CN211304779U - 激光选区熔化成形多层薄壁件、支撑件以及成形中间体 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光选区熔化成形多层薄壁件、支撑件以及成形中间体。其中，所述多层薄壁件包括径向相邻的至少两薄壁，每一所述薄壁的壁厚范围为0.5mm‑2mm，相邻的两薄壁之间限定径向环形空间，所述支撑件包括支撑环体，位于所述径向环形空间，所述支撑环体的整周地填充所述径向环形空间，与形成所述径向环形空间的两薄壁在径向的间隙为0.2mm‑1mm，非接触地支撑所述两薄壁。上述支撑件以及成形中间体具有使得成形的零件表面质量好、合格率高等优点。

Description

激光选区熔化成形多层薄壁件、支撑件以及成形中间体

技术领域

本实用新型涉及增材制造领域，尤其涉及一种激光选区熔化成形多层薄壁件、支撑件以及成形中间体。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing)技术被预测为可能引发“第三次工业革命”的关键技术之一，相比于传统加工工艺，具有材料利用率高、设计自由度高、成形精度高、表面质量好等多重优势。根据原材料的送进形式不同，增材制造可分为基于粉末床和材料同步送进两种形式，其中粉末床式增材制造的典型代表之一是激光选区熔化(selectivelaser melting)技术。其主要技术原理为：将待加工的零件三维数字模型进行逐层分割，输入到成形设备中；将基板固定在成形平台上，并进行调平，利用铺粉机构(通常为刮板或粉辊)进行单层铺粉，利用一束或多束激光/电子束，对铺放好的单层粉末进行选区熔化，实现由点到线，由线到面的成形过程；待一层成形完后成形平台下降一定高度，进行下一层铺粉及选区熔化成形，最终实现了由面到体的成形过程，由此获得最终零件，特别适合于航空航天等高附加值行业。

激光选区熔化成形技术通常用于具有复杂结构的零件，例如具有部分或者大量薄壁结构、管路结构、小微结构等特殊结构，这一方面充分利用了激光选区熔化成形技术优势，实现一体化异形复杂结构的一次成形，特别适合于航空航天等高附加值行业，但另一方面也对激光选区熔化成形工艺带来了一定技术难题。例如，薄壁、尖角或其他特殊结构，在铺粉过程中受到铺粉过程扰动或者由于不断积累的热应力作用下容易产生变形。当变形为弹性变形时，局部结构特征在回弹过程中，会破坏铺粉平面，出现局部粉量不足以及局部粉量过大，可能导致零件产生疏松或铺粉过程受阻。当变形为塑性变形时，即零件局部结构变形后不可恢复，可能会导致零件在后续成形过程中出现错层、缺肉等缺陷，最终零件出现严重尺寸超差或表面质量缺陷，致使成形过程终止，零件严重破坏，大幅提升成本。通常在成形小尺寸零件时，由于零件热应力积累不严重，而零件刚度较差，以弹性变形为主；在成形大尺寸零件过程中，由于零件刚度大、热应力积累严重，以塑性变形为主，这一现象与零件的特殊结构形式密切相关。

为了解决上述问题，通常可采用的技术手段包括：

1)根据零件结构特征，选择适当的成形方向，一方面可以使零件相对与铺粉机构有更强的变形抗力，减轻铺粉机构与零件本身的影响，另一方面可以通过改变成形方向调整热应力分布状态，进而减轻零件特殊结构产生缺陷的可能性。这一方法存在局限为：通常需根据零件整体结构进行综合判定，为了保证零件整体达到较好的尺寸精度和力学性能，具备整体更优的成形效果，可能出现无法兼顾局部的特殊结构。

2)采用软性铺粉机构(如毛刷刮刀或橡胶刮刀等)。刚性铺粉机构在铺粉过程中对零件产生较大的切向力，更容易产生零件结构破坏，采用软性铺粉机构对零件结构、铺粉质量具有较大的容错度。这一方法局限为：通常软性铺粉机构与刚性铺粉机构相比，铺粉质量较差，导致最终零件的组织和力学性能稳定性波动较大，不利于质量一致性控制。

