一种金属3D打印方法及系统与流程

本发明涉及金属3d打印领域，特别是涉及一种金属3d打印方法及系统。

背景技术：

金属3d打印是近年来快速发展的一种新型制造工艺。金属3d打印工艺主要分为基于粉床的激光/电子束选区熔化技术(powderbedfusion)以及基于送粉/送丝的直接能量沉积技术(powder/wirefedbaseddirectenergydeposition)两大类。其中，基于粉床的激光选区熔化技术是目前应用最为广泛、技术最为成熟的工艺之一。该技术的一个独特优势在于，可以制造出任意复杂的内部结构，比如随形冷却水路或热流道结构，这种结构具有更高的换热效率和更好的温度场均匀性，已经广泛应用于高端随形冷却模具。

然而，金属3d打印所制造的内部结构仍然如下不足：第一，形状精度和尺寸精度差，当所加工的水路或热流道等位于结构内部时，在金属3d打印过程中无法添加支撑，因此，形状精度和尺寸精度难以有效保证，一般来讲，金属3d打印水路或热流道等内部结构的截面积往往小于设计面积；第二，表面质量差，根据测量数据，金属3d打印的内部水路或热流道等内部结构的内表面的表面粗糙度往往大于ra15μm，此外，由于激光扫描导致内表面的热量集中，而且扩散困难，内表面往往粘接了很多未熔的金属粉末颗粒，导致内表面质量很差。由于以上两个方面的原因，导致金属3d打印的质量受到很大影响。以水路为例，根据实验测试，对于直径为2mm-4mm的异型水路，在相同的冷却水压力下，传统的cnc(computerizednumericalcontrol，计算机数字化控制技术)加工的水路的流量比金属3d打印水路的流量高30％～80％左右，这表明，金属3d打印水路中冷却水的流动阻力要远高于cnc加工水路。此外，由于金属3d打印水路内表面粘接的大量未熔粉末颗粒以及表面的疏松层，水路的表面换热系数也低于cnc加工水路。由于以上两方面原因，实验结果表明金属3d打印水路的换热性能要逊于传统的cnc加工水路，尤其是当水路直径小于3mm时，这种差距更加明显。

综上所述，金属3d打印对内部结构进行加工时存在精度差和粗糙度较高的问题

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属3d打印方法及系统，提高内部结构打印的精度，降低粗糙度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属3d打印方法，利用cnc加工主轴和激光3d打印机床进行金属3d打印；所述cnc加工主轴与所述激光3d打印机床中的激光发射装置共用同一个加工平台；

所述金属3d打印方法包括：

根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分；

按照所述待成型工件的模型的形状和尺寸控制所述cnc加工主轴对所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理；

判断所述待成型工件的模型是否全部打印完成，得到判断结果；

若所述判断结果表示否，则更新所述待打印部分，并返回步骤“根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分”；

若所述判断结果表示是，则确定打印完成并停止打印。

可选的，在所述根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分之前，还包括：

建立待成型工件的模型；

对所述待成型工件的模型进行分层处理；

对分层处理后的所述待成型工件的模型中的每一层进行激光扫描路径和切削路径的规划；所述激光扫描路径用于限定所述激光3d打印机床中激光发射装置的打印路径；所述切削路径用于限定所述cnc加工主轴的切削路径。

可选的，在所述建立待成型工件的模型之前，还包括：

通过计算所述cnc加工主轴的坐标系、所述激光发射装置的坐标系和所述待成型工件的坐标系之间的相对位置实现坐标统一。

可选的，所述建立待成型工件的模型，具体包括：

利用cad软件对所述待成型工件进行建模，得到cad模型；

将所述cad模型转换为三角形网络模型；

确定所述三角形网络模型在虚拟加工平台中的位置，并将定位后的所述三角形网络模型导出，得到带有坐标的待成型工件模型。

一种金属3d打印系统，利用cnc加工主轴和激光3d打印机床进行金属3d打印；所述cnc加工主轴与所述激光3d打印机床中的激光发射装置共用同一个加工平台；

所述金属3d打印系统包括：

3d打印模块，用于根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分；

切削模块，用于按照所述待成型工件的模型的形状和尺寸控制所述cnc加工主轴对所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理；

