CN118060563A - 一种基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法。包括以下步骤：采用分区打印方式，设置各层打印参数，每层打印的激光能量逐渐增加，激光扫描的能量满足完全熔化当前层与前一层能量要求，其中，首层打印为烧结层；通过实时监测打印区域的成型过程和温度场分布，动态调整激光打印参数控制激光能量密度，保证分区打印过程中降低当前打印层各区域的降低温度梯度，从而减少热应力和变形。该打印方法能够可控地调整不同层打印的激光参数，通过分区打印降低悬垂面打印的温度梯度，有效避免打印层发生翘曲和粘粉的问题，且使用在线监测设备可以监测层与层之间的熔融配合，实现无支撑的悬垂打印。

Description

一种基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法。

背景技术

金属粉末床熔融(LPBF)是当前制造金属零部件的主要3D打印方法之一，在航空航天、生物医疗等领域被广泛应用。在LPBF过程中，复杂的几何形状往往会出现无支撑的悬垂结构，即零件的悬垂下表面并没有成形的实体支撑，而是直接悬空在粉末之上。由于悬垂表面没有实体支撑，在打印过程中悬垂区域附近容易发生严重的缺陷，其中以浮渣和翘曲两个问题最为突出，严重的翘曲会造成后续铺粉和打印的失败。

现有的解决方法包括在打印的过程中在零件悬垂结构设计中添加支撑结构以抵抗热变形及刮刀铺粉时的作用力，打印完成后再通过机加工等手段去除支撑部分。但是一些超薄件、复杂的内流道等需要添加支撑打印时，会导致支撑难以去除甚至会破坏零件的结构，因此，无支撑打印也是金属粉末床熔融的加工难点之一。

现有技术如中国专利(CN114131050A)，其所采用的LPBF无支撑打印技术只能扫描打印与底座夹角小于45°的悬空构件，否则由于悬空构件与底座夹角过大，底座对悬空构件支撑力过小而发生浮渣和翘曲问题；其中，该专利通过实时调整激光功率P与激光扫描速度V的比值，控制激光束光斑直径Φ保持不变或者放大，保证激光参数变化带来的影响，从而省去支撑结构的添加。然而，该专利方法只适用于小角度悬垂面，因为小角度悬空构件只有较小的悬垂面，不会存在熔池下陷导致粘粉的情况，而大角度悬空构件则存在熔池下陷问题，该专利使用改变光斑大小的方式并不能使整个平面悬垂打印，难以保证前几层打印层之间的紧密配合，造成悬垂区域的翘曲和分层，导致悬垂下表面的熔渣和粘粉情况较为严重。

因此，对于悬垂构件与基座的倾斜角度大于45°的构件，现在的方法普遍需要添加支撑结构，这大大限制了SLM技术的应用范围。

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基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，该打印方法能够通过实时监测打印区域的成型过程和温度场分布，动态调整激光打印参数控制激光能量密度，保证分区打印过程中降低当前打印层各区域的降低温度梯度，从而减少热应力和变形。有效避免打印层发生翘曲和粘粉的问题，实现无支撑的悬垂打印。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，包括以下步骤：

在3D打印控制软件将当前打印层划分为若干区域，按序逐步激光打印各个划定的区域，按区域设置不同的激光参数，通过实时监测打印区域的成型过程和温度场分布，动态调整激光打印参数控制激光能量密度，保证打印过程中按序降低当前打印层各区域打印温度，降低各区域之间的温度梯度，使各区域冷却速度相同，减少热应力和变形；

随着打印层层数增加，激光能量逐渐增加，使激光扫描能量完全熔化当前层以及前一层能量，其中，首层打印为烧结层。

在一些实施方式中，打印时，先对基板粉末区域的打印粉末进行预热，得到预热打印粉末区域，再使用激光能量加热熔融所述预热打印粉末区域的打印粉末，实现激光打印。

在一些实施方式中，预热打印粉末区域，当完成一次激光加工后，使用热处理激光对无支撑悬垂面区域进行二次激光热处理加工，降低温度冷却梯度，减少热力应防止悬垂面翘曲。

在一些实施方式中，当完成首层打印后，控制激光能量，第二层打印层熔融穿透至所述首层并熔融至所述首层底面的上方。

在一些实施方式中，通过控制激光参数如降低激光功率，增加扫描速度减小激光能量密度。

在一些实施方式中，所述分区打印的步骤包括：在3D打印控制软件将当前打印层划分为若干区域，按序逐步激光打印各个划定的区域，使得按区域设置不同的激光参数。

在一些实施方式中，所述首层的打印厚度为20～40μm。

在一些实施方式中，所述激光打印的打印参数包括激光功率、扫描速度和扫描间距。

本发明一种基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法的有益效果：

(1)本发明的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，由于无支撑打印过程中的打印粉末在激光加热后散热不均匀且冷却温度梯度大，容易产生残余应力，本发明通过实时监测打印区域的成型过程和温度场分布，动态调整激光打印参数控制激光能量密度，采用分区打印降低当前打印层各区域的降低温度梯度，从而减少热应力和变形，有效避免打印层发生翘曲和粘粉的问题，有效提高了悬垂区域的组织结构，减缓区域间的固化速度差异，调整晶粒大小，影响打印粉末的微观结构和性能，提高打印件的稳定性和强度，能够无支撑打印悬垂结构。

