CN117696915A - 通过3d打印降低机器人腿表面粗糙度的方法和工件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种通过3D打印降低机器人腿表面粗糙度的方法和工件。该方法包括构建待打印样品的三维模型，对三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；先通过第一激光束依次扫描各个切片层上的原料粉末进行熔化，凝固后形成样品实体；然后再通过第二激光束扫描样品实体位于第一激光束最后一次扫描所述切片层的一侧表面进行熔化，凝固后得到用于制备机器人腿的打印工件；第二激光束的能量密度大于第一激光束的能量密度。本申请提供的打印方法可以降低打印工件的表面粗糙度，避免后续抛光后处理工艺的使用，降低了生产周期和成产成本。
Description
技术领域
本申请涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及一种通过3D打印降低机器人腿表面粗糙度的方法和工件。
背景技术
激光粉末床熔融技术具有成形速度快、成形精度高和能够成形任意复杂结构等特点，因而在金属零部件的高性能、多功能设计和集成制造方面显示出巨大的潜力。然而，尽管这一技术可以实现复杂结构的成形，但其成形零部件的表面粗糙度仍达不到实际应用要求。这一问题在航空、医疗设备和汽车等领域尤为显著，因为这些领域通常对零部件的表面粗糙度要求更高。
针对这一问题，目前多采用后处理的方法对零部件表面进行抛光，需要将零部件经过多道工序，包括磨削、打磨、化学抛光等后处理工艺，以达到所需的表面粗糙度。这些后处理工艺虽然可以改善零件表面的粗糙度，但后处理工艺的使用不仅增加了制造成本，还延长了生产周期，降低了生产效率。而且，高端金属零部件通常具有复杂的结构，对于复杂结构的表面粗糙度后处理而言，存在工艺繁琐、加工难度大且成本高等缺点，因此，如何在打印过程中实现零部件表面粗糙度的管控，从而解决打印工件表面粗糙度差的问题值得关注。
发明内容
本申请提供一种通过3D打印降低机器人腿表面粗糙度的方法和工件。该方法可以降低打印工件的表面粗糙度。
具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：
本申请一方面提供了一种通过3D打印降低机器人腿表面粗糙度的方法，包括：
构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；
先通过第一激光束依次扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，凝固后形成样品实体；然后再通过第二激光束扫描所述样品实体位于所述第一激光束最后一次扫描所述切片层的一侧表面进行熔化，凝固后得到用于制备机器人腿的打印工件；所述第二激光束的能量密度大于所述第一激光束的能量密度。
可选地，所述第一激光束的能量密度为q，所述第二激光束的能量密度为Q，满足Q＝(2～18)q。
可选地，所述第二激光束的扫描次数为多次，所述第二激光束在相邻两次扫描所述样品实体表面的扫描路径之间的夹角为90°。
可选地，所述第一激光束在最后一次扫描所述切片层的扫描路径与所述第二激光束首次扫描所述样品实体表面的扫描路径之间的夹角为90°。
可选地，所述第一激光束的曝光时间为70～90μs，所述第二激光束的曝光时间为200～600μs。
可选地，所述第一激光束和/或所述第二激光束的功率为200～220W；扫描间距为100～120μm；点距为50～70μm。
可选地，所述原料粉末按照重量百分比计包括如下元素：C为0～0.003％，Ni为12.5～13％，Mn为0～2.00％，S为0～0.01％，P为0～0.02％，Cr为17.5～18％，Cu为0～0.50％，Mo为2.25～2.5％,余量为Fe。
可选地，所述原料粉末铺设的层厚为40～60μm。
本申请另一方面还提供了一种打印工件，由上述任一所述的打印方法打印得到。
可选地，所述工件的表面粗糙度Sa为1.93～9.93μm。
