CN108436081A - 一种预置缺陷的金属试样3d打印成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，包括如下步骤：步骤一、根据所需要的金属试样的实际尺寸与形状，采用三维建模软件进行数据模型设计；步骤二、设计一定数量、尺寸、分布的不同类型的缺陷，在三维模型中进行修改；步骤三、将设计好的模型进行切片处理，得到每层的轮廓数据，并规划成形路径；步骤四、根据金属试样的材质选择合适的3D打印金属粉末，选择合适成形尺寸的SLM 3D打印机进行打印成形。本发明首次将3D打印成形方法引入制备预置缺陷的金属试样中，大大简化了目前的制样难度，提高了制样精度。利用激光选区熔化(SLM)3D打印设备不仅能够制备出各种复杂形状的金属试样。

Description

一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法
技术领域
本发明涉及一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法。
背景技术
目前金属3D打印技术逐渐成熟，已经在航空航天、医疗、汽车、核电等领域得到具体应用，但是限于目前3D打印成形技术，金属成形件不可避免的具有不同类型、尺寸的缺陷，与传统的铸、锻、焊等技术形成的缺陷有所差异，现有评价方法并不适用，无法确定不同类型、尺寸的缺陷对金属成形件的力学性能的影响，导致目前金属3D打印成形件的应用基本上局限于对力学性能要求不高的结构件。
通过工业CT、超声等无损检测技术发现，金属3D打印成形件中主要的缺陷为气泡(疏松)、裂纹、融合不良等，对于制备内置裂纹、融合不良缺陷的金属试样，目前主要有两种方法，一种是利用疲劳试验机进行疲劳试验，制造出具有一定尺寸的裂纹缺陷；另一种方法是用等离子体或其他高能束切割出裂纹，然后在焊合。这两种方法制备的缺陷试样已经对样品的组织、性能等进行了不同程度的破坏，无法对缺陷与力学性能间的关系进行有效评价，只适合于对无损检测设备进行标定。而其他类型缺陷，目前缺乏有效的预置技术，因此具有典型金属3D打印缺陷的成形件制备方法和手段目前很不成熟。
针对现有方法的不足，本发明提出一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，该方法在建立3D打印数字模型时，通过三维设计软件在模型内部设置不同类型、尺寸、数量、位置分布的缺陷，采用激光选区熔化(SLM)3D打印设备成形。该方法不仅能够精确设计制备各种复杂形状的具有内部缺陷的金属试样，还保证了不破坏金属基体连续性，能够用于研究缺陷与力学性能之间的关系。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，目前金属试样内部缺陷制备方法导致的材料组织、性能变化，无法用于测量力学性能的问题，且能准确、有计划性的预置更多类型、尺寸、分布、数量的缺陷。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，包括如下步骤：
步骤一、根据所需要的金属试样的实际尺寸与形状，采用三维建模软件进行数据模型设计；
步骤二、设计若干数量、尺寸和分布的不同类型的缺陷，在三维模型中进行修改；
步骤三、将设计好的模型进行切片处理，得到每层的轮廓数据，并规划成形路径；
步骤四、根据金属试样的材质选择匹配的3D打印金属粉末，选择相应成形尺寸的SLM 3D打印机进行打印成形；
步骤五、用线切割将金属成形件从基板上切割下来，去除多余的支撑材料，最终得到所需形状和尺寸的具有内置缺陷的金属试样。
优选的，步骤二中的所述缺陷的类型是气孔、融合不良或裂纹导致的金属成形件不致密的缺陷。
优选的，步骤二中的所述缺陷是一类或多类混合存在。
优选的，步骤五中的所述金属试样的形状为不规则形状。
优选的，所述SLM 3D打印机具有良好的控制精度、控温装置和防氧化装置。
