量：0.1mm；激光扫描间隔时长：5ms；熔化层层厚：0.04mm；
S4，3D打印机开始打印，将原材料粉末平铺在打印舱的基板上，首套激光系统开始扫描熔化原材料粉末的同时，后续激光系统跟随首套激光开始扫描，形成熔化层，在首套激光系统熔化的原材料粉末尚未凝固之前，后续激光系统在该层熔池凝固前进行一个实时的退火处理，直至该层扫描结束；
S5，一层扫描结束后，系统控制基板下降至设定高度，在熔化层上重新铺设原材料粉末，两套以上的所述激光系统再次扫描铺设的原材料粉末；
S6，重复步骤S5，直到打印完成。
实施例三
本申请提供一种3D打印方法，包括如下步骤：
S1，准备原材料粉末，所述原材料粉末为合金粉末，以质量百分比计，包括但不限于以下组分：
Fe：余量； Cr：19wt%； Ni：9wt%； C：0.05wt%；
装入选区激光熔化设备的供粉腔内，将基板装入选区激光熔化设备，并通入保护气体，保护气体为氮气或氩气；
S2，对所需打印零件的三维模型进行切片分层处理，将分层处理后的数据导入到3D打印机内；
S3，在3D打印机操作页面中，选择程序中预设好的多激光实时热处理扫描策略，调控两套以上的激光系统同时扫描，并根据不同原材料选择适用的打印参数，所述打印参数包括但不限于首套激光功率、首套激光扫描速率、首套激光离焦量、后续激光功率、后续激光扫码速率、后续激光离焦量、激光扫描间隔时长以及熔化层层厚；
具体参数如下：
首套激光功率：120W；首套激光扫描速率：500mm/s；首套激光离焦量：0.06mm；后续激光功率：50W；后续激光扫码速率：500mm/s；后续激光离焦量：0.06mm；激光扫描间隔时长：10ms；熔化层层厚：0.03mm；
S4，3D打印机开始打印，将原材料粉末平铺在打印舱的基板上，首套激光系统开始扫描熔化原材料粉末的同时，后续激光系统跟随首套激光开始扫描，形成熔化层，在首套激光系统熔化的原材料粉末尚未凝固之前，后续激光系统在该层熔池凝固前进行一个实时的退火处理，直至该层扫描结束；
S5，一层扫描结束后，系统控制基板下降至设定高度，在熔化层上重新铺设原材料粉末，两套以上的所述激光系统再次扫描铺设的原材料粉末；
S6，重复步骤S5，直到打印完成。
通过上述实施例来说明，此方法涉及到的3D打印机内将会调控两套或以上激光系统同时扫描，且后续激光会紧跟首套激光的扫描轨迹，在首套激光熔化的原材料粉末尚未凝固之前，后续激光系统到达该熔池处进行一个实时的退火处理，降低熔池的冷却速率，从而达到降低残余应力的效果。
假设激光系统单次扫描某一层所需要的时间为t，多激光实时热处理扫描某一层的时间仅需要t加上激光扫描间隔时长dt，由于后续激光系统是紧跟首套激光系统进行扫描，此处dt远远小于t，因此激光系统扫描时间和每层单次扫描所需时间几乎相等，即t+dt≈t。而对于现有的激光重熔技术，激光在扫描完整层后再重复扫描该层一次或若干次，激光扫描时间为n*t, n为重复扫描次数，因此，本发明提出的方法的生产效率远远高于现有的激光重熔技术。
除了生产效率的区别外，本发明提出的方法与现有的激光重熔技术对降低残余应力的效果也有明显区别，现有的激光重熔技术再次扫描之前熔池已经凝固，再次扫描后凝固的固体重新熔化并再次凝固，这一再次凝固过程中熔池与基板之间的温度梯度仍然很大，导致较大的冷却速率，使得残余应力降低效果有限，而在本发明提出的方法中，后续激光系统在该层熔池凝固前就进行了一个‘原位退火’，因此熔池的冷却速率大幅度下降，残余应力的消除效果显著。
除此之外，本发明中的多激光实时热处理技术对基板预热温度要求低，因此在打印过程中对打印舱内设备的损伤低，且避免了基板预热温度过高导致的表面高粗糙度等问题；该方法也不需要打印材料为了降低裂纹敏感度而调节材料化学成分，从而不需要被迫降低材料原有的性能标准。
综上所述，本发明提出的一种3D打印方法可以显著降低3D打印零件的残余应力，并同时兼有高生产效率、低基板预热温度要求、广泛材料成分应用范围等优点。
为了更好地更全面的对技术进行保护，本申请还包括3D打印产品及3D打印装置的技术方案，具体的包括一种3D打印产品，采用3D打印方法进行制造而成；一种3D打印装置，用于执行3D打印方法。
