一种金属零件的超高速3D打印技术的制作方法

本发明属于金属件的机械加工领域，具体涉及一种金属零件的超高速3d打印技术。

背景技术：

目前可用于直接制造金属功能零件的增材制造方法以3d打印为主。金属3d打印技术主要分为：选区激光烧结(selectivelasersintering，sls)技术、选区激光熔化(selectivelasermelting，slm)技术、直接金属粉末激光烧结(directmetallasersintering，dmls)和电子束选区熔化(electronbeamselectivemelting，ebsm)技术等。这些技术主要方法都是有选择性地烧结铺好在粉床里的金属粉末，然后进行积层累加，不同的是烧结热源、铺粉方式和积层方式不同。

中国专利cn2014100364489中公开了一种基于激光焊接的超声喷丸的3d打印技术：在电脑中构建制件三维模型，然后根据板料的厚度对三维模型进行切片，得到制件各个高度处的剖面形状，采用铣削加工的方式从板料上截取所需的剖面，在叠加成型过程中，高能激光束按一定的运动轨迹扫描零件的剖面，使该剖面上的材料与前一剖面的材料完全焊接在一起，并在焊接完成以后随即对焊接部位进行高能超声喷丸，对材料的组织及性能进行改善，该发明中剖面之间完全焊接在一起，导致剖面之间留有空气，使制得的金属零件的致密性变差。中国专利cn107262914a中公开了一种基于扩散连接的金属结构件减增材复合制造方法：(1)根据金属结构件构建三维cad图形，对三维cad图形进行切片处理；(2)将金属板材加工成片层件；(3)去除金属氧化物薄膜；(4)堆叠定位；(5)扩散连接，得到金属结构件。该发明解决了传统工艺原料浪费和加工效率低的问题，但是无焊接过程也存在金属片层件容易移动的风险，使得金属零件易出现缺陷。

以上当前金属3d打印技术主要的不足主要有以下几点：

(1)金属粉末材料技术壁垒较高、生产困难，市场价格昂贵。另外，材料的种类少以及制备还未能满足设计要求，目前金属3d打印仅能打印十几种金属，主要包括铝合金、钛合金、模具钢、钴铬合金、不锈钢、铁镍合金和铜合金等。昂贵的金属粉末和粉末材料种类较少是目前制约金属3d打印技术不能有效推广的主要原因。

(2)对每一层粉末进行熔化，再层层叠加的加工方式，决定了金属3d打印机打印出成品所需的时间比较长，效率不高，这是3d打印技术产业化必须解决的一个难题。

(3)金属打印3d设备价格高，设备不具备通用性，目前很难定制化3d打印设备，更无法做到在施工现场依据实际应用需要快速搭建定制化设备。

(4)受金属3d打印设备尺寸的制约，打印的零件尺寸有限，目前通用的为250mmx250mm幅面，最大到750mmx750mm幅面。

(5)致密性有待提高，传统激光选择式3d打印(lsm)粉末材料、功率密度、烧结参数等不同因素，致密度只有80～95％。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的金属材料种类少和价格昂贵、打印效率低、3d打印设备价格高、打印尺寸受限以及致密性不良的不足，本发明提供一种金属零件的超高速3d打印技术。

本发明主要技术方案按照如下步骤进行：

(1)根据需要加工的金属零件进行3d绘图，对3d图形进行切片，得到一系列的二维图形；

(2)取厚度与切片厚度一致的金属板材；

(3)按照步骤(1)中得到的二维切片图形轮廓，将金属板材加工成金属薄片；

(4)依次叠加金属薄片，用激光沿着相邻金属薄片的轮廓边沿将相邻两金属薄片焊接起来，保持金属薄片之间内部界面状态，且金属薄片之间的未焊接处为真空密闭状态，然后将所有金属薄片依次焊接完成，形成坯料；

