一种凝固过程温度梯度可控的3d打印金属材料的方法
【专利摘要】本发明涉及一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法。其步骤为：1）建立金属材料零件的CAD模型；2）选定加工工艺；3）单道熔覆实验；4）模型切片和加工轨迹设计；5）使用有限元分析软件模拟加工过程温度场；6）划分加工区域；7）拟合特征点的温度?时间曲线；8）设定温度梯度；9）求解平台上各电阻丝的控制信号；10）激光3D打印。本发明可以在加工过程中控制成形过程的温度梯度，获得低残余应力、力学性能好的金属材料，极大地节约了成本；还可以根据要求设定加工过程的温度梯度，从而定向地制备金属材料。
【专利说明】一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法
[0001]
技术领域
本发明涉及一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法，具体是在激光3D打印过程中，通过事先模拟计算成形过程的温度场，然后根据计算所得结果生成一系列的控制信号，结合基板加热系统来控制基板表面各区域的温度，进而控制金属凝固过程的温度梯度。本发明属于3D打印技术领域。
【背景技术】
[0002]
3D打印技术是一种与传统削减材料的加工方法截然相反，基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造的方式来制造产品的工艺方法。与传统加工相比，3D打印具有原材料利用率高，设计生产周期短，可以一次成形复杂零件等优势，而且3D打印过程绿色环保，无工业废料产生，是一种环境友好型的加工技术。
[0003]3D打印过程，尤其是激光3D打印过程，是一个伴随着复杂相变的加工过程。加工时，随着高能量密度的束流(激光、电子束、离子束等)注入，工件表面熔池温度急剧上升和下降，使得试样内部存在着巨大的温度梯度，而剧烈的温度梯度使得材料在成形过程中产生很大的热应力，这严重影响着材料的力学性能。
[0004]目前，研究者一般采用基板预热的方法来对加工过程的温度进行调节，这种做法虽然可以减小加工热应力，抑制加工过程中微裂纹的生长，但是这种做法没有考虑加工过程中不同区域的温度梯度的不同，难以控制加工过程中不同区域的温度梯度，而且随着预热温度的提高，因激光3D打印快热快冷的特性带来的优势逐渐减小，容易产生较大的晶粒。本专利提出了一种通过点对点(实为一圆形小区域)的温度控制方案，结合有限元分析结果来控制加工区域温度梯度，进而改善甚至控制3D金属打印件的热应力分布情况，优化晶粒的生长环境，从而提升金属打印件的力学性能。
[0005]
【发明内容】
为了解决金属3D打印过程中因温度梯度剧烈变化带来的热应力问题，本发明提供了一种高效简便的方法来控制加工过程中的温度梯度。采用有限元分析软件来模拟加工过程中的温度场变化，然后选取特征点，拟合出这些特征点的温度-时间曲线，并以此为依据制定一系列控制信号来控制基本上相应区域的电阻丝，使用3D打印过程中输入的高能束流(激光、电子束、离子束等)和加工平台(见图2)上分布的独立电阻丝这两个热源来控制3D打印过程中的温度梯度，部分加工设备分布如图1所示。
[0006]本发明一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法采取如下步骤:
I)建模
建立金属材料零件的CAD模型； 2)选定加工工艺
采用激光作为加工输入热源，选定粉末材料，确定加工时激光参数有功率P、光斑直径d、光斑移动速度V和送粉速度δ ；
3)单道熔覆实验
采用铜板或不锈钢板作加工基板，使用步骤2)中的加工参数进行单道熔覆实验，并对熔覆的单道进行测量，其宽度w和高度为h;
4)模型切片和加工轨迹设计