(2)本发明的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，无需支撑结构，仅需调整激光打印参数就能有效地打印悬垂构件，成本低，并能打印各种薄型构件，适合大规模生产和应用。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的无支撑构件的示意图

图2是本发明具体实施方式的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法打印首层的示意图。

图3是本发明具体实施方式的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法在首层上打印后续层的示意图。

图4是本发明具体实施方式的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法打印完成后的示意图。

图5是本发明具体实施方式的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法首层区域划分的示意图。

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

本实施例公开的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，包括以下步骤：

采用分区打印方式，设置各层打印参数，每层打印的激光能量逐渐增加，激光扫描的能量满足完全熔化当前层与前一层能量要求，其中，首层打印为烧结层；

具体地，随着打印进程逐渐降低打印的温度，将激光能量逐渐减小至边缘区域，以避免边缘区域过热引起的热变形和翘曲，将激光能量集中在悬垂面的中心区域，这样可以确保中心区域足够热，有助于提高层间粘结强度，减少翘曲的发生。避免由于悬垂面的冷却温度梯度较大引起的热力应而发生翘曲和粘粉的问题。并且，首层为烧结层，表面平整，烧结层下表面的熔渣粘粉少，不影响下一层的打印。

通过实时监测打印区域的成型过程和温度场分布，动态调整激光打印参数控制激光能量密度，保证分区打印过程中降低当前打印层各区域的降低温度梯度，从而减少热应力和变形。

具体地，根据实验需求，调整激光，确保每个激光头在指定区域工作并保证实现随着打印进程逐渐降低激光打印温度，同时启动高速相机和红外热成像仪，实时监测无支撑打印区域的成型过程和温度场分布，以辅助调整激光的准确性。

本实施例中，打印时，先对基板粉末区域的打印粉末进行预热，得到预热打印粉末区域，再使用激光扫描所述预热打印粉末区域的打印粉末，实现激光打印。

具体地，打印粉末在被熔融时，先将打印粉末预热，使得真正激光熔融打印粉末时，打印粉末自身的温度与激光加热的温度差减少，避免打印粉末由于温差过大而导致打印的悬垂面容易发生翘曲等问题，保证平稳地进行打印，在首层打印中实时使用高速相机和红外热成像仪监控打印过程中的缺陷问题和无支撑打印区域的温度变化。通过红外热成像仪的温度场和残余应力分析，动态调整激光参数，以控制温度冷却速度，确保打印表面的残余应力较低，使首层打印层平整不会翘曲，有利于下一层的铺粉。

本实施例中，采用多激光系统加热熔融所述预热打印粉末区域，当完成一次激光加工后，使用热处理激光对无支撑悬垂面区域进行二次激光热处理加工，降低温度冷却梯度，减少热力应防止悬垂面翘曲。

具体地，多激光系统能进行多次激光扫描，当完成一次激光扫描后，通过观察一次激光后打印层的温度场，再进行二次热处理激光，使得打印层各区域之间的温度梯度能符合要求，确保整个打印层的冷却速度一致，同时可以使用减材激光对无支撑表面进行进一步精细加工，提高侧面和表面的质量。实际应用中，能根据实际需要增加激光加工的次数。

本实施例中，当完成首层打印后，控制激光能量，第二层打印层熔融穿透至所述首层并熔融至所述首层底面的上方。

具体地，通过调控打印第二层打印层的激光参数，使得打印第二层层熔融程度恰好穿透至首层而不穿到首层的下表面，这样一方面使得第二层打印层与首层能熔融结合，提高第二层打印层与首层的连接紧密性，避免悬垂区域容易出现下陷的问题，另一方面能避免首层下表面出现熔渣或下表面熔融过程中粘结了粉末，提高了打印的质量。还需持续自动监测当前打印层表面和温度变化，动态调整激光的参数，确保下一层打印成功。在确保首层还有当前打印成功后，可以根据打印的材料的不同设置合适的参数进行逐层打印，持续自动监测其表面和温度变化，直至打印成功。

本实施例中，

通过控制激光参数:降低激光功率，增加扫描速度减小激光能量密度。

具体地，为了更好地控制激光能量，通过调整激光参数，即激光扫描速度、激光功率来调整激光能量密度。

本实施例中，所述分区打印的步骤包括：在3D打印控制软件将当前打印层划分为若干区域，按序逐步激光打印各个划定的区域，使得按区域设置不同的激光参数。

具体地，为了准确且标准化地控制激光打印温度，通过软件准确地将当前打印层划分为若干区域，并通过软件按照划定的顺序快速地按序打印，实现进程有序地逐步进行，更利于控制激光随着进程逐渐降低打印温度。

