CN108247056B - 一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，该方法是在激光增材制造制件加工过程中增加同步跟随滚压工艺，包括：选择合适的滚压轮尺寸；对实现滚压功能的滚轮高度进行校准；对校准好高度的滚压轮，根据制件所需达到滚压加工效果判别滚压力大小范围，进而调整滚压轮的进给量；3D打印喷头按照打印路径在打印基板上运行；打印过程中可根据当前制件加工的相对高度，调整滚压力大小；对完成滚压力大小调整的滚压轮，进行同步跟随滚压工作；打印层逐层叠加，冷却后形成金属制件。该方法能够不改变工件的形状，而使金属制件内在质量及内部的组织结构得到改善，增加了制件致密性，提高了制件强度。

Description

一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法
技术领域
本发明属于增材制造与激光制造领域，涉及一种对送粉式激光增材制造制件进行同步改性的方法，特别涉及一种滚压工艺。
背景技术
增材制造技术也称3D打印技术，通过逐层堆积材料的方式直接制造产品，与传统的减材制造方法存在本质的区别。由于增材制造具有材料利用率高、生产周期短、成本低等特点，在航空航天、医疗、汽车等诸多领域中具有广泛的应用。
增材制造技术的制造材料可分为金属、非金属及医疗生物材料等，随着制造业全球化发展，以及市场竞争的日益激烈，对于作为制造业基础的金属制件提出了更高的要求。传统金属制件加工普遍工序多，模具成本高，设计制造周期长，难以满足新产品的快速响应制造需求。于是在20世纪90年代以来，随着激光、机械、计算机技术、材料科学技术的发展，针对金属制件的激光增材制造技术由此产生。
激光增材制造技术是一种将激光熔覆与快速原型相结合的先进技术。实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形问题，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。但由于激光增材制造打印技术生产过程影响零件成型质量的因素较多，致使成形件中产生裂纹,降低制件质量和强度，其主要原因在于增材制造技术成形机理的“瞬态熔凝过程”固有特性，这种成形机理导致制件内部存在微观缺陷，如裂纹、空洞、微气孔以及熔合不良等缺陷。
目前也有许多科研人员进行提高激光增材制造制件力学性能的研究，如中国专利CN103173760A，公开了一种利用二道激光提升3D金属制件致密性的方法，利用第一道激光使合金粉末形成打印层，尾随的第二道激光对按第一道激光轨迹进行重溶，通过液态金属本身的流动与内应力释放，减少3D打印过程中的孔洞、气穴、热裂纹、交界面开裂等缺陷，一定程度上提高了金属件致密性，但由于工艺复杂影响加工效率。此外，现有技术下多采用后处理方式消除零件成型时的工艺参数带来的不良影响，如专利CN104087729A，通过对制件交替进行深冷处理和回火处理，从而减小孔隙，提高产品致密度，提高金属件的力学性能。然而，与其他广泛采用的后处理方式相同，工艺过程进一步复杂，在增加制造成本的同时，使得生成产品合格率难以到保障。而广泛应用于各个领域的滚压增强制件强度的工艺方法，在激光增材制造制件上的应用还是空白，并且实现增材制造制件同步改性的方法仍尚未报道。因此，利用滚压工艺有效控制生产工艺参数的同步改性送粉式激光增材制造的方法，有着重要意义。
发明内容
本发明为了解决上述增材制造制件内部存在微观缺陷，如裂纹、空洞、微气孔以及熔合不良等问题，提出一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，能够不改变工件的形状，而使金属制件内在质量及内部的组织结构得到改善，增加制件致密性，提高制件强度，使制件具有所需要的力学性能，解决了现有技术的不足。
本发明是通过以下方案实现的：一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，包括以下步骤：
a.建立待3D打印物体的三维模型：
用计算机辅助设计制造软件构建三维模型并生成STL文件。
b.三维模型切片处理：
利用计算机程序分析定义所制作模型的STL文件生成二维切片，获取轮廓信息。
c.打印成型前准备：
S101：根据激光加工制件的材料应力和加工制件原始粗糙度，选择合适的滚压轮尺寸；
S201：对实现滚压功能的滚压轮高度进行校准；
