一种用于3d打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，包括：1)送粉；2)分层切片处理；3)分层激光熔覆；4)分层多尺度多孔结构激光刻蚀处理；5)全部完成上述步骤后，工作台控制3D打印机的激光器、惰性气体保护装置和送粉器处于关闭状态，并对最终成形件进行耐磨性和/或润滑性检测。其提出采用增材制造中的激光熔覆，辅之以精度更高的激光刻蚀，来制造有特殊的多尺度多孔表面结构零件，具有能够减少加工时间、提高作业效率、成形件的耐磨性和润滑性能整体得到提高、克服增材制造成形件侧向成形精度差的问题、孔洞边缘硬度大大提高等优点，使其在实际应用过程中性能可靠、运行平稳、无噪音、无污染等有益效果。
【专利说明】
一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及3D打印金属零件成形制造技术领域，尤其涉及一种用于3D打印成形件激光熔覆刻蚀制备方法。
【背景技术】
[0002]3D打印技术目前已经成为全世界最关注的新兴技术之一，这种新兴技术与其他数字化生产模式一起加快推动了生产制造业的发展。增材制造技术这种新技术正在以前所未有的速度发展，其中，激光熔覆因为比别的激光增材制造技术更多的优点而引起了特殊的重视。激光选区烧结/激光选区熔化(SLS/SLM)与激光近净成形(LENS，即激光熔覆LCD)均以金属粉末为材料成形金属零件。然而二者有很大的差别，前者使用粉末床，不能成形尺寸较大的零件，而后者因为采用同轴送粉方式，成形件的尺寸可以大许多。它们所成形的金属零件有着本质的区别:通过激光选区烧结得到的金属零件实际上是密度和强度都很低的多孔金属零件，要提高这种多孔金属零件的强度，必须采用浸渗树脂、低熔点金属或热等静压等后处理方法。通过激光选区熔化和激光熔覆，因为在成形过程中发生金属熔化而后凝固的相变过程，零件内部的组织属于快速凝固类型的组织，得到的金属零件密度和强度均很高，它们可用于制造密度高、性能好、可作为结构件使用的零件。而在实际应用过程中，存在的关键性问题之一在于，由于增材制造技术只能制造中等精度的零件，因此往往在获得成形件以后，还要进行后处理及精加工，大大影响了新技术的应用。因此提出一种能够减少加工程序、结构性能整体性能能够满足实际需要高精度要求的制备方法具有重要的研究意义。考虑到许多含有多尺度多孔结构的成形件的应用，本发明提出一种新的激光熔覆刻蚀制备方法，它也提高了单纯的激光熔覆的成形精度。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于:提供一种用于3D打印成形件激光熔覆刻蚀制备方法，该制备方法具有能够减少加工时间、提高作业效率、成形件的耐磨性和润滑性能整体得到提高、克服增材制造成形件侧向成形精度差的问题、孔洞边缘硬度大大提高等优点，使其在实际应用过程中性能可靠、运行平稳、无噪音、无污染等有益效果O
[0004]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现:
[0005]—种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，该制备方法包括如下步骤，
[0006]I)送粉:使用丙酮清洗和无水乙醇清洗金属或合金基体表面，并冷风吹干;对清洗后的金属或者合金基体表面使用喷砂机或者抛光机对其表面进行均匀粗化处理，使其表面粗糙度Ra<5-10ym;根据成形件功能设计要求计算不同位置处的复合粉末中各组分配比，并将复合粉末使用球磨机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200°C的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理;将烘干处理后的符合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；
[0007]2)分层切片处理:在步骤I)中经过处理后的金属或者合金基体CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术对连续的三维CAD模型进行使用颜色区分材料离散处理，形成不同颜色区域的多层切片，该多层切片为具有层厚为300-500μπι的N层切片(N>1并且为整数)，提取每一层切片所产生的轮廓设计合理激光的扫描路径、扫描速度和搭接率参数，并将该参数发送至工作台；