本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本申请提供了一种通过3D打印降低机器人腿表面粗糙度的方法和工件。该方法先通过第一激光束扫描原料粉末进行熔化形成样品实体，然后再通过第二激光束扫描样品实体位于第一激光束最后一次扫描切片层的一侧表面进行熔化，凝固后得到用于制备机器人腿的打印工件。通过将第二激光束的能量设置为大于第一激光束的能量密度，由此通过第二激光束对样本实体的表面进行烧结，可以使固态表面的残留粉末颗粒、球化颗粒及未能充分流动而产生的表面凸起重新转变为液态，利用高能量密度的第二激光束进行扫描可以加快金属液体的流速，使液态金属得到充分的扩展和延伸，促进工件表面层材料的均匀分布，从而降低工件的表面粗糙度，提升了打印工件的表面质量。
附图说明
图1为本申请一示例性实施例示出的打印方法的方法流程图。
图2为本申请一示例性实施例示出的第一激光束和第二激光束的扫描路径示意图。
图3为本申请实施例1～9和对比例1加工得到的打印工件的表面三维形貌图。
图4为本申请实施例1～9和对比例1加工得到的打印工件中与最后一次扫描的扫描路径平行方向的表面线粗糙度测试数据图。
图5为本申请实施例1～9和对比例1加工得到的打印工件的与最后一次扫描的扫描路径垂直方向的表面线粗糙度测试数据图。
图6为本申请实施例1～9和对比例1加工得到的打印工件表面的面粗糙度测试数据图。
图7为本申请实施例1～9和对比例1加工得到的打印工件表面的面粗糙度与能量密度的关系图。
具体实施方式
为了进一步理解本申请，下面将详细地对示例性实施例进行说明，需要说明的是，本申请的保护范围不受以下实施例的限制。在不冲突的情况下，下述实施例和实施方式中的技术特征可以相互结合。
如图1所示，本申请提供了一种通过3D打印降低机器人腿表面粗糙度的方法，包括：
S1、构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；
S2、先通过第一激光束依次扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，凝固后形成样品实体；然后再通过第二激光束扫描所述样品实体位于所述第一激光束最后一次扫描所述切片层的一侧表面进行熔化，凝固后得到用于制备机器人腿的打印工件；所述第二激光束的能量密度大于所述第一激光束的能量密度。
上述方案中，先通过第一激光束扫描原料粉末进行熔化形成样品实体，然后再通过第二激光束扫描样品实体位于第一激光束最后一次扫描切片层的一侧表面进行熔化，凝固后得到用于制备机器人腿的打印工件。通过将第二激光束的能量设置为大于第一激光束的能量密度，由此通过第二激光束对样本实体的表面进行烧结，可以使固态表面的残留粉末颗粒、球化颗粒及未能充分流动而产生的表面凸起重新转变为液态，利用高能量密度的第二激光束进行扫描可以加快金属液体的流速，使液态金属得到充分的扩展和延伸，促进工件表面层材料的均匀分布，从而降低工件的表面粗糙度，提升了打印工件的表面质量。
以打印机器人腿为例，对三维模型进行切片处理，可以从机器人腿靠近机器人脚的一端起，逐渐沿机器人腿的高度方向向上进行切片，形成多个切片层。其中，每个切片层的厚度即层高不做具体限制，可以根据实际生产需求进行任意调整。例如，厚度即层高可以在0.05mm-0.3mm之间的任一数值，但也并不限于此。需要说明的是，在其它实施例中，本申请制备得到的打印工件也并不仅限于用于制备机器人腿。例如：还可以用于制备机器人脚掌、手掌等部位，当然也并不仅限于于机器人领域，还可以用于制备任意机械领域中的任意机械结构。此外，原料粉末可以为经过熔化和凝固后具有一定硬度要求的粉末，例如金属粉末和非金属粉末中的至少一种。
在一个实施例中，所述第一激光束的能量密度为q，所述第二激光束的能量密度为Q，满足Q＝(2～18)q。由此，通过将第一激光束的能量密度和第二激光束的能量密度限定为上述范围，可以确保在第二激光束扫描的过程中，加快金属液体的流速，使液态金属得到充分的扩展和延伸，促进工件表面层材料的均匀分布，从而降低工件的表面粗糙度。避免第二激光束和第一激光束的能量密度相差过大导致样品实体被烧毁损坏，也避免第二激光束和第一激光束的能量密度相差过小导致金属液体无法得到充分扩展和延伸，使制备得到的工件的表面依然较为粗糙。
在一个实施例中，所述第二激光束的扫描次数为多次，所述第二激光束在相邻两次扫描所述样品实体表面的扫描路径之间的夹角为90°。
在一个实施例中，所述第一激光束在最后一次扫描所述切片层的扫描路径与所述第二激光束首次扫描所述样品实体表面的扫描路径之间的夹角为90°。在一个实施例中，所述第一激光束在相邻两个切片层之间的扫描路径的夹角为67°。