(5)将步骤(4)所得坯料放入热等静压密闭容器中处理，金属薄片之间界面熔合后即得到致密金属零件。

优选地，步骤(1)中所述切片的厚度为0.05～5mm。

优选地，步骤(3)中所述加工为激光切割或冲压。

作为一种优选方案，步骤(4)中用激光沿着相邻金属薄片的轮廓边沿将相邻两金属薄片焊接起来的具体步骤为：

用激光沿着相邻金属薄片的轮廓边沿将相邻两金属薄片焊接起来，并保留一段缝隙，使相邻金属薄片中部未焊接处通过缝隙与外界连通，保持金属薄片之间内部界面状态，将所有金属薄片依次焊接完成；

再在真空环境下用激光将上述缝隙焊接起来，使相邻金属薄片中部未焊接处形成真空密闭状态。

优选地，所述缝隙的宽度为金属薄片边沿周长的2～10％，焊接位置距离金属薄片边沿0.5～1.0mm。

作为另一种优选方案，步骤(4)中用激光沿着相邻金属薄片的轮廓边沿将相邻两金属薄片焊接起来的具体步骤为：直接在真空环境下用激光将相邻两金属薄片边沿焊接起来，使相邻金属薄片中部未焊接处形成真空密闭状态。

优选地，所述真空环境的真空度≥99.9％。

作为一种优选方案，当所述金属薄片中部具有空洞时，相邻两金属薄片焊接过程为，用激光沿着相邻金属薄片的外轮廓边沿焊接两金属薄片，再沿着相邻金属薄片的内轮廓边沿焊接，内轮廓焊接线为一条封闭的线，保持金属薄片之间内部界面状态，且金属薄片之间的未焊接处为真空密闭状态。

作为另一种优选方案，当所述金属薄片中部为实心结构时，相邻两金属薄片焊接过程为，用激光沿着相邻金属薄片的外轮廓边沿焊接两金属薄片，保持金属薄片之间内部界面状态，且金属薄片之间的未焊接处为真空密闭状态。

优选地，步骤(5)中所述密闭容器内加热温度为1000～2000℃，其中利用惰性气体为传压介质，工作压力为100～200mpa

有益效果：

(1)本发明中焊接和留有缝隙分两次焊接的好处是：a.更好的固定堆叠的金属薄片；b.便于排出金属薄片之间的空气；c.在真空环境中抽真空的条件下，把缝隙焊接起来，使得金属薄片之间没有空气，之后到热等静压密闭容器中，才会使金属零件有更好的致密性(致密度在99.9％左右)。而若将相邻两金属薄片间直接完全焊接或在常压条件下焊接轮廓一圈不保留缝隙，则会在两金属薄片之间产生封闭的间隙，存在封闭的气体，在等静压操作时，不仅致密性差，而且封闭的气体与热等静压环境之间存在压力差，导致受压不均横，甚至导致零件损坏。

(2)不受制于当前金属粉末材料种类的不足和价格昂贵，能广泛应用与各种现有金属材料进行3d打印；

(3)解决当前金属3d打印效率低下的问题，从而大幅度地提高打印速度；

(4)实现金属3d打印设备定制化，能根据零件机械特性现场快速搭建设备；

(5)可以打印大尺寸零件；

附图说明

图1为金属零件的3d切片步骤示意图；

图2以实心圆形切片为例的完整加工步骤示意图；

图3为不同形状金属薄片示意图，其中a和b为中部具有空洞的金属薄片，c为中部为实心的金属薄片；

图4为不同形状金属薄片经步骤(4)激光焊接后的焊线与缝隙示意图，其中a为中部具有空洞的金属薄片，b为中部为实心的金属薄片；

图5为相邻两实心金属薄片外轮廓的焊接线与缝隙示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明为一种金属零件的超高速3d打印技术，具体包括如下步骤：