S301：对校准好高度的滚压轮，根据制件所需达到滚压加工效果判别滚压力大小范围，进而调整滚压轮的进给量。
d.激光打印成型并完成同步改性：
S401：3D打印喷头按照打印路径在打印基板上运行；
S501：打印过程中，可根据当前制件加工的相对高度，调整滚压力大小；
S601：对完成滚压力大小调整的滚压轮，进行同步跟随滚压工作；
S701：打印层逐层叠加，冷却后形成金属制件。
所述步骤S101根据激光加工制件的材料应力和加工制件原始粗糙度，选择合适的滚压轮尺寸，所述的滚压轮由直线电机驱动，若采用圆柱形滚压轮，则滚压长度稍大于喷头的直径，其滚压长度与3D打印喷头直径的尺寸比例关系为5:6，若采用球型滚压轮，满足Rz＝f2/8r,r为滚压头半径，f为滚压进给量，Rz为材料原始表面粗糙度，在打印过程中滚压轮跟随3D打印喷头的打印路径同时进行制件的滚压。
所述步骤S201中的对实现滚压功能的滚压轮高度进行校准，包括首先将滚压轮最低端与3D打印喷头的最低端调整到同一高度，校准滚压轮的初始位置，其次对滚压轮最低位置进行调整，使待加工平面与滚压轮下表面接触。
所述步骤S301中的根据激光加工制件所需达到滚压加工效果，一是仅对表面粗糙度产生影响，起到滚压磨光效果；二是产生材料塑性变形，使内部材料间隙降低，产生应***化效果；进而判定滚压力大小范围，从而调整滚压轮的进给量。
所述步骤S401中的3D打印喷头按照打印路径在打印基板上运行，使二维截面薄片层逐渐成型，所述送粉方式采取同轴送粉方式，所述粉末颗粒为50～100μm合金粉末颗粒，所述激光为CO2激光器或者光纤激光器，该激光器功率P＝1000-4000W，扫描速度V＝2-15mm/s，单道宽度为2-6mm，搭接率为30-40％。
所述步骤S501中根据制件当前加工的高度，采用不同的滚压力进行滚压，该滚压力随着制件加工高度的增加逐渐增大，避免低层时压力大出现，分层现象，而在高层时压力不足。
所述步骤S601中的激光、3D打印喷头和滚压轮的运行轨迹是通过计算机成型控制软件获取三维模型切片后的轮廓信息进行控制。基于3D打印行走路径特点，该滚压工艺路径主要包括直线方式和圆弧方式；该直线路径滚压包括工作面上的行走阶段和路径转换阶段。所述的行走阶段，激光将3D打印喷头喷出的金属颗粒融化的同时沿直线移动，滚压轮沿着激光移动的打印路径进行直线滚压。所述的路径转换阶段，3D打印喷头工作与滚压工作分别进行，3D打印喷头保持位置不变，同时滚压轮以喷头为圆心，沿最短圆弧实现方向的转换，转换角度为3D打印喷头原行走路径与转换后的行走路径的夹角相同。
所述步骤S701中打印层逐层叠加冷却，为处理激光加工和滚压过程产生的余热，同时由于同轴送粉利用率较低，致使大量粉末留在成型件表面，为避免对散热产生不利影响，在激光增材制造过程中采用鼓风机风冷进行冷却，降低成形过程中的热积累。
本发明的有益效果：
本发明是一种获得高表面质量的低成本工艺，通过同步滚压加工不仅可以有效地降低制件表面粗糙度，而且可以使制件表面强化，提高制件表面硬度。同时，材料强化的过程中细化了金属组织，融合并吸收了被压表面下方的材料缺陷，提高了制件的致密性。滚压质量的主要影响因素有滚压进给量、滚压速度、滚压工具的结构。滚压进给量越小，滚压质量越好。滚压速度对滚压后质量影响不大，因此可以大幅度提高滚压效率。滚压后表面粗糙度可以降低1～2级。对于硬度低、塑性好的金属材料，该工艺有很好的适用性。零件抗剪强度提高3％～5％，疲劳强度提高10～15％，硬度提高30～40％，孔隙率0.2～0.5％。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的具体步骤流程图。
图3为本发明之方法所用3D打印装置结构示意图。
图4为本发明的滚压原理图，
图5为本发明的滚压制件表面质量变化示意图，
图中：1-直线电机；1a-伺服电机；2-转动装置；3-3D打印喷头；4-滚压装置；5-波峰；6-波谷；7-填充物；d1-滚压前直径；d2-滚压后直径；H1-滚压前表面粗糙度高度；H2-滚压后表面粗糙度高度。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明是通过以下方案实现的：一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，包如下步骤：
a.建立待3D打印物体的三维模型：