在一个实施例中，所述第一激光束的曝光时间为70～90μs，所述第二激光束的曝光时间为200～600μs。
在一个实施例中，所述第一激光束和/或所述第二激光束的功率为200～220W；扫描间距为100～120μm；点距为50～70μm。
上述涉及的扫描间距是指“激光束在扫描过程中相邻两条扫描路径之间的距离”，即也可以叫做扫描线间距。点距是指激光束相邻两个光斑中心之间的距离。
在一个实施例中，所述原料粉末按照重量百分比计包括如下元素：C为0～0.003％，Ni为12.5～13％，Mn为0～2.00％，S为0～0.01％，P为0～0.02％，Cr为17.5～18％，Cu为0～0.50％，Mo为2.25～2.5％,余量为Fe。
在一个实施例中，所述原料粉末铺设的层厚为40～60μm。由此，可以保证后一层原料粉末在融化时能够浸润前一层已熔化的原料粉末，提高相邻两层之间的层间结合强度。避免层厚过大，导致激光束无法穿透原料粉末而影响打印工件的质量。
需要说明的是，上述打印方法在成形设备中进行。例如成形设备可选择AM250激光熔融系统(Renishaw AM250)。具体地，该系统包括激光器和铺粉装置，铺粉装置可以将原料粉末由刮刀铺送到基板上，激光器发出激光束并按照预设的轨迹对原料粉末进行扫描，使粉末熔化后再经过冷凝得到打印工件。当然，成形设备的设备种类和型号也并不限于此。
本申请另一方面还提供了一种打印工件，由上述任一所述的打印方法打印得到。
在一个实施例中，所述工件的表面粗糙度Sa为1.93～9.93μm。
以下实施例1～12和对比例1采用的原料粉末均按照重量百分比计包括如下元素：C为0.001％，Ni为12.79％，Mn为1.44％，S为0.01％，P为0.01％，Cr为17.58％，Cu为0.15％，Mo为2.42％,余量为Fe。
实施例1
S1、构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；
S2、先通过第一激光束依次扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，凝固后形成样品实体；其中，第一激光束的功率为200W，相邻两个扫描路径之间的距离即扫描间距为110μm，扫描速度为750mm/s，层厚为50μm，曝光时间为80μs，点距为60μm，能量密度为48.5J/mm3；所述第一激光束在相邻两个切片层之间的扫描路径的夹角为67°；然后再通过第二激光束扫描所述样品实体位于所述第一激光束最后一次扫描所述切片层的一侧表面进行熔化，凝固后得到用于制备机器人腿的打印工件；其中，第二激光束的功率为200W，相邻两个扫描路径之间的距离即扫描间距为110μm，扫描速度为750mm/s，层厚为50μm，曝光时间为200μs，点距为60μm，熔融次数为1次，能量密度为97J/mm3，为第一激光束的2倍。所述第一激光束在最后一次扫描所述切片层的扫描路径与所述第二激光束扫描所述样品实体表面的扫描路径之间的夹角为90°。该实施例加工得到的打印工件简称“S200-1”。
实施例2
与实施例1的区别在于：第二激光束熔融的次数为2次，能量密度为194J/mm3，为第一激光束的4倍。第二激光束在相邻两次扫描样品实体表面的扫描路径之间的夹角90°(如图2所示)，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S200-2”。
实施例3
与实施例1的区别在于：第二激光束熔融的次数为3次，能量密度为291J/mm3，为第一激光束的6倍。第二激光束在相邻两次扫描样品实体表面的扫描路径之间的夹角90°，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S200-3”。
实施例4
与实施例1的区别在于：第二激光束熔融过程的激光曝光时间为400μs，能量密度为194J/mm3，为第一激光束的4倍。其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S400-1”。
实施例5
与实施例4的区别在于：第二激光束熔融的次数为2次，能量密度为388J/mm3，为第一激光束的8倍。第二激光束在相邻两次扫描样品实体表面的扫描路径之间的夹角90°，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S400-2”。