3)优化铺粉速度。对含有薄壁等特殊零件结构的部分采用较低的铺粉速度，可以降低铺粉结构对零件的切向作用，减小零件变形及震动趋势。这一方法的局限在于其作用程度有限，无法对变形问题产生大幅度改善，且会降低铺粉效率，即降低了生产效率，导致成本升高。

4)设置合理的支撑结构。支撑优化设计适用范围广，技术手段灵活，是一种更为通用的解决方法，但由于支撑结构后续需要采用一定工艺方法去除，可能由于在去支撑过程中产生额外的外力作用，导致薄壁结构产生塑性变形。为避免这一问题，工艺设计应当采用尽量少的支撑结构，减少后处理工艺难度。

为了使复杂零件结构的成形质量达到较好效果，通常会采取以上技术手段相结合的方法，但上述方法均具有一定缺点，在采用上述手段结合时，需要根据实际需要综合考虑对牺牲哪些因素，例如牺牲生产效率还是牺牲质量一致性等等。因此，针对上述解决手段效果受限的前提下，针对采用硬质铺粉机构、铺粉速度固定、成形方向确定的具有多层薄壁圆环零件结构，本领域需要一种生产效率高、成形零件质量优良且一致性好的技术方案。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种激光选区熔化成形多层薄壁件的支撑件。

本实用新型的一个目的是提供一种激光选区熔化成形多层薄壁件的成形中间体。

本实用新型的一个目的是提供一种激光选区熔化成形的多层薄壁件。

根据本实用新型一个方面的一种激光选区熔化成形多层薄壁件的支撑件，所述多层薄壁件包括径向相邻的至少两薄壁，每一所述薄壁的壁厚范围为0.5mm-2mm，相邻的两薄壁之间限定径向环形空间，所述支撑件包括：支撑环体，位于所述径向环形空间，所述支撑环体的整周地填充所述径向环形空间，与形成所述径向环形空间的两薄壁在径向的间隙为0.2mm-1mm，非接触地支撑所述两薄壁。

在所述支撑件的一个或多个实施例中，所述径向空间内还设置有径向两端连接所述两薄壁的肋板，所述支撑环体包括多个周向相邻的环扇体，相邻的所述环扇体之间的周向间隙为所述肋板的厚度。

在所述支撑件的一个或多个实施例中，所述支撑环体的高度大于所述两薄壁0.5mm-2mm。

在所述支撑件的一个或多个实施例中，所述支撑环体的径向厚度大于等于3mm。

在所述支撑件的一个或多个实施例中，所述支撑环体的径向厚度大于等于10mm，所述支撑环体具有镂空区。

根据本实用新型一个方面的一种激光选区熔化成形多层薄壁件的成形中间体，包括：

径向相邻的至少两薄壁，每一所述薄壁的壁厚范围为0.5mm-2mm，径向相邻的两薄壁之间限定径向环形空间；

支撑件，包括支撑环体，位于所述径向环形空间，所述支撑环体的整周地填充所述径向环形空间，与形成所述径向环形空间的两薄壁在径向的间隙为0.2mm-1mm，非接触地支撑所述两薄壁。

在所述成形中间体的一个或多个实施例中，所述中间体包括径向相邻的至少三个径向环形空间，所述支撑环体在所述径向相邻的至少三个径向环形空间中相隔一个地设置。

在所述成形中间体的一个或多个实施例中，还包括肋板，其径向两端连接径向相邻的两薄壁的肋板，所述肋板的厚度为0.5mm-2mm，所述支撑环体包括多个周向相邻的环扇体，相邻的所述环扇体之间的周向间隙为所述肋板的厚度。

在所述成形中间体的一个或多个实施例中，所述成形中间体的底部具有的尺寸余量。

根据本实用新型一个方面的一种激光选区熔化成形工艺成形的多层薄壁件，通过激光选区熔化成形工艺成形，所述多层薄壁件包括径向相邻的至少两薄壁，每一所述薄壁的壁厚范围为0.5mm-2mm，所述多层薄壁件的成形中间体的结构为如以上任意一项所述的成形中间体。