[0008]3)分层激光熔覆:工作台控制3D打印机的第一激光器、惰性气体保护装置和送粉器，由第一激光器逐层进行扫描，其中，该第一激光器用于激光熔覆，扫描过程中生成NC代码后进行激光熔覆，并形成与金属或者合金基体结合的冶金结合体，其中第一激光器根据扫描路径运行，并且第一激光器的功率为Ι-lOKw，光斑直径为:3-10mm，扫描速度为200-1000111111/1^11，搭接率为10%-30%;30打印机送粉器的送粉速率控制在0.1-1.(^/1^11;惰性气体保护装置的气体压力为0.1-0.35MPa ；
[0009]4)分层多尺度多孔结构激光刻蚀:在3D打印的工艺规划阶段，即预先考虑此种多尺度多孔结构的数字化处理，操作时，引入第二激光器进行扫描，该第二激光器为进行激光刻蚀的激光器;在上述步骤3)中，对第一层切片在激光熔覆处理后，工作台的工控机根据该层切片的位置，选取与第二激光器的坐标相关的该层切片中的居于表面区域，控制3D打印机的第二激光器进行激光刻蚀;再选取该层的侧向区域，控制3D打印机的第二激光器进行侧向的激光刻蚀，从而获得含有多尺度多孔结构的成形件的该激光熔覆刻蚀层;重复上述3)、4)步骤，分别对第二层、第三层…、第N层切片的表面区域和侧向区域进行激光熔覆刻蚀处理，形成最终含有多尺度多孔结构的金属成形件;第二激光器的功率为50-100?，光斑直径为:1-2mm，扫描速度为200-500mm/min，搭接率为10%-30 % ；惰性气体保护装置的气体压力为 0.1-0.35MPa;
[0010]5)全部完成上述步骤后，工作台控制3D打印机的激光器、惰性气体保护装置和送粉器处于关闭状态，并对最终成形件进行耐磨性和/或润滑性检测。
[0011]作为上述技术方案的进一步改进，在上述步骤I)中，所述3D打印机送粉器采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，在上述步骤I)中，对经过均勾粗化处理后的金属或者合金基体进行整体预热处理，其中预热处理包括采用加热器均匀加热基体至300-500°C，并对加热后的基体周围使用加厚保温棉作保温处理。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，上述步骤4)中，所述多尺度多孔处理中包括孔径为0.1-1mm范围的一级激光刻蚀尺度、孔径为10-100μπι范围的二级激光刻蚀尺度和孔径为0.1-10μπι范围的三级激光刻蚀尺度，对于许多应用，可以不含第三级尺度。
[0014]作为上述技术方案的进一步改进，在上述步骤I)中均匀粗化后的金属或者合金基体进行整体超声波探伤和表面着色探伤确保无裂纹和疲劳层。
[0015]作为上述技术方案的进一步改进，在完成上述步骤4)时，还包括对进行侧向表面区整体多尺度多孔结构激光刻蚀处理。
[0016]与现有技术中成形件制造方法相比，采用本发明一种用于3D打印成形件激光熔覆刻蚀制备方法有如下效果:
[0017](I)提出采用增材制造中的激光熔覆刻蚀新技术来制造此类有特殊表面结构零件的，能够有效提高作业效率，减少制造时间，使成形件获得具有一定精度的多尺度多孔结构表面，有助于提高机械零件的耐磨性和润滑性能。
[0018](2)在进行激光增材制造的过程中，在表面利用激光的计算机控制下的有序移动，可由两个激光器分别进行激光熔覆和激光刻蚀两种处理，在刚刻蚀的金属表面，刻蚀出有一定精度的多尺度多孔结构，自动化程度高，使得成形件的表面结构与一般的机械零件有很大的不同，其具有更好的摩擦学性能。
[0019](3)对于机械零件表面规则分布的多尺度多孔结构，采用计算机控制激光直接制造，具有孔洞在表面是规则定向分布的，粗糙度具有较大的可调节范围，并且具有可重复性。这种表面完全不同于普通的机械零件的表面，它极大地改善了零件的耐磨性能和润滑性能。它在机械零件表面形成的孔洞边缘，其硬度一般是基体的I.5倍甚至更高，这非常有利于提高其耐磨性，另外，这种多尺度孔洞分布在表面，使得其表面形貌有序地分布着一些规则的微储油构造，粗糙度及孔洞分布密度值可调整范围大，保证了良好的润滑性能，使得设备在运行过程中平稳、无噪音、无污染。
【附图说明】
[0020]附图1为本发明用于3D打印成形件激光熔覆刻蚀制备方法的流程示意图。
[0021]附图2为本发明用于3D打印成形件激光熔覆刻蚀制备方法中的控制系统的工作示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图1-2对本发明一种用于3D打印成形件激光熔覆刻蚀制备方法作具体说明。