(1)根据需要加工的金属零件进行3d绘图，对3d图形进行切片，得到一系列的二维图形(如图1所示)；

(2)取厚度与切片厚度一致的金属板材(如图2中a)；

(3)按照步骤(1)中得到的二维切片图形轮廓，将金属板材加工，得到一系列金属薄片(如图2中b、c)；

(4)依次叠加金属薄片，用激光沿着相邻金属薄片的轮廓边沿将相邻两金属薄片焊接起来，并保留一段缝隙不焊接，使相邻金属薄片中部未焊接处通过缝隙与外界连通，保持金属薄片之间内部界面状态(如图2中d)，将所有金属薄片依次焊接完成(如图2中e)；

(5)在真空环境下用激光将上述缝隙焊接起来，使相邻金属薄片中部未焊接处形成真空密闭状态，形成坯料(如图2中f)；

(6)将步骤(5)所得零件放入热等静压(hotisostaticpressing，简称hip)高温高压的密闭容器中处理，在高温高压的共同作用下被加工零件的各向均衡受压，金属薄片之间界面熔合后即得到致密金属零件(如图2中g)；

(7)所得致密金属零件可直接使用或经微量外表面加工后使用(如图2中h)。

优选地，步骤(1)中所述切片的厚度为0.05～5mm。

优选地，步骤(3)中所述加工为激光切割或冲压。

优选地，步骤(4)中所述缝隙的宽度为金属薄片边沿周长的2～10％，焊接位置距离金属薄片边沿0.5～1.0mm。

优选地，步骤(5)中所述真空环境的真空度≥99.9％。

优选地，步骤(6)中所述密闭容器内加热温度为1000～2000℃，其中利用惰性气体为传压介质，工作压力为100～200mpa，工作温度和压力可根据不同金属零件的材料需求进行调节。

实施例1

上述步骤(3)中将金属板材加工得到一系列中部具有空洞结构的金属薄片(以铝材为例)(如图3中的a和b所示)；

上述步骤(4)中用激光沿着相邻金属薄片的外轮廓边沿将相邻两金属薄片焊接起来，并保留一条缝隙不焊接，然后沿着相邻金属薄片内轮廓边沿焊接，内轮廓焊接线为一条封闭的线，使相邻金属薄片中部未焊接处通过缝隙与外界连通，保持金属薄片之间内部界面状态(如图4中a所示)，然后将所有金属薄片依次焊接完成；

(5)在真空环境下用激光将上述缝隙焊接起来，使相邻金属薄片中部未焊接处形成真空密闭状态，形成坯料(如图2中f)；

其他步骤同具体实施方式中相应步骤。

实施例2

上述步骤(3)中将金属板材加工得到一系列中部为实心结构的金属薄片(以铝材为例)(如图3中的c所示)；

上述步骤(4)中用激光沿着相邻金属薄片的外轮廓边沿将相邻两金属薄片焊接起来，并保留一条缝隙不焊接，使相邻金属薄片中部未焊接处通过缝隙与外界连通，保持金属薄片之间内部界面状态(如图4中b和图5所示)，然后将所有金属薄片依次焊接完成；

(5)在真空环境下用激光将上述缝隙焊接起来，使相邻金属薄片中部未焊接处形成真空密闭状态，形成坯料(如图2中f)；

其他步骤同具体实施方式中步骤。

实施例3

将实施例1中的步骤(4)替换为，在真空环境下用激光沿着相邻金属薄片的外轮廓边沿将两金属薄片焊接起来，外轮廓焊接线为一条封闭的线；然后沿着相邻金属薄片内轮廓边沿焊接，内轮廓焊接线为一条封闭的线，保持金属薄片之间内部界面状态，且金属薄片之间未焊接处为真空密闭状态，然后将所有金属薄片依次焊接完成，形成坯料；

将实施例1中的步骤(5)省去，其他步骤均同实施例1。

实施例4

将实施例2中的步骤(4)替换为，在真空环境下用激光沿着相邻金属薄片的外轮廓边沿将两金属薄片焊接起来，外轮廓焊接线为一条封闭的线，保持金属薄片之间内部界面状态，且金属薄片之间未焊接处为真空密闭状态，然后将所有金属薄片依次焊接完成，形成坯料；

将实施例2中的步骤(5)省去，其他步骤均同实施例2。