本实用新型的进步效果可以包括下列之一或组合：

(1)减少成形零件的变形或错层缺陷

通过设计支撑件，提升零件变形抗力，消除零件受到扰动后的变形，减少零件可能出现的缺陷，提升质量一致性，同时支撑件与薄壁件之间非接触地支撑，不存在冶金结合，可在零件与基板分离后自动脱落；

(2)提升工艺过程稳定性，降低成形过程失败风险

降低零件变形及错层问题，可以显著减少由于零件变形导致的铺粉过程中断，生产过程终止，从而提升工艺过程的稳定性，降低成形失败的风险，从而降低综合生产成本。

综上所述，通过设计支撑件以及成形中间体，可以提升零件质量，改善工艺过程稳定性，降低成形过程失败风险，也使得成形的多层薄壁件变形小、表面质量高，各批次之间的一致性好。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是根据一实施例的激光选区熔化成形多层薄壁件的结构示意图。

图2是根据一实施例的激光选区熔化成形多层薄壁件的支撑件的示意图。

图3是激光选区熔化成形多层薄壁件的流程框图。

附图标记：

1-多层薄壁件

11-第一薄壁

12-第二薄壁

13-第三薄壁

14-第四薄壁

101-第一径向空间

102-第二径向空间

103-第三径向空间

111-第一肋板

112-第二肋板

113-第三肋板

2-支撑件

21-第一支撑环体

22-第二支撑环体

211-第一支撑环扇体

221-第二支撑环扇体

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本实用新型的保护范围进行限制。

另外，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实用新型和简化描述，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实用新型保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，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，因此也不能理解为对本实用新型保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参考图3，激光选区熔化成形多层薄壁件1的流程包括：

步骤S1为模型分析工序。本工序需确认所加工的多层薄壁件1的结构中含有的薄壁结构特征。下述实施例介绍的多层薄壁件，所指的多层即薄壁件的径向相邻嵌套的薄壁层数大于两层，每一层薄壁圆的壁厚d范围为0.5mm～2mm。

步骤S2为模型预处理工序，包含模型余量的添加，例如参考图1，在一实施例中，成形中间体的底部具有尺寸余量，使得模型无需添加常规的支撑结构，进一步地后续步骤中根据预处理的模型得到的成形中间体的底部具有尺寸余量而无需常规的支撑结构，如此可以避免后续需要去支撑工艺而产生支撑痕，提高了成形效率以及成形件的表面质量。

步骤S3为添加支撑件2，针对步骤S1中分析，得到的需添加的支撑件2。

步骤S4为模型切片，将完成预处理后的三维模型进行切片。

步骤S5多层薄壁件1的成形中间体的成形，包括将工艺模型文件导入激光选区熔化成形的设备，采用优化的激光选区熔化成形工艺参数进行激光选区熔化成形、零件收取及内腔粉末清理等。

步骤S6为去应力退火过程，从而释放中间体包含的内应力。

步骤S7为线切割工序，利用电火花或其他切割方法，将基板与多层薄壁件1的成形中间体分离，此时支撑件2与多层薄壁件1自动地分离。

步骤S8为去除步骤S2所设计的常规支撑及后处理步骤，根据多层薄壁件1结构不同，包括热处理、热等静压、无损检测等。

参考图1以及图2，在一实施例中，激光选区熔化成形多层薄壁件的支撑结构支撑件2包括支撑环体，用于设置在相邻的两薄壁之间限定径向环形空间非接触地支撑两薄壁。例如图1以及图2所示的，在相邻的第一薄壁11与第二薄壁12之间的第一径向空间101设置第一支撑环体21，在相邻的第三薄壁13与第四薄壁14之间的第三径向空间103设置第二支撑环体22。支撑环体的非接触支撑的结构包括，支撑环体与形成容纳其的径向环形空间的两薄壁在径向的间隙为0.2mm-1mm，具体的间隙值根据层厚及激光功率不同进行选择，采用0.2mm-1mm的径向间隙的有益效果在于，既可以保证确保支撑件2和薄壁件1之间不产生冶金结合，在步骤S7的线切割工序中，支撑件2和薄壁件1分离时可以自动分离，无需对支撑件2进行额外的去支撑工艺，也避免了支撑件2与薄壁件1的冶金结合去支撑工艺导致薄壁件1的支撑痕而影响薄壁件的表面质量；在不产生冶金结合的同时，其具有较小的物理间隙，起到更好的保护效果。