用计算机辅助设计制造软件构建三维模型并生成STL文件。
b.三维模型切片处理：
利用计算机程序分析定义所制作模型的STL文件生成二维切片，获取轮廓信息。
c.打印成型前准备：
S101：根据激光加工制件的材料应力和加工制件原始粗糙度，选择合适的滚压轮尺寸；
S201：对实现滚压功能的滚压轮高度进行校准；
S301：对校准好高度的滚压轮，根据制件所需达到滚压加工效果判别滚压力大小范围，进而调整滚压轮的进给量。
d.激光打印成型并完成同步改性：
S401：3D打印喷头按照打印路径在打印基板上运行；
S501：打印过程中，可根据当前制件加工的相对高度，调整滚压力大小；
S601：对完成滚压力大小调整的滚压轮，进行同步跟随滚压工作。
S701：打印层逐层叠加，冷却后形成金属制件。
本发明的滚压轮由直线电机驱动，若采用圆柱形滚压轮，则滚压长度稍大于3D打印喷头的直径，其滚压长度与喷头直径的尺寸比例关系为5:6，参见图3和图4。若采用球型滚压轮，满足Rz＝f2/8r(r为滚压头半径，f为滚压进给量，Rz为材料原始表面粗糙度)，在打印过程中滚压轮跟随3D打印喷头的打印路径同时进行制件的滚压。
将滚压轮最低端与喷头的最低端调整到同一高度，校准滚压轮的初始位置，其次对滚压轮最低位置进行调整，使待加工平面与滚压轮下表面接触。
根据激光加工制件所需达到滚压加工效果，一是仅对表面粗糙度产生影响，起到滚压磨光效果；二是产生材料塑性变形，使内部材料间隙降低，产生应***化效果；进而判定滚压力大小范围，从而调整滚压轮的进给量。
3D打印喷头按照打印路径在打印基板上运行，使二维截面薄片层逐渐成型，采取同轴送粉方式，粉末颗粒为50～100μm合金粉末颗粒，激光为CO2激光器或者光纤激光器，激光器功率P＝1000-4000W，扫描速度V＝2-15mm/s，单道宽度为2-6mm，搭接率为30-40％。
根据制件当前加工的高度，采用不同的滚压力进行滚压，该滚压力随着制件加工高度的增加逐渐增大，避免低层时压力大出现，分层现象，而在高层时压力不足。
通过计算机成型控制软件获取三维模型切片后的轮廓信息进行控制。基于3D打印行走路径特点，该滚压工艺路径主要包括直线方式和圆弧方式；该直线路径滚压包括工作面上的行走阶段和路径转换阶段。直线行走阶段，激光将3D打印喷头喷出的金属颗粒融化的同时沿直线移动，滚压轮沿着激光移动的打印路径进行直线滚压。滚压路径转换阶段，3D打印喷头工作与滚压工作分别进行，3D打印喷头保持位置不变，同时滚压轮以喷头为圆心，沿最短圆弧实现方向的转换，转换角度为3D打印喷头原行走路径与转换后的行走路径的夹角相同。
为处理激光加工和滚压过程产生的余热，同时由于同轴送粉利用率较低，致使大量粉末留在成型件表面，为避免对散热产生不利影响，在激光增材制造过程中采用鼓风机风冷进行冷却，降低成形过程中的热积累。
实施例1：
本实施例中针对钛合金粉末进行平面制件的3D增材制造实现同步改性，利用滚压工艺使3D打印制件表面强化，硬度强度得到提升，同时细化了金属材料内部组织，参见图5，融合并吸收了被压表面下方的材料缺陷，提高了制件的致密性。所选钛合金粉末颗粒为50～100μm粉末颗粒，以原始表面粗糙度Rz＝2μm，钛合金材料选用常用滚压力为500-1000N为例，本实施例所选的滚压头直径为5mm；所述激光为光纤激光器，该激光器功率P＝4000W，扫描速度V＝12mm/s，单道宽度为4mm，搭接率为30-40％。图5中，5-波峰；6-波谷；7-填充物；d1-滚压前直径；d2-滚压后直径；H1-滚压前表面粗糙度高度；H2-滚压后表面粗糙度高度。
实施例2：
滚压方式的选择，可根据待打印的金属件的形状确定。例如所打印的金属件为单层的金属工艺品或是3D打印制件上表面，对于工件表面质量有较高需求。
该实施例2中的步骤与实施例1相同，只是具体工艺参数稍有区别，所选粉末颗粒为50～100μm粉末颗粒，所选滚压头直径为6mm；所述激光为为CO2激光器，该激光器功率P＝2000W，扫描速度V＝8mm/s，单道宽度为4mm，搭接率为30-40％。
根据所需效果选择较小的滚压力、进给量和表面粗糙度较低的滚压轮。具体的实施方式，应综合考虑金属件各个方向上的强度、受力情况与设计要求，按需设计同步改性方式。
本发明是一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，在滚压过程中其一，该滚压过程与3D打印过程同步进行，其二，不需要更改原有设备，其三，在滚压工序出现故障时并不影响原有设备加工制件的质量。综上，本发明可以不影响原有设备加工精度，同时可增加制件的强度、可靠性高。