判断模块，用于判断所述待成型工件的模型是否全部打印完成，得到判断结果；

更新返回模块，用于若所述判断结果表示否，则更新所述待打印部分，并返回所述3d打印模块；

结束模块，用于若所述判断结果表示是，则确定打印完成并停止打印。

可选的，所述金属3d打印系统还包括：

模型建立模块，用于建立待成型工件的模型；

分层模块，用于对所述待成型工件的模型进行分层处理；

路径规划模块，用于对分层处理后的所述待成型工件的模型中的每一层进行激光扫描路径和切削路径的规划；所述激光扫描路径用于限定所述激光3d打印机床中激光发射装置的打印路径；所述切削路径用于限定所述cnc加工主轴的切削路径。

可选的，所述金属3d打印系统还包括：

坐标统一模块，用于通过计算所述cnc加工主轴的坐标系、所述激光发射装置的坐标系和所述待成型工件的坐标系之间的相对位置实现坐标统一。

可选的，所述模型建立模块包括：

cad建模单元，用于利用cad软件对所述待成型工件进行建模，得到cad模型；

模型转换单元，用于将所述cad模型转换为三角形网络模型；

定位导出单元，用于确定所述三角形网络模型在虚拟加工平台中的位置，并将定位后的所述三角形网络模型导出，得到带有坐标的待成型工件模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的金属3d打印方法及系统，在每次所述激光3d打印机床打印完预设层数后利用所述cnc加工主轴将所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理，从而能够对尺寸和形状进行进一步加工，避免尺寸和形状较小，提高打印内部结构的打印精度，同时，切削处理在对尺寸和形状进行进一步加工的同时，能够切削掉因激光打印导致内部结构的内表面粘接的粉末，提高内部结构内表面的光滑度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的金属3d打印方法的方法流程图；

图2为本发明实施例1的金属3d打印方法中增减材的方法流程图；

图3为本实施例2的金属3d打印方法所采用的装置结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种金属3d打印方法及系统，提高内部结构打印的精度，降低粗糙度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

一种金属3d打印方法，利用cnc加工主轴和激光3d打印机床进行金属3d打印；所述cnc加工主轴与所述激光3d打印机床中的激光发射装置共用同一个加工平台。激光3d打印机床采用粉床式激光选区熔化技术。

图1为本发明实施例1的金属3d打印方法的方法流程图。

参见图1，该金属3d打印方法包括：

步骤101：通过计算所述cnc加工主轴的坐标系、所述激光发射装置的坐标系和所述待成型工件的坐标系之间的相对位置实现坐标统一。

步骤102：建立待成型工件的模型。

该步骤102具体包括：

利用cad软件对所述待成型工件进行建模，得到cad模型。

将所述cad模型转换为三角形网络模型。

确定所述三角形网络模型在虚拟加工平台中的位置，并将定位后的所述三角形网络模型导出，得到带有坐标的待成型工件模型。虚拟加工平台为对加工平台进行建模形成的虚拟模型。

步骤103：对所述待成型工件的模型进行分层处理。

步骤104：对分层处理后的所述待成型工件的模型中的每一层进行激光扫描路径和切削路径的规划；所述激光扫描路径用于限定所述激光3d打印机床中激光发射装置的打印路径；所述切削路径用于限定所述cnc加工主轴的切削路径。

步骤105：在每次所述激光3d打印机床打印完预设层数后利用所述cnc加工主轴将所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理。

图2为本发明实施例1的金属3d打印方法中增减材的方法流程图。参见图2，该步骤105具体包括：

步骤201：根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分。

步骤202：按照所述待成型工件的模型的形状和尺寸控制所述cnc加工主轴对所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理。

步骤203：判断所述待成型工件的模型是否全部打印完成，得到判断结果。

步骤204：若所述判断结果表示否，则更新所述待打印部分，并返回步骤201。

步骤205：若所述判断结果表示是，则确定打印完成并停止打印。

实施例2：

该实施例2公开的金属3d打印方法是一种粉床式激光选区熔化与cnc加工两种工艺复合制造的工艺过程控制方法，可使两种工艺交替进行，同时对一个工件进行加工。粉床式激光选区熔化用于进行激光增材打印，cnc加工用于进行切削减材。该实施例2既可以利用激光增材打印出复杂的内部结构，同时又可以利用cnc减材工艺提高内部结构的形状精度、尺寸精度和表面质量。