[0023]一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，该制备方法包括如下步骤，
[0024]I)送粉:使用丙酮清洗和无水乙醇清洗金属或合金基体表面，并冷风吹干;对清洗后的金属或者合金基体表面使用喷砂机或者抛光机对其表面进行均匀粗化处理，使其表面粗糙度Ra<5-10ym;根据成形件功能设计要求计算不同位置处的复合粉末中各组分配比，并将复合粉末使用球磨机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200°C的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理;将烘干处理后的符合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用；
[0025]2)分层切片处理:在步骤I)中经过处理后的金属或者合金基体CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术对连续的三维CAD模型进行使用颜色区分材料离散处理，形成不同颜色区域的多层切片，该多层切片为具有层厚为300-500μπι的N层切片(N>1并且为整数)，提取每一层切片所产生的轮廓设计合理激光的扫描路径、扫描速度和搭接率参数，并将该参数发送至工作台；
[0026]3)分层激光熔覆:工作台控制3D打印机的第一激光器、惰性气体保护装置和送粉器，由第一激光器逐层进行扫描，其中，该第一激光器用于激光熔覆，扫描过程中生成NC代码后进行激光熔覆，并形成与金属或者合金基体结合的冶金结合体，其中第一激光器根据扫描路径运行，并且第一激光器的功率为Ι-lOKw，光斑直径为:3-10mm，扫描速度为200-1000111111/1^11，搭接率为10%-30%;30打印机送粉器的送粉速率控制在0.1-1.(^/1^11;惰性气体保护装置的气体压力为0.1-0.35MPa ；
[0027]4)分层多尺度多孔结构激光刻蚀:在3D打印的工艺规划阶段，即预先考虑此种多尺度多孔结构的数字化处理，操作时，引入第二激光器进行扫描，该第二激光器为进行激光刻蚀的激光器;在上述步骤3)中，对第一层切片在激光熔覆处理后，工作台的工控机根据该层切片的位置，选取与第二激光器的坐标相关的该层切片中的居于表面区域，控制3D打印机的第二激光器进行激光刻蚀;再选取该层的侧向区域，控制3D打印机的第二激光器进行侧向的激光刻蚀，从而获得含有多尺度多孔结构的成形件的该激光熔覆刻蚀层;重复上述
3)、4)步骤，分别对第二层、第三层…、第N层切片的表面区域和侧向区域进行激光熔覆刻蚀处理，形成最终含有多尺度多孔结构的金属成形件;第二激光器的功率为50-100?，光斑直径为:l-2mm，扫描速度为200-500mm/min，搭接率为10%-30% ;惰性气体保护装置的气体压力为0.1-0.35MPa;
[0028]5)全部完成上述步骤后，工作台控制3D打印机的激光器、惰性气体保护装置和送粉器处于关闭状态，并对最终成形件进行耐磨性和/或润滑性检测。
[0029]在上述步骤I中，所述3D打印机送粉器采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。
[0030]在上述步骤I)中，对经过均匀粗化处理后的金属或者合金基体进行整体预热处理，其中预热处理包括采用加热器均匀加热基体至300-500°C，并对加热后的基体周围使用加厚保温棉作保温处理。
[0031]上述步骤4)中，所述多尺度多孔处理中包括孔径为0.1-1mm范围的一级激光刻蚀尺度、孔径为10-100μπι范围的二级激光刻蚀尺度和孔径为0.1-10μπι范围的三级激光刻蚀尺度，对于许多应用，可以不含第三级尺度。
[0032]在上述步骤I)中均匀粗化后的金属或者合金基体进行整体超声波探伤和表面着色探伤确保无裂纹和疲劳层。
[0033]在完成上述步骤4)时，还包括对进行侧向表面区整体多尺度多孔结构激光刻蚀处理。