如图3所示，本发明之方法所用3D打印装置包括有直线电机1、伺服电机1a、转动装置2、3D打印喷头3和滚压装置4，滚压装置4底下部具有滚压轮41，直线电机1能驱动滚压轮41转动；3D打印喷头3和滚压装置4位于转动装置2下方，直线电机1带动3D打印喷头3工作。

Claims (6)

1.一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.建立待3D打印物体的三维模型：
用计算机辅助设计制造软件构建三维模型并生成STL文件；
b.三维模型切片处理：
利用计算机程序分析定义所制作模型的STL文件生成二维切片，获取轮廓信息；
c.打印成型前准备：
S101：根据激光加工制件的材料应力和加工制件原始粗糙度，选择合适的滚压轮尺寸；
S201：对实现滚压功能的滚轮高度进行校准；
S301：对校准好高度的滚压轮，根据制件所需达到滚压加工效果判别滚压力大小范围；
所述步骤S301中的根据激光加工制件所需达到滚压加工效果，一是仅对表面粗糙度产生影响，起到滚压磨光效果；二是产生材料塑性变形，使内部材料间隙降低，产生应***化效果；进而判定滚压力大小范围，从而调整滚压轮的进给量；
d.激光打印成型并完成同步改性：
S401：3D打印喷头按照打印路径在打印基板上运行；
S501：打印过程中，根据当前制件加工的已有高度，调整滚压力大小；
S601：对完成滚压力大小调整的滚压轮，进行同步跟随滚压工作；
S701：打印层逐层叠加，冷却后形成金属制件；
所述步骤S501中，根据制件当前加工的高度，采用不同的滚压力进行滚压，该滚压力随着制件加工高度的增加逐渐增大，避免低层时压力大出现分层现象，而在高层时压力不足。
2.根据权利要求1所述的一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，其特征在于：所述步骤S201中，包括首先将滚压轮最低端与3D打印喷头的最低端调整到同一高度，校准滚压轮的初始位置，其次对滚压轮最低位置进行调整，使待加工平面与滚压轮下表面接触。
3.根据权利要求1所述的一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，其特征在于：所述步骤S401中的3D打印喷头按照打印路径在打印基板上运行：使二维截面薄片层逐渐成型，送粉方式采取同轴送粉方式，粉末颗粒为50～100μm合金粉末颗粒，激光为CO2激光器或者光纤激光器，该激光器功率P＝1000-4000W，扫描速度V＝2-15mm/s，单道宽度为2-6mm，搭接率为30-40％。
4.根据权利要求1所述的一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，其特征在于：所述步骤S601中的激光、3D打印喷头和滚压轮的运行轨迹是通过计算机成型控制软件获取三维模型切片后的轮廓信息进行控制；基于3D打印行走路径特点，滚压工艺路径包括直线方式和圆弧方式；直线路径滚压包括工作面上的行走阶段和路径转换阶段；所述的行走阶段，激光将3D打印喷头喷出的金属颗粒融化的同时沿直线移动，滚压轮沿着激光移动的打印路径进行直线滚压；所述的路径转换阶段，3D打印喷头工作与滚压工作分别进行，3D打印喷头保持位置不变，同时滚压轮以3D打印喷头为圆心，沿最短圆弧实现方向的转换，转换角度为以3D打印喷头为圆心的新路径方向与原路径方向之间的夹角。
5.根据权利要求1所述的一种对送粉式激光增材制造制件同步改性的方法，其特征在于：所述步骤S701中打印层逐层叠加冷却，为处理激光加工和滚压过程产生的余热，同时由于同轴送粉利用率较低，致使大量粉末留在成型件表面，为避免对散热产生不利影响，在激光增材制造过程中采用鼓风机风冷进行冷却，降低成形过程中的热积累。
6.权利要求1所述方法所用的3D打印装置，其特征在于：包括有直线电机(1)、伺服电机(1a)、转动装置(2)、3D打印喷头(3)和滚压装置(4)，滚压装置(4)底部具有滚压轮(41)，直线电机(1)能驱动滚压轮(41)转动；3D打印喷头(3)和滚压装置(4)位于转动装置(2)下方，直线电机(1)带动3D打印喷头(3)工作。
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