图3为本实施例2的金属3d打印方法所采用的装置结构图。

参见图3，该装置由cnc加工主轴1和激光3d打印机床构成。cnc加工主轴1与激光3d打印机床中的激光发射装置3共用同一个加工平台9。该加工平台9支持两个工件同时加工。其中5为第一工件，7为第二工件。(图2中所示的工件均表示加工完成之后的工件)。cnc加工主轴1、激光发射装置3和两个工件均有对应的坐标系。其中，2为cnc加工主轴的坐标系，4为激光发射装置的坐标系，6和8分别两个待成型工件的坐标系。

本实施例2所提出的金属3d打印方法主要包括如下步骤：首先，需要建立cnc加工主轴的坐标系、激光发射装置的坐标系、待成型工件的坐标系三个坐标系之间的相对位置，从而实现三种坐标系之间的统一，本发明提出了统一三种坐标系的方法。在统一坐标系的基础之上，本发明还提出了从待成型工件的cad建模到最终使用激光增材和cnc减材交替进行制造加工出最终工件的整个工艺过程的控制方法。

该金属3d打印方法具体包括如下步骤：

第一步：通过计算所述cnc加工主轴的坐标系2、所述激光发射装置的坐标系4和所述待成型工件的坐标系6和8之间的相对位置实现坐标统一。

cnc加工主轴的坐标系2是以机床的机械原点作为参考点。激光增材是在激光发射装置的坐标4下进行的，而cnc减材则是在cnc加工主轴的坐标系2下进行。另外，cnc减材的编程则是在第一待成型工件的坐标系6和第二待成型工件的坐标系8下进行的，因此，必须要确定cnc加工主轴的坐标系2、激光发射装置的坐标系4和两个待成型工件的坐标系6和8之间的相对位置。因此必须要将三种坐标系统一起来。本实施例2提出如下方法来实现三种坐标系之间的统一：

①在激光发射装置的坐标系4下，激光扫描偏转角为0的情况下，将激光直接入射在加工平台9上，找到偏转角为0时，激光照射的位置。

②在cnc加工主轴1上安装直径小于1mm的铣刀，然后让cnc加工主轴1回到机床原点，再移动cnc加工主轴1使刀具中心点与激光照射点的中心重合，通过计算从机床原点移动到刀具中心点与激光照射点的中心重合的位置所移动的方向和距离，则可得到cnc加工主轴的坐标系2与激光发射装置的坐标系4之间的相对位置，当激光偏转角为0时，激光照射位置在cnc加工主轴的坐标系2中的位置，记为(xlaser,ylaser)。

③为计算cnc减材的编程坐标系(即第一待成型工件的坐标系6和第二待成型工件的坐标系8)与cnc加工主轴的坐标系2的相对位置，提取待加工工件的stl模型(三角形网格模型)，然后提取编程坐标系原点在激光发射装置的坐标系4中的坐标值为(xp,yp)，则编程坐标系6、8与cnc机床坐标系2的相对位置为(xlaser+xp，ylaser+yp)。

这样cnc加工主轴的坐标系2、激光发射装置的坐标系4和编程坐标系就统一起来，从而为后续的增减材复合加工奠定基础。

第二步：建立待成型工件的模型。

待成型工件的cad建模，可选用商业化的cad建模软件如solidworks，ug，catia等。

将待成型工件的cad模型转换为stl模型(三角形网格模型)。

将待成型工件的stl模型在所构建的虚拟加工平台中进行定位与位置摆放，确定好待成型工件在虚拟加工平台中的位置。

将定位后的stl模型导出，以用作数控编程。

第三步：对定位后的stl模型进行分层切片，分层厚度一般为0.02mm～0.1mm。

第四步：对分层处理后的所述待成型工件的模型中的每一层进行激光扫描路径和切削路径的规划；所述激光扫描路径用于限定所述激光3d打印机床中激光发射装置的打印路径；所述切削路径用于限定所述cnc加工主轴的切削路径。

1、对切片之后的层片文件进行激光扫描路径的规划，包括轮廓扫描方式和填充扫描方式。

2、根据所规划的扫描路径、分层厚度等，生成增材制造加工指令，包括激光的扫描直径、送粉指令、铺粉指令、加工平台升降指令等。

3、根据激光增材和cnc减材两种工艺的间隔层数，将所生成的增材制造加工指令进行分段，在需要从激光增材工序转为cnc减材工序的位置，插入暂停指令。一般每隔预设数量的层数就插入一个暂停指令。

