CN111922341A - 一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，涉及激光增材制造技术领域。该方法步骤包括：选用纯度在99.9％以上，粒度为15μm～30μm的AlSi10Mg粉末；模型设计及切片处理；选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)加工准备，安装纯铝基板，并在粉料钢放入足量的AlSi10Mg粉末，关闭腔门，向腔内倒入氩气保护气，使腔内氧气含量降为0；设定加工参数；选区激光熔化成形，得到仿生龙虾眼薄壁结构。本发明运用激光增材制造技术成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构，通过工艺研究，解决了传统方法加工仿生龙虾眼复杂薄壁结构难度大的问题，能够实现结构的高成形性。

Description

一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法
技术领域
本发明涉及仿生结构加工技术领域，特别涉及一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法。
背景技术
在数百万年的进化过程中，自然生命为了可以在残酷的自然竞争中生存，已经进化出优化的自然结构。根据其特定的居住环境，每种自然结构均具有独特的功能。在光学应用领域，自然结构也有着出色的性能表现。龙虾眼睛是最具代表性的实例之一。龙虾的眼睛是由排列在球形表面上的许多正方形的微通道组成的，每个微通道都窄且长，并且其中心轴朝向球形表面的中心。从不同角度进入通道阵列的光会通过掠入射反射而聚焦，并在龙虾的弯曲视网膜上形成单一图像。由于龙虾眼结构独特的结构特征，因此，龙虾眼结构光学器件具有重量轻，体积小和视野宽的优点，非常适合航空航天应用。
目前，用于制造龙虾眼结构的方法基本上是减法制造。然而，由于减法方法的限制，高纵横比通道难以制造。龙虾眼的球面微通道阵列结构也可以视为由两组彼此垂直的薄壁组成的复杂薄壁结构。相对于传统的减法(例如铣削和机械加工)或等材制造(例如铸造和注塑成形)技术，增材制造(AM)技术由于具有分层制造的特点，使其在复杂的薄壁结构的制造上具有明显的优势。由于高能量密度和原料的粗大尺寸，采用激光熔融沉积技术和电子束熔化技术制造的零件的表面质量和尺寸精度比SLM制造的零件差。因此，SLM技术被广泛用于具有优良特征和复杂结构的薄壁零件的制造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，解决传统方法制造仿生龙虾眼复杂薄壁结构成形质量差的问题。技术方案是采用SLM这一成形技术，通过控制SLM工艺参数获得高成形性的仿生龙虾眼薄壁构件。
本发明的仿生龙虾眼薄壁结构的成形方法，包括如下步骤：
(1)粉末准备：选用纯度在99.9％以上，粒度为15μm-30μm的AlSi10Mg粉末；
(2)模型设计及切片处理：根据龙虾眼的仿生灵感，构建结构的三维实体模型，通过3D打印处理软件对几何模型进行切片处理，切片层厚为20-100μm；
(3)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中安装纯铝基板，并在粉料钢放入足量的AlSi10Mg粉末，关闭腔门，向腔内倒入氩气保护气，使腔内氧气含量降为0；
(4)设定加工参数：设定铺粉厚度(与切片厚度一致)，设定激光加工参数；
(5)选区激光熔化技术：准备工作结束后，开始成形加工。铺粉装置将粉末均匀地铺在成形缸基板上，激光束将按照预设的扫描路径进行扫描，直到整个二维平面成形完毕，接下来，成形缸向下移动一个层厚的距离，粉料缸上升同样的距离，铺粉装置继续均匀铺粉，激光开始成形下一层，直至整个实体结构成形完毕，获得仿生龙虾眼薄壁结构。
进一步的，步骤4中的激光功率为325-425W，对于每一种激光功率，扫描速度、层厚度和扫描间距分别设置为2200mm/s、30μm和50μm。
优选地，步骤5中的加工过程中采用的激光策略为分区岛状扫描策略，扫描策略为初始激光扫描角度为53°，逐层之间旋转增量为37°。
本发明的技术方法为选区熔化技术(SLM)。SLM是一种近年来飞速发展的快速成形(Rapid Manufacturing，RM)技术，可以根据计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)模型直接制作复杂的三维零件，经过材料选择和工艺优化，成形件的致密度可高于95％，可直接满足工业需求。选区激光熔化技术可以一次成形复杂构件，所以激光增材制造技术与仿生结构相结合，采用选区激光熔化技术成形仿生复杂构件，可以发挥SLM技术在复杂结构成形方面的优势，同时能够确保复杂结构的高成形性，提高构件的加工质量。鉴于SLM的工艺特点，可将其用于复杂仿生龙虾眼薄壁构件的成形，获得其它传统工艺难以制备的高成形性复杂构件。