继续参考图1以及图2，在一个或多个实施例中，多层薄壁件的径向空间内还设置有径向两端连接两薄壁的肋板，例如图1所示，第一径向空间101内设置有径向两端分别连接第一薄壁11、第二薄壁12的第一肋板111，第二径向空间102内设置有径向两端分别连接第二薄壁12、第三薄壁13的第二肋板112，第三径向空间103内设置有径向两端分别连接第三薄壁13以及第四薄壁14的第三肋板113，对应地，由于肋板的分隔，支撑环体包括多个周向相邻的环扇体，例如图2所示的，第一支撑环体21包括两第一支撑环扇体211，第二支撑环体22包括两第二支撑环体221，相邻的环扇体之间的周向间隙为所述肋板的厚度，肋板的厚度一般为0.5-2mm，具体数值可根据设计要求选取。

继续参考图1以及图2，在一些实施例中，支撑环体的具体尺寸可以是，支撑环体的略大于薄壁的高度，具体可以是大于两薄壁0.5mm-2mm。如此可以提供更为可靠的支撑效果。支撑环体的径向厚度t一般为大于等于3mm，以保证支撑刚度。当支撑环体的径向厚度t大于等于10mm时，可以支撑环体可以是具有镂空区，例如图2所示的支撑环，内部可以是中空的镂空区。如此设置的有益效果在于，当支撑环体的径向厚度t大于等于10mm时，支撑刚度一般已足够，采用镂空的设置可以节省用于成形支撑环体的粉末，从而降低成形过程的物料成本。

从上述介绍可以理解到，多层薄壁件的成形过程中，其成形中间体包括多层薄壁件1以及支撑环体2，两者一般同步地成形。继续参考图1以及图2，在一实施例中，成形中间体包括径向相邻的至少三个径向环形空间，支撑环体在所述径向相邻的至少三个径向环形空间中相隔一个地设置。例如图1以及图2所示的，在第一径向环形空间101中设置第一支撑环21，在第三径向环形空间103中设置第二支撑环22，两者之间相隔的第二径向环形空间102则没有对应设置支撑环。如此设置的有益效果在于，薄壁件的层数角度时，例如图1所示的为四层，形成三个径向环形空间，可以在保证所有地薄壁的一侧(内侧或外侧)存在支撑环支撑，使得支撑效果可靠的前提下，减少支撑环的数量，从而节约成形过程所消耗的粉末，从而降低成形过程的物料成本，以及节省成形所需要的时间，提高了成形的效率。

参考图1至图3，在一实施例中，采用激光选取熔化成形多层薄壁件1的工艺方案如下：

1.图1所示的多层薄壁件1的材料为GH4169，第一薄壁11，外径为13mm，壁厚为1mm；第二薄壁12，外径为30mm，壁厚为1mm；第三薄壁13，外径为75mm，壁厚为1mm；第四薄壁14，外径为97mm，壁厚为1mm。各层薄壁之间存在第一肋板111、第二肋板112、第三肋板113，厚度为1mm，第一薄壁11、第二薄壁12、第三薄壁13、第四薄壁14、肋板高度均为100mm。

2.薄壁件1的底部添加1mm余量，从而不需要添加常规的支撑。

3.经过步骤S1的模型分析，使用UG NX7.5设计得到支撑件1，如图2所示。支撑件1包括第一薄壁11和第二薄壁12之间的第一支撑环体21，第三薄壁与第四薄壁之间的第二支撑环体22，支撑环体的高度为101mm，支撑环体与相邻薄壁之间间隙距离为0.25mm。

4.使用UG NX7.5导出STL文件，采用Magics19.0进行支撑设计并输出切片文件，完成步骤模型切片。

5.将切片文件导入到激光选区熔化成形设备EOS M280中，采用不锈钢刮刀，进行毛坯成形过程。设置成形工艺参数为层厚20μm，激光功率200W，扫描速度900mm/s，激光光斑直径100μm，扫描间距100μm。

