CN105935772A - 一种具有仿生表面结构的金属3d打印制备方法 - Google Patents

一种具有仿生表面结构的金属3d打印制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，该制备方法包括如下步骤：确定仿生耐磨增阻表面的分级结构；仿生表面的结构参数及其优化；仿生表面结构的三维数模设计；成形件数模合成及切片分层处理；成形件的激光增材制造；具有仿生表面的成形件无损检测；后处理获得最终成形件。该制备方法具有表面的仿生效果好、操作方便、性能可靠，综合成本低、成形件表面耐磨增阻性能好，能够满足使用要求、提高其使用寿命、能够广泛被推广应用等优点。

Description

一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属增材制造技术领域，尤其涉及一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法。
背景技术
机械零件的磨损失效是其损坏的主要形式，而根据摩擦学的观点，零件的表面通常都要分布着高低不同的微凸体，机加工或者精加工的表面，其微凸体的形状、大小以及密布的情况是各不相同的。而仿生学表明，动物的体表其实是具有表面结构的。例如，动物正因为其具有足垫结构，在其行走甚至狂奔时，一方面可以耐磨减摩，跑起来非常轻捷灵活，另一方面，它们又有脚下不打滑，保持身体平衡的本领，即具有增阻的本领。又如，蚯蚓表皮具有网纹状的多孔结构，同时还不断分泌体液作为润滑剂。这样，它在打地洞时，不仅可以达到正常的液体润滑，而且可以使得表皮耐磨减摩。因此，仿生表面的制造具有很大的意义。目前，产生仿生耐磨减摩增阻表面结构有许多新方法，例如：对成形件进行化学处理(例如酸处理)，腐蚀产生凹凸形仿生非光滑表面；制作聚甲基丙烯酸甲酯负向模板结构，获得厚度为1-4mm的薄膜仿生微纳结构表面等方法。但是，这些方法获得的仿生表面，规则性和可重复性非常差，从而影响了其耐磨减摩增阻的效果，金属增材制造技术可以直接制造出具有仿生表面结构的机械零件。此种表面可以达到耐磨、减摩、增阻的效果。本发明就是基于此而提出的。
发明内容
针对现有技术中制备仿生结构表面方法存在的上述不足，本发明的目的在于：提供一种具有仿生结构表面的金属3D打印制备方法，该方法具有表面的仿生效果好、操作方便、性能可靠，综合成本低、成形件表面耐磨增阻性能好，能够满足使用要求、提高其使用寿命、能够广泛被推广应用等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)根据金属零件耐磨增阻性能的要求，确定仿生表面结构，其中，该仿生表面结构为一种能够采用激光增材制造成形技术制备的分级结构，具体包括：第一级宏观结构，其表面变化是机械零件设计时已经确定的；第二级细观结构，其实通过本发明下述步骤中的激光增材制造即可完成；第三级微观结构，其具有最小尺度在10-90μm的结构；
2)利用模拟仿真技术，在金属零件的模拟工况下，比较不同的表面仿生结构的摩擦、磨损与润滑状况，从而优选出适宜的表面仿生结构，基于单元模块的设计准则，采用适宜的表面区设计方法，设计出表面仿生结构，得到这种仿生表面的结构参数，并且通过正交试验与神经网络模拟实验方法进行参数优化；
3)采用上述方法获得的仿生表面结构，是一种三维结构，利用CAD软件构建仿生表面结构的三维数模，其中，在X、Y、Z轴三维坐标系中，垂直于仿生表面结构的Z轴方向数模的精度要高于X、Y轴方向的数模，由于利用CAD软件构建的三维数模的上述Z轴方向数模的精度与一般的实体零件的三维数模在精度上是不匹配的，因而需校核上述Z轴方向数模的精度是否达到设计精度；
4)利用与步骤3)相同的CAD软件，将成形件原来的三维数模与仿生表面的三维数模进行合成，验证两个数模确实达到了无缝连接之后，获得合成的三维模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维数模进行切片分层处理，层厚为0.3-3mm；
5)将切片分层处理数据导入工控机，控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；选用粒径为10-50微米的金属粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用，在进行成形件的激光增材制造(包括激光选区熔化和激光选区烧结)时，激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％，同时置入随炉标准试件，其中随炉标准试件具有与成形件表面同样的仿生表面结构；
6)对于上述步骤5)获得的具有仿生表面的成形件和随炉标准试件进行轻度酸洗，酸洗时间为1-3min，根据成形件的金属种类选择相配的轻度酸洗用酸洗液；将经过酸洗后的具有仿生表面的成形件进行无损检测，并与随炉标准试件的仿生表面进行比较，当两者的比较结果一致或者在容许误差范围内时，进行下述步骤；其中无损检测包括：典型区域的三维形貌观测、随炉标准试件的摩擦、磨损与润滑实验；
