CN117921026A - 一种使用lpbf工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基材料技术领域，具体涉及一种使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法。该方法包括以下步骤：步骤一、创建所需超薄零件的三维模型；步骤二、将三维模型做分层处理；步骤三、将激光扫描规划路径信息文件导入打印机；步骤四、将所选金属粉末装载到打印机的工作台上，铺平后调整刮刀使得金属粉末均匀铺到成型缸上，以创建打印的第一层；步骤六、使打印机的成形仓内抽真空或填充惰性气体以构成保护成形过程气氛环境；步骤七、调整激光设备的激光焦点位置，使打印的激光焦点为正离焦，该方法通过使用正离焦激光来调控激光能量分布，进而优化熔池的穿透量，解决超薄零件的加工难题。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法。
背景技术
钛合金因其轻质、高强等优点逐渐被苹果等主要消费电子厂商所使用，用来做3C电子金属零部件，如苹果手表边框(如图1所示)，这些3C电子产品的关键金属零部件呈现尺寸小且结构复杂的特征，包括超薄壁厚(约0.5mm)、微小孔(孔径约1mm)以及复杂曲面等。然而，钛合金韧性好且散热能力较差，导致在加工具有微细结构特征钛合金零部件时，存在切削难度高、加工精度不足、对刀具损耗较大等难点。LPBF技术作为一种以微米级激光作为能量源的金属增材制造技术，可以一次性完成高精度和高可控性制造过程，克服了传统方法加工钛合金的局限性，为3C电子产品核心零部件的钛合金制造提供了重要的途径。
在LPBF工艺中，上百种激光参数对熔池形貌有很大的影响，其中之一为离焦量(defocusing distance,简称f),即打印平面与焦平面的距离。当前LPBF工艺均在焦平面上进行打印(f＝0)，但当激光的高斯能量分布的钟形曲线较窄、且无法有效实施光束整形时，想要获得较低的表面粗糙度则需要提高激光能量，从而进一步引起锁孔缺陷(keyholedefects)和表面氧化(surface oxidation)，导致成形失败。
此外，上情况下熔池穿透量过深(Penetrating Depth,简称DP，如图2所示)，如图3～4所示，熔池深度较大，会使表面粗糙度增加，对于LPBF薄壁金属的后处理(postprocessing)也极为不利，最终会导致超薄零部件成形难度增加、甚至失败。实验表明，在不同的离焦情况下，熔池的深度宽度如表1所示。
表1
当离焦量为0时熔池的深度为层厚的数10倍以上，而离焦量为5mm时熔池的深度仅为层厚的若干倍，可见，传统的打印超薄零件的离焦不能较好地打印出符合要求的零件。
中国专利(CN107876770A)发明了一种基于SLM工艺的带有薄壁结构的零件的增材制造方法，此方法提出对带有薄壁结构的零件中的薄壁结构部分添加工艺支撑，得到带有薄壁结构的零件的工艺模型，但是这种方法局限性也比较大，支撑的加入不仅对薄壁件的后续处理加工有很大的影响，也没有注意到常规打印熔池穿透量过深的问题，会导致上下表面质量欠佳
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，该方法能够在无法实施光束整形时，通过使用正离焦激光来调控激光能量分布，进而优化熔池的穿透量，解决超薄零件的加工难题。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
提供一种使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，包括以下步骤：
步骤一、创建所需超薄零件的三维模型；
步骤二、将所需成形超薄零件的三维模型做分层处理；
步骤三、设置每一层的零件成形的激光扫描规划路径信息文件导入打印机；
步骤四、将所选金属粉末装载到打印机的工作台上，铺平后调整刮刀使得金属粉末均匀铺到成型缸上，以创建打印的第一层；
步骤六、使打印机的成形仓内抽真空或填充惰性气体以构成保护成形过程气氛环境；
步骤七、调整激光设备的激光焦点位置，使打印的激光焦点为正离焦，打印时，激光以正离焦激光光束扫描金属粉末层。
在一些实施方式中，所述超薄零件为3C电子产品。
在一些实施方式中，步骤三中，所述激光扫描规划路径信息文件包括激光功率、扫描速度以及扫描间距。
在一些实施方式中，步骤六中，所述惰性气体包括氮气和/或氩气。
在一些实施方式中，步骤七中，所述激光设备的激光焦点位置使得打印的激光焦点为正离焦的步骤包括：
通过调整激光设备的扩束镜改变激光形成正离焦；或通过下降所述工作台到制定的距离，形成所述正离焦。
