CN117182106A - 一种无支撑激光选区熔化增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无支撑激光选区熔化增材制造方法，涉及增材制造技术领域，包括步骤：S1、在实体支撑区域逐层铺粉、打印；S2、对于包含悬垂面的粉层，加工悬垂区域，同时对实体支撑区域进行加工；包括步骤：S21、加工单层悬垂面；S22、重熔，使步骤S21中得到的悬垂层在激光扫描时形成稳定的连续熔池，并稳定凝固，成形连续的单层；S23、加工实体支撑区域；S3、成型缸下降一个层厚，铺粉；S4、重复步骤S2‑S3，直至悬垂结构具有预设厚度；S5、在实体支撑区域以及悬垂结构基础上继续进行逐层铺粉、打印。本发明能够实现小角度甚至水平面的无支撑打印，增加设计自由度，减少加工时间和工作量，减小后处理成本。

Description

一种无支撑激光选区熔化增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种无支撑激光选区熔化增材制造方法。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)即俗称的3D打印技术(3Dprinting)；与传统切削等加工技术不同，增材制造技术通过材料叠加实现零件制造，在航空航天、汽车、生物医疗、工业生产等方面具有广阔的应用前景。

激光选区熔化技术(Selective LaserMelting，SLM)/粉末床激光熔融技术(Laserpowderbed fusion，LPBF)是目前一种常用的增材制造技术，其原理是：通过将零件的三维CAD模型分割成预定厚度二维平面，将粉末平铺在基板上，激光选择性熔化粉床上的对应区域使粉末材料形成致密的零件截面；一层加工完成后将成型缸下降一个层厚，在上面铺下一层粉末并进行激光扫描，如此逐层铺粉、逐层加工二维截面直至三维零件完成。理论上任何复杂的空间几何形状都可以在切片后变为激光可以逐层扫描的截面信息，因此SLM技术理论上几乎不受零件复杂程度的制约，可实现高精度快速加工复杂零件。

但在SLM/LPBF过程中，复杂形状往往会导致出现悬垂/倾斜下表面，即零件的侧面/倾斜/悬垂下表面以下并没有之前成形的零件实体支撑，而是部分/直接暴露在下层的粉末之上。这部分表面因没有实体支撑，激光熔化时形成的熔池会因表面张力而存在团聚成液滴的趋势(球化)，且由于粉末颗粒的传热能力远低于连续实体，会影响熔池的散热和冷却，会导致加工失败。在实际打印过程中，对于向外倾斜角度超过一定阈值的下表面(一般为45°)需要在零件设计之外添加支撑结构，使熔池更容易稳定，并强化局部散热。

但是设置支撑结构会增加需要打印的体积/工作量，增加打印时间、材料和去除支撑结构后处理成本，且下表面质量往往会比较粗糙；此外，对于内流道、腔体等传统切削难加工的形状，相应位置的支撑结构也很难去除，对应的零件表面质量也很难通过后处理有效提升，这个问题也限制了3D打印的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种无支撑激光选区熔化增材制造方法，以解决现有技术所存在的上述问题，能够实现小角度甚至水平面的无支撑打印，增加设计自由度，减少加工时间和工作量，减小后处理成本，实现复杂形状的无支撑直接成形。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种无支撑激光选区熔化增材制造方法，包括以下步骤：

S1、在实体支撑区域进行逐层铺粉、打印；

S2、在包含悬垂面的粉层，加工悬垂结构，同时对实体支撑区域进行加工；具体包括步骤：

S21、加工单层悬垂面，控制激光能量的输入，使激光以低能量密度扫描所述悬垂区域及邻近区域的粉末，实现被激光照射的粉末表面升温或局部熔化，并控制激光能量的输入使粉层内的颗粒保持原有位置，既不显著蒸发又不完全熔化形成连续熔池，从而实现扫描区域粉末颗粒表面熔化或烧结，在粉末颗粒之间建立连接，形成疏松的悬垂层；其中，所述悬垂层完全覆盖待打印的零件截面；

S22、重熔，使用激光重新扫描所述步骤S21中包含的零件区域，使所述步骤S21中的悬垂层在激光的扫描后熔化形成稳定的连续熔池，并稳定凝固，成形连续的零件截面薄片；