7)将上述步骤6)处理后的成形件进行后处理获得最终成形件，其中后处理包括热处理和/或抛光。
作为上述技术方案的进一步优化，所述的激光选区熔化和激光选区烧结时激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。
作为上述技术方案的进一步优化，所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。
作为上述技术方案的进一步优化，其特征在于：上述步骤6)中的轻度酸洗用酸洗液包括：质量浓度为5-8％的稀硫酸或者质量浓度为4-6％的高锰酸钾和质量浓度为8-10％磷酸混合液，或者质量浓度为2-4％硝酸，或者质量浓度为2-3％的磷酸和质量浓度为6-8％的硝酸混合液。
作为上述技术方案的进一步优化，其特征在于：上述步骤5)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
与现有技术中技术制备仿生表面结构的方法相比，采用本发明方法具有如下优点：其具有表面的仿生效果好、操作方便、性能可靠，综合成本低、成形件表面耐磨增阻性能好，能够满足使用要求、提高其使用寿命、能够广泛被推广应用等优点。
附图说明
附图1为一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法作具体说明。
一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)根据金属零件耐磨增阻性能的要求，确定仿生表面结构，其中，该仿生表面结构为一种能够采用激光增材制造成形技术制备的分级结构，具体包括：第一级宏观结构，其表面变化是机械零件设计时已经确定的；第二级细观结构，其实通过本发明下述步骤中的激光增材制造即可完成；第三级微观结构，其具有最小尺度在10-90μm的结构；
2)利用模拟仿真技术，在金属零件的模拟工况下，比较不同的表面仿生结构的摩擦、磨损与润滑状况，从而优选出适宜的表面仿生结构，基于单元模块的设计准则，采用适宜的表面区设计方法，设计出表面仿生结构，得到这种仿生表面的结构参数，并且通过正交试验与神经网络模拟实验方法进行参数优化；
3)采用上述方法获得的仿生表面结构，是一种三维结构，利用CAD软件构建仿生表面结构的三维数模，其中，在X、Y、Z轴三维坐标系中，垂直于仿生表面结构的Z轴方向数模的精度要高于X、Y轴方向的数模，由于利用CAD软件构建的三维数模的上述Z轴方向数模的精度与一般的实体零件的三维数模在精度上是不匹配的，因而需校核上述Z轴方向数模的精度是否达到设计精度；
4)利用与步骤3)相同的CAD软件，将成形件原来的三维数模与仿生表面的三维数模进行合成，验证两个数模确实达到了无缝连接之后，获得合成的三维模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维数模进行切片分层处理，层厚为0.3-3mm；
5)将切片分层处理数据导入工控机，控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；选用粒径为10-50微米的金属粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用，在进行成形件的激光增材制造(包括激光选区熔化和激光选区烧结)时，激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％，同时置入随炉标准试件，其中随炉标准试件具有与成形件表面同样的仿生表面结构；
6)对于上述步骤5)获得的具有仿生表面的成形件和随炉标准试件进行轻度酸洗，酸洗时间为1-3min，根据成形件的金属种类选择相配的轻度酸洗用酸洗液；将经过酸洗后的具有仿生表面的成形件进行无损检测，并与随炉标准试件的仿生表面进行比较，当两者的比较结果一致或者在容许误差范围内时，进行下述步骤；其中无损检测包括：典型区域的三维形貌观测、随炉标准试件的摩擦、磨损与润滑实验；
7)将上述步骤6)处理后的成形件进行后处理获得最终成形件，其中后处理包括热处理和/或抛光。
所述的激光选区熔化和激光选区烧结时激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。上述步骤6)中的轻度酸洗用酸洗液包括：质量浓度为5-8％的稀硫酸或者质量浓度为4-6％的高锰酸钾和质量浓度为8-10％磷酸混合液，或者质量浓度为2-4％硝酸，或者质量浓度为2-3％的磷酸和质量浓度为6-8％的硝酸混合液。上述步骤5)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
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。