在一些实施方式中，在调整所述正离焦的过程中，还包括以下步骤：
实时观察加工区域的熔池形态、加工表面质量和加工速度；
在不同激光功率、扫描速度等条件下进行多次微调焦点位置，实现找到最佳的焦点位置；
在调整激光焦点位置时，同时调整激光功率、扫描速度、层厚等，以实现最佳加工效果；
记录最佳焦点位置。
本发明一种使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法的有益效果：
本发明的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，该方法采用对激光离焦的方式，使激光为正离焦(正向离焦)，对电子产品中超薄零部件、微小孔等核心零部件进行打印成形，此方法的基本原理在于采用正向离焦时，随着离焦距离的增加，光斑直径也增大，解决了高斯能量分布导致中央过热和外围粉末未能熔化的问题，从而将熔池模式从锁孔模式转变为传导模式，减少了熔池的穿透量，有效避免了因为激光能量过高导致氧化，表面质量差，以及由于熔池深度大导致翘曲的问题。
还提供一种超薄零部件，其特征在于，通过上述的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法制得。
附图说明
图1是3C电子金属零部件苹果手表边框的图片。
图2是f＝0的LPBF工艺的激光能量分布图。
图3是f＝0的激光扫描的熔池状态图。
图4是传统的激光扫描的重熔区状态图。
图5是本发明具体实施方式的聚焦平面、离焦平面的工作状态图。
图6是本发明具体实施方式的f＞0的激光扫描的熔池状态图。
图7是本发明具体实施方式的f＞0的激光扫描的熔深图。
图8是本发明试验例离焦量f＝5mm的激光扫描的打印表面SEM图以及粗糙度云图。
图9是本发明试验例离焦量f＝0mm的激光扫描的打印表面SEM图以及粗糙度云图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例
本实施例公开了使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，本实施例制作的零件为3C电子产品超薄零件，包括以下步骤：
步骤一、数字化设计：首先，需要进行数字化设计，使用计算机辅助设计(CAD)软件创建所需零件的三维模型；
步骤二、切片处理：通过专业分层软件将所需成形零件的三维模型做分层处理；
步骤三、参数设计：设置每一层的金属零件成形的激光扫描规划路径信息文件，包括激光功率、扫描速度、扫描间距等，成功后导入到机器中；
步骤四、准备工作台：准备打印工作台基板，作为打印的基座。基板通常需要在打印过程中保持稳定，并能够承受激光的热效应。
步骤五、材料装载：将所选金属粉末装载到打印机的工作台上，铺平后调整刮刀使得金属粉末可以均匀的铺到成型缸上，以创建打印的第一层；
步骤六、除氧阶段：待SLM设备的成形仓内被抽真空或充入氮气、氩气等惰性气体构成保护成形过程气氛环境；
步骤七、调整激光设备的激光焦点位置，使打印的激光焦点为正离焦(f＞0)；
具体地，检查激光设备，如果可以用扩束镜改变激光形成离焦条件，则通过扩束镜离焦环境，调整光斑大小到最佳参数进行实验打印；请参阅图5，若无法调整激光，则通过下降工作台到制定的距离，形成理想的离焦的环境进行实验打印；打印时，激光以正离焦激光光束扫描金属粉末层，请参阅图6～7，打印过程中，熔池深度较低。
步骤八、打印过程：工作缸带着基板和零件下降一定高度(约为30到50μm)，送粉缸则相对上升一段距离并由铺粉辊进行金属粉末铺展预置。再进行下个成形工作循环。
步骤九、冷却：在打印完成后，零件需要进行冷却。冷却的速度和方式可能对材料的性能产生影响
步骤十、后处理：一些零件可能需要额外的后处理步骤，例如热处理、机械加工、抛光等，以达到最终的外观和性能要求。
步骤十一、质量控制：进行质量控制测试，例如X射线检测、CT扫描等，以确保零件符合设计要求。
其中，焦点是激光束聚焦的地方，离焦操作涉及调整这个焦点的位置，调整激光焦点的位置以实现特定的加工效果需要根据机器及粉末的不同进行调整，不同的离焦操作步骤可能会因激光加工设备的型号和制造商而有所不同，下面是一些具体的激光离焦操作步骤：
确定大致焦点位置：根据加工材料的特性和加工要求，确定理想的焦点位置。通常，焦点位置在材料表面上方形成正离焦，以实现最佳的激光能量传递和加工效果。
调整焦距：使用激光加工设备上的焦距调整系统，调整激光焦点的位置。这通常涉及移动透镜或工作台，具体操作方式因设备而异。
观察加工效果：在调整焦点位置时，实时观察加工区域的效果。这可能包括检查熔池形态、表面质量和加工速度等方面。