[0034]上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤: 1)送粉:使用丙酮清洗和无水乙醇清洗金属或合金基体表面，并冷风吹干;对清洗后的金属或者合金基体表面使用喷砂机或者抛光机对其表面进行均匀粗化处理，使其表面粗糙度Ra<5-10ym;根据成形件功能设计要求计算不同位置处的复合粉末中各组分配比，并将复合粉末使用球磨机进行充分均匀混合，并将混合后的粉末放置在100-200°C的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理;将烘干处理后的符合粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用; 2)分层切片处理:在步骤I)中经过处理后的金属或者合金基体CAD三维实体模型切片数据的驱动下，利用切片技术对连续的三维CAD模型进行使用颜色区分材料离散处理，形成不同颜色区域的多层切片，该多层切片为具有层厚为300-500μπι的N层切片(N>1并且为整数)，提取每一层切片所产生的轮廓设计合理激光的扫描路径、扫描速度和搭接率参数，并将该参数发送至工作台； 3)分层激光熔覆:工作台控制3D打印机的第一激光器、惰性气体保护装置和送粉器，由第一激光器逐层进行扫描，其中，该第一激光器用于激光熔覆，扫描过程中生成NC代码后进行激光熔覆，并形成与金属或者合金基体结合的冶金结合体，其中第一激光器根据扫描路径运行，并且第一激光器的功率为1-1OKw，光斑直径为:3-10mm，扫描速度为200-1000mm/min，搭接率为10%-30% ; 3D打印机送粉器的送粉速率控制在0.1-1.0g/min;惰性气体保护装置的气体压力为0.1-0.35MPa ； 4)分层多尺度多孔结构激光刻蚀:在3D打印的工艺规划阶段，即预先考虑此种多尺度多孔结构的数字化处理，操作时，引入第二激光器进行扫描，该第二激光器为进行激光刻蚀的激光器;在上述步骤3)中，对第一层切片在激光熔覆处理后，工作台的工控机根据该层切片的位置，选取与第二激光器的坐标相关的该层切片中的居于表面区域，控制3D打印机的第二激光器进行激光刻蚀;再选取该层的侧向区域，控制3D打印机的第二激光器进行侧向的激光刻蚀，从而获得含有多尺度多孔结构的成形件的该激光熔覆刻蚀层;重复上述3)、4)步骤，分别对第二层、第三层…、第N层切片的表面区域和侧向区域进行激光熔覆刻蚀处理，形成最终含有多尺度多孔结构的金属成形件;第二激光器的功率为50-100w，光斑直径为:l-2mm，扫描速度为200-500mm/min，搭接率为10%-30%;惰性气体保护装置的气体压力为0.1-0.35MPa； 5)全部完成上述步骤后，工作台控制3D打印机的激光器、惰性气体保护装置和送粉器处于关闭状态，并对最终成形件进行耐磨性和/或润滑性检测。2.根据权利要求1所述的一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，其特征在于:在上述步骤I中，所述3D打印机送粉器采用同轴正向送粉方式或者采用非同轴侧向送粉方式进行送粉。3.根据权利要求1所述的一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，其特征在于:在上述步骤I)中，对经过均匀粗化处理后的金属或者合金基体进行整体预热处理，其中预热处理包括采用加热器均匀加热基体至300-500°C，并对加热后的基体周围使用加厚保温棉作保温处理。4.根据权利要求1所述的一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，其特征在于:上述步骤4)中，所述激光刻蚀获得的多尺度多孔结构，可包括孔径为0.1-1mm范围的一级激光刻蚀尺度、孔径为10-100μπι范围的二级激光刻蚀尺度和孔径为0.1-10μπι范围的三级激光刻蚀尺度，对于许多应用，可以不含第三级尺度。5.根据权利要求1所述的一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，其特征在于:在上述步骤I)中均匀粗化后的金属或者合金基体进行整体超声波探伤和表面着色探伤确保无裂纹和疲劳层。6.根据权利要求1所述的一种用于3D打印成形件的激光熔覆刻蚀制备方法，其特征在于:在完成上述步骤4)时，还包括进行侧向表面区整体多尺度多孔结构的激光刻蚀。
【文档编号】B22F3/24GK105935769SQ201610531872
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】顾德阳
【申请人】四川三阳永年增材制造技术有限公司