Claims (5)

1.一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)根据金属零件耐磨增阻性能的要求，确定仿生表面结构，其中，该仿生表面结构为一种能够采用激光增材制造成形技术制备的分级结构，具体包括：第一级宏观结构，其表面变化是机械零件设计时已经确定的；第二级细观结构，其实通过本发明下述步骤中的激光增材制造即可完成；第三级微观结构，其具有最小尺度在10-90μm的结构；
2)利用模拟仿真技术，在金属零件的模拟工况下，比较不同的表面仿生结构的摩擦、磨损与润滑状况，从而优选出适宜的表面仿生结构，基于单元模块的设计准则，采用适宜的表面区设计方法，设计出表面仿生结构，得到这种仿生表面的结构参数，并且通过正交试验与神经网络模拟实验方法进行参数优化；
3)采用上述方法获得的仿生表面结构，是一种三维结构，利用CAD软件构建仿生表面结构的三维数模，其中，在X、Y、Z轴三维坐标系中，垂直于仿生表面结构的Z轴方向数模的精度要高于X、Y轴方向的数模，由于利用CAD软件构建的三维数模的上述Z轴方向数模的精度与一般的实体零件的三维数模在精度上是不匹配的，因而需校核上述Z轴方向数模的精度是否达到设计精度；
4)利用与步骤3)相同的CAD软件，将成形件原来的三维数模与仿生表面的三维数模进行合成，验证两个数模确实达到了无缝连接之后，获得合成的三维模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维数模进行切片分层处理，层厚为0.3-3mm；
5)将切片分层处理数据导入工控机，控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；选用粒径为10-50微米的金属粉末放置在100-200℃的烘干箱中进行烘干1-1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用，在进行成形件的激光增材制造(包括激光选区熔化和激光选区烧结)时，激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％，同时置入随炉标准试件，其中随炉标准试件具有与成形件表面同样的仿生表面结构；
6)对于上述步骤5)获得的具有仿生表面的成形件和随炉标准试件进行轻度酸洗，酸洗时间为1-3min，根据成形件的金属种类选择相配的轻度酸洗用酸洗液；将经过酸洗后的具有仿生表面的成形件进行无损检测，并与随炉标准试件的仿生表面进行比较，当两者的比较结果一致或者在容许误差范围内时，进行下述步骤；其中无损检测包括：典型区域的三维形貌观测、随炉标准试件的摩擦、磨损与润滑实验；
7)将上述步骤6)处理后的成形件进行后处理获得最终成形件，其中后处理包括热处理和/或抛光。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，其特征在于：所述的激光选区熔化和激光选区烧结时激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000-5000W，光斑直径D＝2-8mm，扫描速度V＝2-3m/min，搭接率为30-40％。
3.根据权利要求1所述的一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，其特征在于：所述的金属粉末为Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一种或者组合。
4.根据权利要求1所述的一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备制备方法，其特征在于：上述步骤6)中的轻度酸洗用酸洗液包括：质量浓度为5-8％的稀硫酸或者质量浓度为4-6％的高锰酸钾和质量浓度为8-10％磷酸混合液，或者质量浓度为2-4％硝酸，或者质量浓度为2-3％的磷酸和质量浓度为6-8％的硝酸混合液。
5.根据权利要求1所述的一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备制备方法，其特征在于：上述步骤5)中的送粉采用同轴送粉或者非同轴侧向送粉方式。
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