5.进行去应力热处理，热处理制度为1170±50℃/1h，AC。

6.采用数控中走丝线切割将零件从基板分离，此时内部的支撑件2与多层薄壁件1自然分离。

7.使用真空热处理炉对完成分离的多层薄壁件1进行热等静压，以达到消除内部裂纹的目的，选用热等静压工艺为1170℃/2h，压力为150MPa，冷却速度3K/min。

8.零件表面处理，机加、打磨，使零件尺寸满足设计要求。

9.进行X射线检验、荧光渗透检验合格后，完成零件最终检验及入库。

承上可知，采用上述介绍实施例的激光选区熔化成形的多层薄壁件、支撑件以及成形中间体的有益效果包括：

(1)减少成形零件的变形或错层缺陷

通过设计支撑件，提升零件变形抗力，消除零件受到扰动后的变形，减少零件可能出现的缺陷，提升质量一致性，同时支撑件与薄壁件之间非接触地支撑，不存在冶金结合，可在零件与基板分离后自动脱落；

(2)提升工艺过程稳定性，降低成形过程失败风险

降低零件变形及错层问题，可以显著减少由于零件变形导致的铺粉过程中断，生产过程终止，从而提升工艺过程的稳定性，降低成形失败的风险，从而降低综合生产成本。

综上所述，通过设计支撑件以及成形中间体，可以提升零件质量，改善工艺过程稳定性，降低成形过程失败风险，也使得成形的多层薄壁件变形小、表面质量高，各批次之间的一致性好。

本实用新型虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化成形多层薄壁件的支撑件，所述多层薄壁件包括径向相邻的至少两薄壁，每一所述薄壁的壁厚范围为0.5mm-2mm，相邻的两薄壁之间限定径向环形空间，其特征在于，所述支撑件包括：

支撑环体，位于所述径向环形空间，所述支撑环体的整周地填充所述径向环形空间，与形成所述径向环形空间的两薄壁在径向的间隙为0.2mm-1mm，非接触地支撑所述两薄壁。

2.如权利要求1所述的支撑件，其特征在于，所述径向环形空间内还设置有径向两端连接所述两薄壁的肋板，所述支撑环体包括多个周向相邻的环扇体，相邻的所述环扇体之间的周向间隙为所述肋板的厚度。

3.如权利要求1所述的支撑件，其特征在于，所述支撑环体的高度大于所述两薄壁0.5mm-2mm。

4.如权利要求1所述的支撑件,其特征在于，所述支撑环体的径向厚度大于等于3mm。

5.如权利要求4所述的支撑件，其特征在于，所述支撑环体的径向厚度大于等于10mm，所述支撑环体具有镂空区。

6.一种激光选区熔化成形多层薄壁件的成形中间体，其特征在于，包括：

径向相邻的至少两薄壁，每一所述薄壁的壁厚范围为0.5mm-2mm，径向相邻的两薄壁之间限定径向环形空间；

支撑件，包括支撑环体，位于所述径向环形空间，所述支撑环体的整周地填充所述径向环形空间，与形成所述径向环形空间的两薄壁在径向的间隙为0.2mm-1mm，非接触地支撑所述两薄壁。

7.如权利要求6所述的成形中间体，其特征在于，所述中间体包括径向相邻的至少三个径向环形空间，所述支撑环体在所述径向相邻的至少三个径向环形空间中相隔一个地设置。

8.如权利要求6所述的成形中间体，其特征在于，还包括肋板，其径向两端连接径向相邻的两薄壁的肋板，所述肋板的厚度为0.5mm-2mm，所述支撑环体包括多个周向相邻的环扇体，相邻的所述环扇体之间的周向间隙为所述肋板的厚度。

9.如权利要求8所述的成形中间体，其特征在于，所述成形中间体的底部具有的尺寸余量。

10.一种激光选区熔化成形工艺成形的多层薄壁件，通过激光选区熔化成形工艺成形，所述多层薄壁件包括径向相邻的至少两薄壁，每一所述薄壁的壁厚范围为0.5mm-2mm，其特征在于，所述多层薄壁件的成形中间体的结构为如权利要求6-9任意一项所述的成形中间体。

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