实施例6
与实施例4的区别在于：第二激光束熔融的次数为3次，能量密度为582J/mm3，为第一激光束的12倍。第二激光束在相邻两次扫描样品实体表面的扫描路径之间的夹角90°，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S400-3”。
实施例7
与实施例1的区别在于：第二激光束熔融过程的激光曝光时间为600μs，能量密度为291J/mm3，为第一激光束的6倍。其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S600-1”。
实施例8
与实施例7的区别在于：第二激光束熔融的次数为2次，能量密度为582J/mm3，为第一激光束的12倍。第二激光束在相邻两次扫描样品实体表面的扫描路径之间的夹角90°，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S600-2”。
实施例9
与实施例7的区别在于：第二激光束熔融的次数为3次，能量密度为873J/mm3，为第一激光束的18倍。第二激光束在相邻两次扫描样品实体表面的扫描路径之间的夹角90°，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“S600-3”。
对比例1
S1、构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；
S2、通过第一激光束扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，逐层成形后得到用于制备机器人腿的打印工件。其中，第一激光束的功率为200W，相邻两个扫描路径之间的距离即扫描间距为110μm，扫描速度为750mm/s，层厚为50μm，曝光时间为80μs，点距为60μm；该对比例加工得到的打印工件简称“Rf”。
测试例1
将实施例1～9和对比例1打印得到的316L不锈钢打印工件样品采用共聚焦显微镜对样品的表面形貌进行观测和测量，测量结果如图3所示。其中，共聚焦显微镜型号为基恩士VK-X100，采用表面粗糙度标准JIS B0601:2001(ISO4287:1997)，截止值λs为0.25，截止值λc为0.8，放大倍数为200倍。
如图3所示，通过测量各个打印工件的表面高度(沿打印工件的纵向最高点和最低点之间形成的高度差)，形成三维形貌图。通过对比可知，本申请实施例1-9采用高能量密度多次表面熔融工艺大大降低了打印工件的表面高度差。对比例1打印工件“Rf”的表面高度差为169.1μm，显然只采用第一激光束进行扫描时制备得到的打印工件的表面粗糙度较大。打印工件“S200-1～S200-3”的表面高度差为71～85μm。打印工件“S400-1～S400-3”的表面高度差为42.4～86.9μm。打印工件“S600-1～S600-3”的表面高度差为40.2～93.6μm。综上，在打印工件制备的过程中，当第二激光束的能量密度为第一激光束的能量密度的2-18倍时，制备得到的打印工件的表面高度差均在100μm以下，相对于打印工件Rf表面高度差有减小；当第二激光束的能量密度为第一激光束的能量密度的4-12倍时，制备得到的打印工件的表面高度差均在75μm以下，相对于打印工件Rf表面高度差有进一步减小；当第二激光束的能量密度为第一激光束的能量密度的12倍时，制备得到的打印工件的表面高度差均在45μm以下，相对于打印工件Rf表面高度差有明显减小。
测试例2
将实施例1～9和对比例1打印得到的316L不锈钢打印工件样品进行表面线粗糙度测试和面粗糙度测试，测试设备为共聚焦显微镜型号为基恩士VK-X100；测试结果如图4至图6所示。其中，线粗糙度测试和面粗糙度测试的测试方法以基本参数Ra来表征。其中，线粗糙度测试Ra所选择的区域和面粗糙度测试Ra所选择的区域不同。具体地，激光束扫描原料粉末进行熔化后形成熔池，线粗糙度测试Ra所选择的区域为熔池中沿熔池中心点形成的直线区域；面粗糙度测试Ra所选择的区域为熔池沿水平方向的整个表面。
Ra的计算公式如下所示：
其中，Ra是指算术平均高度，具体指所选择的区域中每一点的高度绝对值之平均值。