4、根据定位后的stl模型，进行cnc加工的数控编程，生成cnc加工所需要的gcode指令文件。

5、根据激光增材和cnc减材两种工艺的间隔层数(即预设数量的层数)，将所生成的cnc减材制造加工指令进行分段，在需要从cnc减材工序转为激光增材制造工序的位置，插入暂停指令。一般每隔预设数量的层数就插入一个暂停指令。预设数量的层数为5-10层。

第五步：在每次所述激光3d打印机床打印完预设层数后利用所述cnc加工主轴将所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理。即包括：根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分。按照所述待成型工件的模型的形状和尺寸控制所述cnc加工主轴对所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理。判断所述待成型工件的模型是否全部打印完成，得到判断结果。若所述判断结果表示否，则更新所述待打印部分，并返回步骤“根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分”。若所述判断结果表示是，则确定打印完成并停止打印。

具体实施方式如下：

1、开始加工：读取激光增材制造加工代码，然后从第一层开始进行激光增材制造加工。

2、激光增材制造一直进行，直到读到暂停指令，此时激光停止扫描，铺粉器移至初始位置，激光增材加工暂停。

3、暂停之后，输出一个继电器开关，标记激光增材阶段完成。

4、cnc减材部分实时获取激光增材继电器开关状态，一旦检测到增材阶段完成，则cnc减材自动开始执行。

5、cnc减材工序一直执行，直到cnc加工暂停代码位置，此时cnc加工的主轴回到初始位置，cnc加工暂停；

6、暂停之后输出一个继电器开关，标记cnc减材阶段完成。

7、激光增材部分实时获得cnc减材继电器开关状态，一旦检测到减材加工完成，则又开始激光增材制造。

8、如此激光增材、cnc减材交替执行，直到所有的零件分层后的层片文件加工完成。

实施例3：

该实施例3公开一种金属3d打印系统，利用cnc加工主轴和激光3d打印机床进行金属3d打印；所述cnc加工主轴与所述激光3d打印机床中的激光发射装置共用同一个加工平台。

所述金属3d打印系统在每次所述激光3d打印机床打印完预设层数后利用所述cnc加工主轴将所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理。

所述金属3d打印系统包括：

3d打印模块，用于根据待成型工件的模型控制所述激光3d打印机床在所述加工平台上对预设层数的待打印部分进行打印，形成预设层数的已打印部分。

切削模块，用于按照所述待成型工件的模型的形状和尺寸控制所述cnc加工主轴对所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理。

判断模块，用于判断所述待成型工件的模型是否全部打印完成，得到判断结果。

更新返回模块，用于若所述判断结果表示否，则更新所述待打印部分，并返回所述3d打印模块。

结束模块，用于若所述判断结果表示是，则确定打印完成并停止打印。

可选的，所述金属3d打印系统还包括：

模型建立模块，用于建立待成型工件的模型。

分层模块，用于对所述待成型工件的模型进行分层处理。

路径规划模块，用于对分层处理后的所述待成型工件的模型中的每一层进行激光扫描路径和切削路径的规划；所述激光扫描路径用于限定所述激光3d打印机床中激光发射装置的打印路径；所述切削路径用于限定所述cnc加工主轴的切削路径。

可选的，所述金属3d打印系统还包括：

坐标统一模块，用于通过计算所述cnc加工主轴的坐标系、所述激光发射装置的坐标系和所述待成型工件的坐标系之间的相对位置实现坐标统一。

可选的，所述模型建立模块包括：

cad建模单元，用于利用cad软件对所述待成型工件进行建模，得到cad模型。

模型转换单元，用于将所述cad模型转换为三角形网络模型。

定位导出单元，用于确定所述三角形网络模型在虚拟加工平台中的位置，并将定位后的所述三角形网络模型导出，得到带有坐标的待成型工件模型。虚拟加工平台为对加工平台进行建模形成的虚拟模型。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的金属3d打印方法及系统，在每次所述激光3d打印机床打印完预设层数后利用所述cnc加工主轴将所述预设层数的已打印部分进行切削减材处理，从而能够对尺寸和形状进行进一步加工，避免尺寸和形状较小，提高打印内部结构的打印精度，同时，切削处理在对尺寸和形状进行进一步加工的同时，能够切削掉因激光打印导致内部结构的内表面粘接的粉末，提高内部结构内表面的光滑度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。