S23、加工当前层剩余的实体支撑区域，并使所述悬垂结构与相邻的实体支撑区域连接，共同组成待加工的单层零件截面；

S3、成型缸下降一个层厚，铺粉；

S4、重复所述步骤S2至所述步骤S3，直至所述悬垂结构具有预设厚度；

S5、在所述实体支撑区域以及所述悬垂结构的基础上进行逐层铺粉、打印，以同步加工所述实体支撑区域以及所述悬垂结构，直至零件打印完成取出进行后处理。

优选的，在所述步骤S21中，采用降低激光功率、提升扫描速度和/或扩大激光光斑中的一种、两种或三种方案组合来控制激光能量的输入。

优选的，在所述步骤S21中，所述悬垂层仅覆盖待打印的零件截面，或者覆盖根据所述零件截面放大后的区域。

优选的，在所述步骤S22中，通过控制能量密度、扫描速度、扫描线间距和间隔时间，使所述步骤S21中的烧结层在激光的扫描后熔化形成稳定的连续熔池，并稳定凝固，成形连续的薄片。

优选的，在所述步骤S4中，重复1-20次所述步骤S2至所述步骤S3，直至所述悬垂结构的厚度能够为后续粉末扫描提供稳定的实体支撑。

优选的，在所述步骤S5之后，还包括步骤：

S6、继续完成零件打印，去除成型仓内粉末，将零件从基板上取下进行后处理。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明中在悬垂区域预先铺设粉末，在加工悬垂结构时，先用激光实现粉末表面熔化或烧结，在不干扰粉末原始位置的情况下，先在粉末颗粒之间建立连接形成比较疏松的悬垂层，然后进行重熔提升连接质量和致密度，形成连续的单层零件截面薄片；重复上述过程，使悬垂结构具有一定厚度后，形成近乎于实体的结构，然后即可使用常规方法进行后续的加工；本发明能够实现小角度甚至水平面的无支撑打印，增加设计自由度，减少加工时间和工作量，减小后处理成本，实现不依赖支撑结构的直接成形；同时还能够提升悬垂表面质量，提升产品性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例中无支撑激光选区熔化增材制造示意图；

图2为本发明实施例中零件逐层加工示意图。

图中：1-基板，2-倾斜悬垂结构，3-水平悬垂结构，4-实体支撑区域。

具体实施方式

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，显然，所描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。

本发明的目的是提供一种无支撑激光选区熔化增材制造方法，以解决现有技术所存在的上述问题，能够实现小角度甚至水平面的无支撑打印，增加设计自由度，减少加工时间和工作量，减小后处理成本，实现复杂形状的无支撑直接成形。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供一种无支撑激光选区熔化增材制造方法，主要包括以下步骤：

S1、采用现有通用的加工方式对零件的实体支撑区域4进行加工，即在实体支撑区域4进行逐层铺粉、打印，其中，打印即为对粉末材料进行激光扫描熔融成形，其为本领域的成熟现有技术，本实施例中便不再进行赘述；而且，需要注意的是，在实体支撑区域4逐层铺粉、打印的过程中，同样会在悬垂区域进行铺粉，直至悬垂区域的铺粉高度到达待加工的悬垂结构的底部高度；

进一步地，需要进行说明的是，本实施例中实体支撑区域4是指在基板1上由下至上逐层加工的区域，而悬垂区域则是与基板1之间留有间隙的区域，悬垂区域上可以加工倾斜悬垂结构2、水平悬垂结构3；

S2、在包含悬垂面的粉层，加工悬垂结构，同时对实体支撑区域4进行加工；具体包括步骤：

S21、加工单层悬垂面，控制激光能量的输入，使用激光以低能量密度扫描所述悬垂区域及邻近区域的粉末，具体为：通过降低激光功率、提升扫描速度、扩大激光光斑等方式，扫描悬垂区域及与其邻近区域(即同一零件切片的实体支撑区域4上与悬垂区域邻近的区域)，实现被激光照射的粉末表面升温或局部熔化；并控制激光能量的输入，保持粉层被照射后基本保持原有位置，既不显著蒸发又不形成连续熔池的情况下，实现粉末颗粒表面熔化或烧结，在粉末颗粒之间建立连接，形成比较疏松的悬垂层；其中，所述悬垂层完全覆盖待打印的零件截面；具体地，根据不同粉末材料和局部零件特征，本步骤加工区域需覆盖要打印的零件截面，既可以是仅覆盖待打印的零件截面区域，也可以是覆盖根据零件截面放大后的区域，加工区域多出来的部分比较疏松，打印完后去掉即可；

其中，低能量密度是相对于加工实体支撑区域4而言，能量密度较低，具体能量密度可以根据具体工作需要进行设置；

S22、重熔，使用激光重新扫描所述步骤S21中包含的零件区域，控制能量密度、扫描速度、扫描线间距和间隔时间，使所述步骤S21中的悬垂层在激光的扫描后熔化形成稳定的连续熔池，并稳定凝固，形成连续的零件截面薄片，该零件截面薄片位于悬垂区域的部分即为单层悬垂结构，多层悬垂结构层构成完整的悬垂结构；