与现有技术相比本发明的优点在于：
(1)相对于传统如铣削和机械加工等减法或如铸造和注塑成形等等材制造技术，增材制造(AM)技术由于具有分层制造的特点，使其在复杂的薄壁结构的制造上具有明显的优势。
(2)由于高能量密度和原料的粗大尺寸，采用激光熔融沉积技术和电子束熔化技术制造的零件的表面质量和尺寸精度比SLM制造的零件差。因此，SLM技术被广泛用于具有优良特征和复杂结构的薄壁零件的制造。
附图说明
图1为本发明实施例1中龙虾眼光学聚焦机理图；
图2为本发明实施例1中龙虾眼SLM加工所用AlSi10Mg粉末的SEM图像；
图3为本发明实施例1中龙虾眼结构的CAD模型图；
图4为本发明实施例1中SLM加工的龙虾眼结构的通道图像；
图5为本发明实施例1中SLM加工的龙虾眼结构的宏观图像；
图6为本发明实施例2中制作的大尺度龙虾眼的展示样件。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的目的和技术方案，下面将结合具体的实施方式对本发明进行详细的描述。显然，下面涉及的实施方式只是为了说明本发明的一部分实施例，并不限制本发明的保护范围。
为了解决上述问题，采用一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，包括如下步骤：
步骤一：粉末准备。选用纯度在99.9％以上，粒度为15μm～30μm的AlSi10Mg粉末。
步骤二：模型设计及切片处理。采用NX 10.0软件构件仿生龙虾眼的三维实体模型，并通过3D打印模型处理软件Materialise Magics 21.0对结构进行分层切片处理，切片层厚为30μm。
步骤三：SLM加工准备。在选区激光熔化设备中安装纯铝基板，并在粉料钢放入足量的AlSi10Mg粉末，关闭腔门，向腔内倒入氩气保护气，使腔内氧气含量降为0。
步骤四：设定加工参数。设定铺粉厚度(与切片厚度一致)为30μm，设定激光加工参数。激光功率为325W、350W、375W、400W以及425W，对于每一种激光功率，扫描速度、层厚度和扫描间距分别设置为2200mm/s、30μm和50μm。
步骤五：选区激光熔化成形。准备工作结束后，开始成形加工。加工过程中采用的激光策略为分区岛状扫描策略，扫描策略为初始激光扫描角度为53°，逐层之间旋转增量为37°。铺粉装置在成形缸基板上均匀地铺一层30μm厚的AlSi10Mg粉末；激光束根据计算机设计好的CAD模型进行扫描，直到整个二维平面成形完毕，接下来，成形缸向下移动一个层厚的距离，粉料缸上升同样的距离，铺粉装置继续均匀铺粉，激光开始成形下一层，直至整个实体结构成形完毕，获得仿生龙虾眼薄壁结构。
其中仿生龙虾眼复杂薄壁结构的结构设计及参数如下：薄壁结构灵感来源于龙虾眼。设计的龙虾眼结构由9×9通道组成。每个通道的开口长度为1.5mm的正方形，每个通道的长度和锥角(α)分别为10mm和2°。所有薄壁的厚度(t)设置为0.2mm,整个龙虾眼结构的锥角为60°。
其中，图1为龙虾眼光学聚焦机理图，图2为龙虾眼结构的CAD模型图，图3是龙虾眼SLM加工所用的AlSi10Mg粉末的SEM图像，图4为SLM加工龙虾眼结构的通道形貌，图5为SLM加工的龙虾眼结构的宏观图像。
其中，基于SLM成形的仿生龙虾眼复杂薄壁构件的性能表征方法，具体步骤如下：
(1)致密度表征。使用阿基米德原理测量了SLM加工部件(包括龙虾眼部件和立方体部件)的密度。为了避免气泡在小通道内滞留，采用乙醇作为溶液，因为乙醇溶液的表面张力(20℃时为0.0223N/m)低于水(20℃时为0.0728N/m)。通过以下方程计算相对密度(ξ)：
ξ＝ρM/ρT×100％
其中，ρM是SLM加工零件的测量密度，ρT是AlSi10Mg(2.68g/cm3)的理论密度。
(2)尺寸精度表征。对于这种特殊的龙虾眼结构，特别强调了锥角(θ)和薄壁厚度(t)的成形精度。沿高度方向切片SLM处理的组分，以便于光学显微镜(OM)观察。
(3)表面粗糙度表征。用LEXT OLS4100激光共聚焦显微镜(Olympus，Japan)测量SLM成形零件的表面粗糙度。另外，使用JSM-6360LV扫描电子显微镜表征表面形貌。
实施例1
最优激光工艺参数下，激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构，结构的三维尺寸为：直径150mm，高度20mm。龙虾眼结构由多个通道组成，每个通道的开口长度为1.5mm的正方形，每个通道的长度和锥角(α)分别为10mm和2°。所有薄壁的厚度(t)设置为0.2mm。整个龙虾眼结构的锥角为60°。具体SLM步骤如下：