本实施例中，所述首层的打印厚度为20～40μm。

具体地，通过控制首层的厚度，继而便于控制首层的激光打印参数，避免激光打印能量过高或过低的问题。

本实施例中，所述激光打印的打印参数包括激光功率、扫描速度和扫描间距。

实验效果验证：以表1所示的激光打印参数打印各层，其中表1中的打印参数为初始激光参数，随着打印进程，调整打印参数，具体地，

表1

层数	激光功率	扫描速度	扫描间距
				首层	20W	600mm/s	100μm
第一层	30W	600mm/s	100μm
				第二层	35W	500mm/s	100μm
第三层	40W	500mm/s	100μm
				后续层	60W	200mm/s	100μm

以实施例所述的步骤，对表1的打印参数进行操作，打印如图1所示的半梯形无支撑模型，先得到图2所示的首层打印效果，通过多激光技术以及在线监测技术实时控制，所打印的无支撑首层效果，其中首层下表面的熔渣和粘粉很少，以及首层平整不会翘曲，残余应力低，能够对抗下次铺粉刮刀的作用力，保证下一次的生产打印。接着继续打印，得到图3所示的第一层打印后的效果图，其中控制第一层激光参数，使得第二层和首层刚好重熔，之后通过多激光技术以及在线监测技术实时控制，保证第二层残余应力低不翘曲，最后得到图4所示的打印产品。

为了进一步地说明本发明激光分区打印的方式，下述以首层作为示例说明了分区域的操作方式，首层区域划分顺序如图5所示，以及对应的激光参数如表2所示：

表2

分区序号	激光功率	扫描速度	扫描间距
				1—13	20W	800mm/s	100μm
14—16	20W	700mm/s	100μm
				17—25	20W	600mm/s	100μm

首层分区打印步骤：确定悬垂面的分区大小需要考虑多个因素，包括材料特性、打印设备性能、几何形状、支撑结构等，分区参数设计时将激光能量逐渐减小至边缘区域，以避免边缘区域过热引起的热变形和翘曲，示例性地，首层悬垂面的尺寸为5mm×5mm，将悬垂面划分为5×5的小区域，即总共25个小区域，当分区打印时，相邻区域之间可能存在一些重叠区域，这些重叠区域有助于确保相邻区域之间的熔合，并减少可能的裂缝或界面问题。

本发明使用激光束对打印物件的特定区域进行加热，控制温度分布以及冷却速率，从而影响材料的微观结构和性能，通过局部加热和快速冷却的方式实现，进而调整材料的组织结构，减缓固化速度，改变晶粒大小，从而达到优化材料性能的目的。无支撑打印过程中，由于材料的快速凝固和收缩，容易产生残余应力。激光热处理可以通过控制温度梯度和冷却速率，减少打印物体表面和内部的残余应力，提高打印件的稳定性和强度。激光热处理可以使打印表面更加光滑和均匀。通过调整激光的焦点和扫描路径，可以消除打印过程中可能出现的瑕疵、孔洞或层间结合问题，从而提高打印件的表面质量和精度。

本发明解决了现有的LPBF无支撑打印技术悬垂面需要添加支撑、大角度悬垂面表面质量较差的问题。基于激光增减材LPBF设备，配备了六激光两光路系统、高速相机、红外热成像仪，可以分别对无支撑悬垂面进行多激光热处理应力、表面质量、温度场时空分布实时监测，调整了激光增减材过程中的温度梯度，以减轻热应力，通过所打印的无支撑悬垂面精度高、残余应力低。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

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)

1.一种基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

在3D打印控制软件将当前打印层划分为若干区域，按序逐步激光打印各个划定的区域，按区域设置不同的激光参数，通过实时监测打印区域的成型过程和温度场分布，动态调整激光打印参数控制激光能量密度，保证打印过程中按序降低当前打印层各区域打印温度，降低各区域之间的温度梯度，使各区域冷却速度相同，减少热应力和变形；

随着打印层层数增加，激光能量逐渐增加，使激光扫描能量完全熔化当前层以及前一层能量，其中，首层打印为烧结层。

2.根据权利要求1所述的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，其特征在于，打印时，先对基板粉末区域的打印粉末进行预热，得到预热打印粉末区域，再使用激光扫描熔融所述预热打印粉末区域的打印粉末，实现激光打印。

3.根据权利要求2所述的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，其特征在于，采用多激光系统加热熔融所述预热打印粉末区域，其中，当完成一次激光加工后，使用热处理激光对无支撑悬垂面区域进行二次激光热处理加工，降低温度冷却梯度，减少热力应防止悬垂面翘曲。

4.根据权利要求1所述的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，其特征在于，当完成首层打印后，控制激光能量，使第二层打印层熔融穿透至所述首层并熔融至所述首层底面的上方。

5.根据权利要求1所述的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，其特征在于，通过控制激光参数：降低激光功率，增加扫描速度减小激光能量密度。

6.根据权利要求1所述的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，其特征在于，所述首层的打印厚度为20～40μm。

7.根据权利要求1所述的基于激光增减材的粉末床无支撑打印方法，其特征在于，所述激光打印的打印参数包括激光功率、扫描速度和扫描间距。