对模型进行切片分层，层厚由测量的高度h决定，层厚为(h-0.2)?h;根据设定的20%?30%的搭接率以及加工时的熔道宽度b，通过切片软件分割图形，并生成加工轨迹线，相邻线距离为0.6*b~0.8*b，所述的切片软件采用开源软件slie 3；
5)使用有限元分析软件模拟加工过程温度场
使用有限元分析软件模拟加工过程的温度场，热源类型高斯移动热源，热源移动轨迹与步骤4)中的轨迹线相同，热源参数为步骤2)中选定的激光参数；
6)划分加工区域
根据加工平台，划分加工域，每个加工区域均为正方形，并选择每个加工区域的中心点作为特征点；
7)拟合特征点的温度-时间曲线
根据步骤5)中所得的温度场数据，拟合出特征点的温度-时间曲线，选择熔化-凝固区间，把区间细分为10个小区间，根据温度-时间曲线计算出每个小区间的温度梯度；
8)设定温度梯度
设计加工过程中各区域特征点温度-时间曲线上10个小区间端点处的温度，计算出相邻特征点的温度梯度；
9)求解平台上各电阻丝的控制信号
建立平台上各电阻丝在加热时的热学方程，每个加工区域由该加工区域对应加工平台上的电阻丝控制，结合步骤8)中设定的温度梯度，使用有限元分析的方法求解电阻丝的控制信号；
10)激光3D打印
固定好加工基板，按照步骤2)中设定的加工工艺参数进行打印，平台中的电阻丝按照
9)中所求解出的控制信号进行工作；打印发生高温氧化的粉末材料时，需将加工平台移至充满氩气的气氛室中。
[0007]所述的粉末材料是粒径为0.01-0.20mm的金属粉末或合金粉末。
[0008]所述的金属粉末为Fe、Co、N1、Cr、Mn、Cu、Al、T1、Mo、W或V，以及它们的混合粉末。
[0009]所述的合金粉末为304/304L不锈钢、316/316L不锈钢、N1-Cr合金、Ni718合金、TC4合金或TC9合金。
[0010]本发明的优点在于:本专利提出了一种通过点对点(实为一圆形小区域)的温度控制方案，结合有限元分析结果来控制加工区域温度梯度，减小激光3D打印过程中快热快冷带来的的热应力，从而提升金属3D打印件的力学性能;可以控制加工过程的温度梯度，优化晶粒的生长环境，在局部区域达到定向凝固，提升金属3D打印件的高温力学性能;采用粒径为0.01-0.20mm的金属粉末或者金属合金粉末作为原材料，原材料容易获得，价格合理，成本低;使用Nd: YAG光纤激光器作为输入热源，光斑直接小且连续可控。
[0011]
【附图说明】
图1为加工设备不意图；
图中:1、激光头及同轴送粉喷头;2、加工基板;3、加工平台;4、控制箱；
图2为加工平台示意图；
图3为有限元分析流程图。
【具体实施方式】
[0012]
下面结合具体实例，加工Ni718合金材料，对本发明进行详细描述。
[0013]实施例1
Ni718合金材料零件制备方案:
I)建模
建立Ni718合金材料零件模型，长方体模型，长X宽X高:10mmX 20mmX 10mm。
[0014]2)选定加工工艺
选择加工工艺，激光功率P=300W?500W、激光光斑直径d=lmm、光斑移动速度v=0.005m/s?0.05m/s，送粉速度δ=0.1mm3/s~2mm3/s。
[0015]3)单道熔覆实验
根据具体材料选择合适的加工基板，此处选用304不锈钢薄板，使用2)中选定的加工工艺参数进行单道熔覆实验，测量单道熔覆宽1.0mm-1.5mm和单道高0.2mm?0.5mm。
[0016]4)模型切片和加工轨迹设计
对模型进行切片分层，层厚0.2mm~0.5mm;根据设定的搭接率20%?30%以及加工时的熔道宽度1.0mm?1.5_，将层图形分割成加工轨迹线，线宽一般为1.0mm?1.5_。
[0017]5)使用有限元分析软件模拟加工过程温度场
根据2)中工艺参数和4)中轨迹参数，使用有限元分析软件模拟加工过程的温度场。
[0018]6)划分加工区域
根据加工平台，划分加工区域，每个加工区域均为正方形，共划分20个加工区域，每个加工区域为1mm X 1mm，并选择每个加工区域的中心点作为特征点。