步骤一：粉末准备。选用纯度在99.9％以上，粒度为15μm～30μm的AlSi10Mg粉末。
步骤二：模型设计及切片处理。采用NX 10.0软件构件仿生龙虾眼的三维实体模型，并通过3D打印模型处理软件Materialise Magics 21.0对结构进行分层切片处理，切片层厚为30μm。
步骤三：SLM加工准备。在选区激光熔化设备中安装纯铝基板，并在粉料钢放入足量的AlSi10Mg粉末，关闭腔门，向腔内倒入氩气保护气，使腔内氧气含量降为0。
步骤四：设定加工参数。设定铺粉厚度(与切片厚度一致)为30μm，设定激光加工参数。激光功率为400W，扫描速度、层厚度和扫描间距分别设置为2200mm/s、30μm和50μm。
步骤五：选区激光熔化成形。准备工作结束后，开始成形加工。加工过程中采用的激光策略为分区岛状扫描策略，扫描策略为初始激光扫描角度为53°，逐层之间旋转增量为37°。铺粉装置在成形缸基板上均匀地铺一层30μm厚的AlSi10Mg粉末；激光束根据计算机设计好的CAD模型进行扫描，直到整个二维平面成形完毕，接下来，成形缸向下移动一个层厚的距离，粉料缸上升同样的距离，铺粉装置继续均匀铺粉，激光开始成形下一层，直至整个实体结构成形完毕，获得仿生龙虾眼薄壁结构。
其中，图6是实施例2中制作的大尺度龙虾眼的展示样件。

Claims (5)

1.一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)粉末准备：选用纯度在99.9％以上，粒度为15μm-30μm的AlSi10Mg粉末；
(2)模型设计及切片处理：根据龙虾眼的仿生灵感，构建结构的三维实体模型，通过3D打印处理软件对几何模型进行切片处理，切片层厚为20-100μm；
(3)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中安装纯铝基板，并在粉料钢放入足量的AlSi10Mg粉末，关闭腔门，向腔内倒入氩气保护气，使腔内氧气含量降为0；
(4)设定加工参数：设定铺粉厚度与切片厚度一致，设定激光加工参数；
(5)选区激光熔化技术：准备工作结束后，开始成形加工；铺粉装置将粉末均匀地铺在成形缸基板上，激光束将按照预设的扫描路径进行扫描，直到整个二维平面成形完毕，接下来，成形缸向下移动一个层厚的距离，粉料缸上升同样的距离，铺粉装置继续均匀铺粉，激光开始成形下一层，直至整个实体结构成形完毕，获得仿生龙虾眼薄壁结构。
2.根据权利要求1所述的一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，其特征在于，步骤(4)中的激光功率为325-425W。
3.根据权利要求1所述的一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，其特征在于，步骤(4)中的扫描速度、层厚度和扫描间距分别设置为2200mm/s、30μm和50μm。
4.根据权利要求1所述的一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，其特征在于，步骤(5)中的加工过程中采用的激光策略为分区岛状扫描策略，扫描策略为初始激光扫描角度为53°，逐层之间旋转增量为37°。
5.根据权利要求1所述的一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，其特征在于，其成形的仿生龙虾眼复杂薄壁结构的性能表征方法具体步骤如下：
(1)致密度表征；使用阿基米德原理测量了SLM加工部件(包括龙虾眼部件和立方体部件)的密度；为了避免气泡在小通道内滞留，采用乙醇作为溶液，因为乙醇溶液的表面张力(20℃时为0.0223N/m)低于水(20℃时为0.0728N/m)；通过以下方程计算相对密度(ξ)：
ξ＝ρM/ρT×100％
其中，ρM是SLM加工零件的测量密度，ρT是AlSi10Mg(2.68g/cm3)的理论密度；
(2)尺寸精度表征；对于这种特殊的龙虾眼结构，特别强调了锥角(θ)和薄壁厚度(t)的成形精度；沿高度方向切片SLM处理的组分，以便于光学显微镜(OM)观察；
(3)表面粗糙度表征；用LEXT OLS4100激光共聚焦显微镜(Olympus，Japan)测量SLM成形零件的表面粗糙度；另外，使用JSM-6360LV扫描电子显微镜表征表面形貌。
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