本发明的有益效果：本发明首次将3D打印成形方法引入制备预置缺陷的金属试样中，大大简化了目前的制样难度，提高了制样精度。利用激光选区熔化(SLM)3D打印设备不仅能够制备出各种复杂形状的金属试样，而且保证了金属基体的连续性，同时可以准确确定缺陷的位置、形貌等，能更好的结合力学性能试验结果分析缺陷与力学性能的关系，为金属3D打印成形件的应用提供有力的理论支持。
附图说明
附图1为本发明预置缺陷的金属试样3D打印成形方法流程示意图；
图2为激光选区熔化(SLM)工艺3D打印设备的示意图。图中：1激光器，2保护气体，3铺粉辊，4原料粉末仓，5送粉仓升降台，6气孔类缺陷，7成形平台升降台，8基板，9裂纹缺陷，10TC4钛合金试样，11成形腔，12激光束，13扫描振镜。
具体实施方式
下面结合附图1、图2与实施例对本发明进一步说明。
实施案例：
本案例是制备一份具有3个气孔缺陷6和1条裂纹9的TC4钛合金试样10，试样的尺寸为20*20*20mm，气孔的直径0.05mm～0.1mm，裂纹长度为8mm，其具体制备过程如下：
步骤一、利用三维建模软件，如Pro-E，UG，Solidworks等进行TC4钛合金试样10的建模；
步骤二、将需要的缺陷6、9的尺寸、位置等信息添加至试样模型，形成带有缺陷的三维模型；
步骤三、选择合适尺寸的激光选区熔化(SLM)3D打印设备，利用打印机配套的软件对三维模型进行切片处理及打印路径规划，然后设置打印参数；
步骤四、将基板8放置在成形平台升降台7上，通入保护气体2，激光器1产生的激光束12经过扫描振镜13的折射进入成形腔11。激光选区熔化(SLM)3D打印设备成形腔应具有控温功能及防氧化装置。
步骤五、送粉仓升降台5上升，铺粉辊3将粉末输送至基板8上，激光束12沿规划的打印路径扫描将基板上的TC4粉末熔化再凝固，形成试样的第一层切片轮廓，然后成形平台升降台7下降一个切片厚度。
步骤六、重复步骤五，逐层完成整个TC4钛合金试样10的打印工作。
步骤七、将基板8从成形平台升降台7上取下，利用线切割将TC4钛合金试样10从基板8下取下，去除多余的材料，得到最终所需的预置缺陷的TC4钛合金试样。
上述方法中，每层成形的基本形貌与金属试样对应位置的形貌相同，每层成形厚度根据精度等进行设计。预置的缺陷类型可以为单一缺陷类型，如气泡、裂纹等，也可以为不同类型、尺寸、数量、分布的缺陷混合，具体情况视实验研究要求而定。试样的成分可以为单一金属，也可以为合金成分，形状可以为标准的力学试样，也可以为复杂异形件，具体的形状与尺寸由实验研究决定。激光选区熔化(SLM)3D打印设备应具有良好的控制精度、控温装置和防氧化装置，保证金属试样正常打印和预置缺陷的打印精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据所需要的金属试样的实际尺寸与形状，采用三维建模软件进行数据模型设计；
步骤二、设计若干数量、尺寸和分布的不同类型的缺陷，在三维模型中进行修改；
步骤三、将设计好的模型进行切片处理，得到每层的轮廓数据，并规划成形路径；
步骤四、根据金属试样的材质选择匹配的3D打印金属粉末，选择相应成形尺寸的SLM3D打印机进行打印成形；
步骤五、用线切割将金属成形件从基板上切割下来，去除多余的支撑材料，最终得到所需形状和尺寸的具有内置缺陷的金属试样。
2.如权利要求1所述的一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，步骤二中的所述缺陷的类型是气孔、融合不良或裂纹导致的金属成形件不致密的缺陷。
3.如权利要求1所述的一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，步骤二中的所述缺陷是一类或多类混合存在。
4.如权利要求1所述的一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，步骤五中的所述金属试样的形状为不规则形状。
5.如权利要求1所述的一种预置缺陷的金属试样3D打印成形方法，其特征在于，所述SLM 3D打印机具有良好的控制精度、控温装置和防氧化装置。
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