注：图4中平行方向的表面线粗糙度是指在测量线粗糙度测试Ra的过程中，测量方向与最后一次激光束扫描轨迹的方向平行。图5中垂直方向的表面线粗糙度是指在测量线粗糙度测试Ra的过程中，测量方向与最后一次激光束扫描轨迹的方向相垂直。
如图4所示，对比例1只采用第一激光束进行扫描时制备得到的打印工件Rf，其与最后一次激光束的扫描轨迹平行方向的线粗糙度Ra为9.5μm，而本申请实施例1-9采用高能量密度多次表面熔融工艺得到的工件粗糙度明显降低，最低为Ra＝1.56μm，降低了83.6％；如图5所示，对比例1只采用第一激光束进行扫描时制备得到的打印工件Rf，其与最后一次激光束的扫描轨迹垂直方向的线粗糙度Ra为8.7μm，而本申请实施例1-9采用高能量密度多次表面熔融工艺得到的工件粗糙度明显降低，最低为Ra＝1.84μm，降低了78.9％；如图6所示，对比例1只采用第一激光束进行扫描时制备得到的打印工件Rf，其面粗糙度Sa为9.93μm，而本申请实施例1-9采用高能量密度多次表面熔融工艺得到的工件粗糙度明显降低，最低为Ra＝1.93μm，降低了80.6％。图7表明了第二激光束的能量密度与粗糙度的关系，由此可知，本申请所使用的高能量密度多次表面熔融工艺，当第二激光束的能量密度限制在Q＝(4～12)q时，可以使固态表面的残留粉末颗粒、球化颗粒及未能充分流动而产生的表面凸起更加充分地熔融，加快金属液体的流速，使液态金属得到充分的扩展和延伸，有效的改善表面层的材料均匀分布，从而降低打印工件的表面粗糙度，提升了打印的表面质量。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种通过3D打印降低机器人腿表面粗糙度的方法，其特征在于，包括：
构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；
先通过第一激光束依次扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，凝固后形成样品实体；然后再通过第二激光束扫描所述样品实体位于所述第一激光束最后一次扫描所述切片层的一侧表面进行熔化，凝固后得到用于制备机器人腿的打印工件；所述第二激光束的能量密度大于所述第一激光束的能量密度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一激光束的能量密度为q，所述第二激光束的能量密度为Q，满足Q＝(2～18)q。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二激光束的扫描次数为多次，所述第二激光束在相邻两次扫描所述样品实体表面的扫描路径之间的夹角为90°。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一激光束在最后一次扫描所述切片层的扫描路径与所述第二激光束首次扫描所述样品实体表面的扫描路径之间的夹角为90°。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述第一激光束的曝光时间为70～90μs，所述第二激光束的曝光时间为200～600μs。
6.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述第一激光束和/或所述第二激光束的功率为200～220W；扫描间距为100～120μm；点距为50～70μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料粉末按照重量百分比计包括如下元素：C为0～0.003％，Ni为12.5～13％，Mn为0～2.00％，S为0～0.01％，P为0～0.02％，Cr为17.5～18％，Cu为0～0.50％，Mo为2.25～2.5％,余量为Fe。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料粉末铺设的层厚为40～60μm。
9.一种工件，其特征在于，由权利要求1至8任一项所述的方法打印得到。
10.根据权利要求9所述的工件，其特征在于，所述工件的表面粗糙度Sa为1.93～9.93μm。
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