本发明的方法可以适用于不同的多激光3D打印系统（激光器≥2个），本发明中涉及的具体的多激光扫描间隔时长、首套激光与后续激光的具体扫描参数、激光空间分布（平顶分布或高斯分布）仅仅只是举例说明，并不是为了限定其具体参数数据，适用材料体系包括但不限于镍基、钛基、铁基、铝基等合金体系。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，准备原材料粉末，装入选区激光熔化设备的供粉腔内，将基板装入选区激光熔化设备，并通入保护气体；
S2，对所需打印零件的三维模型进行切片分层处理，将分层处理后的数据导入到3D打印机内；
S3，在3D打印机操作页面中，选择程序中预设好的多激光实时热处理扫描策略，调控两套以上的激光系统同时扫描，并根据不同原材料选择适用的打印参数；
S4，3D打印机开始打印，将原材料粉末平铺在打印舱的基板上，首套激光系统开始扫描熔化原材料粉末的同时，后续激光系统跟随首套激光开始扫描，形成熔化层，直至扫描结束；
S5，一层扫描结束后，系统控制基板下降至设定高度，在熔化层上重新铺设原材料粉末，两套以上的所述激光系统再次扫描铺设的原材料粉末；
S6，重复步骤S5，直到打印完成。
2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S1中，所述原材料粉末为合金粉末，包括但不限于镍基、钛基、铁基和铝基的一种或多种。
3.如权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，所述合金粉末以质量百分比计，包括但不限于以下组分：
Fe：0-95wt%； Co：0-26wt%；Ni：0-80wt%； Al：0-10wt%； Ti：0-95wt%； Cr：0-30wt%；Mo：0-30wt%； W：0-20wt%； Nb：0-7wt%； Ta：0-11wt%； B：0-0.1wt%； C：0-2wt%； Zr：0-8wt%； Hf：0-5wt%； Si：0-3wt%； V： 0-10wt%； O：0-0.2wt%； Sn：0-3wt%； Mn：0-3wt%。
4.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S1中，所述保护气体包括但不限于氮气或氩气。
5.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S3中，所述打印参数包括但不限于首套激光功率、首套激光扫描速率、首套激光离焦量、后续激光功率、后续激光扫码速率、后续激光离焦量、激光扫描间隔时长以及熔化层层厚。
6.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S4中，在首套激光系统熔化的原材料粉末尚未凝固之前，后续激光系统在熔池凝固前进行一个实时的退火处理。
7.如权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，在步骤S4中，设定激光系统单次扫描某一层所需要的时间为t，多激光实时热处理扫描某一层的时间为t加上激光扫描间隔时长dt，由于后续激光系统紧跟首套激光系统进行扫描，因此，dt远小于t，激光系统扫描时间和每层单次扫描所需时间相仿，即t+dt≈t。
8.一种3D打印产品，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项的3D打印方法进行制造而成。
9.一种3D打印装置，其特征在于，用于执行如权利要求1-7中任一项的3D打印方法。
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| CN202311309854.3A CN117047131A (zh) | 2023-10-11 | 2023-10-11 | 一种3d打印方法、打印产品及打印装置 |
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2023
- 2023-10-11 CN CN202311309854.3A patent/CN117047131A/zh active Pending
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