S23、加工当前层剩余的所述实体支撑区域4，并使所述悬垂结构与相邻的实体支撑区域4连接，共同组成待加工的单层零件截面；

S3、成型缸下降一个层厚，铺粉；

S4、重复所述步骤S2至所述步骤S3，直至所述悬垂结构具有预设厚度，该预设厚度能够为后续粉末扫描提供稳定的实体支撑；其中，在重复步骤S2时，即先烧结后重熔，实现新一层粉末材料先建立表面连接(指不破坏粉层的颗粒位置，表面温度过高就会形成熔池液滴，达到蒸发温度粉末颗粒形成飞溅)，再重熔形成致密的单层，重熔过程的熔化深度要达到下层的位置以实现稳定连接，同时控制熔池体积和深度保证不破坏之前的结构；

S5、使用跟常规零件部分接近或相同的工艺加工悬垂区域和实体支撑区域4，即按正常打印工艺在实体支撑区域4以及悬垂结构的基础上继续进行逐层铺粉、打印，以同步加工所述实体支撑区域4以及所述悬垂区域，直至零件打印完成取出进行后处理。

在本实施例中，在所述步骤S4中，重复1-20次所述步骤S2至所述步骤S3，直至所述悬垂结构的厚度能够为后续粉末扫描提供稳定的实体支撑。

在本实施例中，在所述步骤S5之后，还包括步骤：

S6、继续完成零件打印，去除成型仓内粉末，将零件从基板1上取下。

本发明中在悬垂区域预先铺设粉末，在加工悬垂结构时，先用激光实现粉末表面熔化或烧结，在不干扰粉末原始位置的情况下，先在粉末颗粒之间建立连接形成比较疏松的悬垂层，然后进行重熔提升连接质量和致密度，形成致密的单层零件截面薄片；重复上述过程，使悬垂结构具有一定厚度后，形成近乎于实体的结构，然后即可使用常规方法进行后续的加工；本发明能够实现小角度甚至水平面的无支撑打印，增加设计自由度，减少加工时间和工作量，减小后处理成本，实现不依赖支撑结构的直接成形；同时还能够提升悬垂表面质量，提升产品性能。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种无支撑激光选区熔化增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、在实体支撑区域进行逐层铺粉、打印；

S2、在包含悬垂面的粉层，加工悬垂结构，同时对实体支撑区域进行加工；具体包括步骤：

S21、加工单层悬垂面，控制激光能量的输入，使激光以低能量密度扫描所述悬垂区域及邻近区域的粉末，实现被激光照射的粉末表面升温或局部熔化，并控制激光能量的输入使粉层内的颗粒保持原有位置，既不显著蒸发又不完全熔化形成连续熔池，从而实现扫描区域粉末颗粒表面熔化或烧结，在粉末颗粒之间建立连接，形成疏松的悬垂层；其中，所述悬垂层完全覆盖待打印的零件截面；

S22、重熔，使用激光重新扫描所述步骤S21中包含的零件区域，使所述步骤S21中的悬垂层在激光的扫描后熔化形成稳定的连续熔池，并稳定凝固，成形连续的零件截面薄片；

S23、加工当前层剩余的所述实体支撑区域，并使所述悬垂结构与相邻的实体支撑区域连接，共同组成待加工的单层零件截面；

S3、成型缸下降一个层厚，铺粉；

S4、重复所述步骤S2至所述步骤S3，直至所述悬垂结构具有预设厚度；

S5、在所述实体支撑区域以及所述悬垂结构的基础上进行逐层铺粉、打印，以同步加工所述实体支撑区域以及所述悬垂结构，直至零件打印完成取出进行后处理。

2.根据权利要求1所述的无支撑激光选区熔化增材制造方法，其特征在于：在所述步骤S21中，采用降低激光功率、提升扫描速度、扩大激光光斑中的任意一种、两种或三种方式来控制激光能量的输入。

3.根据权利要求2所述的无支撑激光选区熔化增材制造方法，其特征在于：在所述步骤S21中，所述悬垂层仅覆盖待打印的零件截面，或者覆盖根据所述零件截面放大后的区域。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的无支撑激光选区熔化增材制造方法，其特征在于：在所述步骤S22中，通过控制能量密度、扫描速度、扫描线间距和间隔时间，使所述步骤S21中的烧结层在激光的扫描后熔化形成稳定的连续熔池，并稳定凝固，成形连续的薄片。

5.根据权利要求1所述的无支撑激光选区熔化增材制造方法，其特征在于：在所述步骤S4中，重复1-20次所述步骤S2至所述步骤S3，直至所述悬垂结构的厚度能够为后续粉末扫描提供稳定的实体支撑。

6.根据权利要求1所述的无支撑激光选区熔化增材制造方法，其特征在于：在所述步骤S5之后，还包括步骤：

S6、继续完成零件打印，去除成型仓内粉末，将零件从基板上取下进行后处理。