通过试验微调参数：进行一系列试验，微调焦点位置并观察效果。这可以包括在不同激光功率、扫描速度等条件下进行多次试验，以找到最佳的焦点位置。
记录参数：一旦找到最佳的焦点位置，记录这些参数。这将有助于在将来的工作中保持一致性，并减少设置时间。
考虑其他工艺参数：在调整激光焦点位置时，还可以考虑其他工艺参数的优化，如激光功率、扫描速度、层厚等，以实现最佳的加工效果。
验证和质量控制：确保调整后的焦点位置不仅在实验中有效，而且符合质量标准。进行验证和质量控制测试，以确保加工的零件满足设计要求。
本发明的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，该方法采用对激光离焦的方式，使激光为正离焦(正向离焦)，对电子产品中超薄零部件、微小孔等核心零部件进行打印成形，此方法的基本原理在于采用正向离焦时，随着离焦距离的增加，光斑直径也增大，解决了高斯能量分布导致中央过热和外围粉末未能熔化的问题，从而将熔池模式从锁孔模式转变为传导模式，减少了熔池的穿透量，有效避免了因为激光能量过高导致氧化，表面质量差，以及由于熔池深度大导致翘曲的问题。
在负离焦的情况下，光束的会聚性提高了激光穿透的效率。即，当会聚激光束在材料内部更深处时，它会接近位于表面下方的焦平面，从而增加其强度，导致更深的熔池。正离焦的能源效率较低，但对热输入变化的敏感度也较低，从而实现更稳定的SLM过程。
效果验证：
为了进一步地说明本发明正离焦点对打印件的影响，设定了试验例和对比例，试验例与对比例的打印参数区别在于：试验例的激光离焦量为f＝5mm，对比例的激光离焦量为f＝0mm，其它加工参数相同。
图8是本发明试验例离焦量f＝5mm的激光扫描的打印表面SEM图以及粗糙度云图；图9是本发明试验例离焦量f＝0mm的激光扫描的打印表面SEM图以及粗糙度云图。
由图8和图9比较可知，离焦量f＝5mm打印件表面粗糙度显然比离焦量f＝0mm打印件表面粗糙度的低和表面光滑度高。可见，以正离焦量激光打印超薄零件能得到更好的表面。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)
1.一种使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、创建所需超薄零件的三维模型；
步骤二、将所需成形超薄零件的三维模型做分层处理；
步骤三、设置每一层的零件成形的激光扫描规划路径信息文件导入打印机；
步骤四、将所选金属粉末装载到打印机的工作台上，铺平后调整刮刀使得金属粉末均匀铺到成型缸上，以创建打印的第一层；
步骤六、使打印机的成形仓内抽真空或填充惰性气体以构成保护成形过程气氛环境；
步骤七、调整激光设备的激光焦点位置，使打印的激光焦点为正离焦，打印时，激光以正离焦激光光束扫描金属粉末层。
2.根据权利要求1所述的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，其特征在于，所述超薄零件为3C电子产品。
3.根据权利要求1所述的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，其特征在于，步骤三中，所述激光扫描规划路径信息文件包括激光功率、扫描速度以及扫描间距。
4.根据权利要求1所述的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，其特征在于，步骤六中，所述惰性气体包括氮气和/或氩气。
5.根据权利要求1所述的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，其特征在于，步骤七中，所述激光设备的激光焦点位置使得打印的激光焦点为正离焦的步骤包括：
通过调整激光设备的扩束镜改变激光形成正离焦；或通过下降所述工作台到制定的距离，形成所述正离焦。
6.根据权利要求1所述的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法，其特征在于，在调整所述正离焦的过程中，还包括以下步骤：
实时观察加工区域的熔池形态、加工表面质量和加工速度；
在不同激光功率、扫描速度等条件下进行多次微调焦点位置，实现找到最佳的焦点位置；
在调整激光焦点位置时，同时调整激光功率、扫描速度、层厚等，以实现最佳加工效果；
记录最佳焦点位置。
7.一种超薄零部件，其特征在于，通过权利要求1～6任一项所述的使用LPBF工艺增材制造超薄零部件的离焦调控成形方法制得。
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