[0019]7)拟合特征点的温度-时间曲线
根据5)中所得温度场数据，拟合出特征点的温度-时间曲线，选择好熔化-凝固区间，并把区间细分为10个小区间，根据温度-时间曲线计算出每个小区间的温度梯度。
[0020]8)设定温度梯度
设计加工过程中各区域特征点温度-时间曲线上10个小区间端点处的温度，计算出相邻特征点的温度梯度。
[0021 ] 9)求解平台上各电阻丝的控制信号
建立平台上各电阻丝在加热时的热学方程，为了简化处理，每个加工区域由该加工区域对应加工平台上的电阻丝控制，结合8)中设定的温度梯度，使用有限元分析的方法求解电阻丝的控制信号。
[0022]10)激光3D打印固定好加工基板，按照2)中设定的加工工艺参数进行打印，加工平台中的电阻丝按照
9)中所求解出的控制信号进行工作。
【主权项】
1.一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法，其特征在于:所述的方法采取如下步骤: 1)建模 建立金属材料零件的CAD模型； 2)选定加工工艺 采用激光作为加工输入热源，选定粉末材料，确定加工时激光参数有功率P、光斑直径d、光斑移动速度V和送粉速度δ ； 3)单道熔覆实验 采用铜板或不锈钢板作加工基板，使用步骤2)中的加工参数进行单道熔覆实验，并对熔覆的单道进行测量，其宽度为w和高度为h; 4)模型切片和加工轨迹设计 对模型进行切片分层，层厚由测量的高度h决定，层厚为(h-0.2)?h;根据设定的20%?30%的搭接率以及加工时的熔道宽度b，通过切片软件分割图形，并生成加工轨迹线，相邻线距离为0.6*b~0.8*b，所述的切片软件采用开源软件slie 3； 5)使用有限元分析软件模拟加工过程温度场 使用有限元分析软件模拟加工过程的温度场，热源类型高斯移动热源，热源移动轨迹与步骤4)中的轨迹线相同，热源参数为步骤2)中选定的激光参数； 6)划分加工区域 根据加工平台，划分加工域，每个加工区域均为正方形，并选择每个加工区域的中心点作为特征点； 7)拟合特征点的温度-时间曲线 根据步骤5)中所得的温度场数据，拟合出特征点的温度-时间曲线，选择熔化-凝固区间，把区间细分为10个小区间，根据温度-时间曲线计算出每个小区间的温度梯度； 8)设定温度梯度 设计加工过程中各区域特征点温度-时间曲线上10个小区间端点处的温度，计算出相邻特征点的温度梯度； 9)求解平台上各电阻丝的控制信号 建立平台上各电阻丝在加热时的热学方程，每个加工区域由该加工区域对应加工平台上的电阻丝控制，结合步骤8)中设定的温度梯度，使用有限元分析的方法求解电阻丝的控制信号； 10)激光3D打印 固定好加工基板，按照步骤2)中设定的加工工艺参数进行打印，平台中的电阻丝按照步骤9)中所求解出的控制信号进行工作;打印发生高温氧化的粉末材料时，需将加工平台移至充满氩气的气氛室中。2.根据权利要求书I所述的一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法，其特征在于:所述的粉末材料是粒径为0.01?0.20mm的金属粉末或合金粉末。3.根据权利要求书2所述的金属粉末，其特征在于:所述的金属粉末为Fe、Co、N1、Cr、Mn、Cu、Al、T1、Mo、W或V，以及它们的混合粉末。4.根据权利要求书2所述的合金粉末，其特征在于:所述的合金粉末为304/304L不锈bο '?γγ |—I m τ τν?-'ΤΓΣΓ U m τ、"ΖΕΓ U η τ ι τ、τ、"ΖΕΓ Uτ、τ、(iAl CiA.1τ ο /r\ τ ο ^ t/\A
【文档编号】G06F17/50GK106021795SQ201610385461
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】李多生, 谭树杰, 秦庆华, 王辉, 王明娣, 周亮, 廖小军, 蒋磊, 洪跃, 李锦锦
【申请人】南昌航空大学