專利名稱：一種差異化激光3d打印金屬件的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種3D打印金屬件的方法，特別是指一種差異化激光3D打印金屬件的方法。
背景技術(shù)：
3D打印技術(shù)是一種新興的成型方法，其核心是將所需成型工件的復雜3D形體通過切片處理轉(zhuǎn)化為簡單的2D截面的組合，因此不必采用傳統(tǒng)的加工機床和模具，依據(jù)工件的三維計算機輔助設計模型，激光3D打印設備在計算機控制下，沿著高度方向逐層沉積材料，并使片層與片層之間相互粘接，最終堆積成三維工件。目前主要的3D打印方法有激光固化式方法、激光燒結(jié)式方法、激光切紙式方法、三維打印式方法和熔融擠壓式方法。傳統(tǒng)的3D打印中，一般以光敏樹脂、尼龍、石蠟、紙箔等有機材料為主要原料，使用金屬合金粉末進行3D打印的技術(shù)還不夠成熟，對于打印同一金屬件而言，其激光功率、激光掃描速度、噴粉速度等參數(shù)都是固定的，因此，成型后的金屬件的內(nèi)部、外部的機械性能幾乎相同，而有些金屬件要求表面的機械性能比內(nèi)部的機械性能要高，在打印這類金屬件時，往往使用滿足金屬表面機械性能的激光參數(shù)打印整個金屬件，這樣就造成金屬件的成型效率非常低，而大型金屬件的成型效率就更低。此外，目前的激光3D打印方法所使用的激光頭只配置一個粉末噴頭，能夠滿足一般金屬件的打印需求。但是對于大型金屬件以及需要使用不同金屬粉末、不同送粉速度進行3D打印時，這種打印方法效率低，粉末浪費嚴重，而且打印過程中容易存在一定的缺陷，導致金屬件的致密性不夠。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種差異化激光3D打印金屬件的方法，該方法對每層打印層劃分區(qū)域，利用不同的激光參數(shù)打印金屬件的不同部位，從而既該方法既滿足了金屬件的機械性能要求，又大大提高了金屬件的成型效率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種差異化激光3D打印金屬件的方法，包括:A.在打印層上任取一點，該點到打印層邊緣的最小距離設為H，當0 < H彡I時，該點屬于打印層的外部；當I < HS 1+5時，該點屬于打印層的中部，當H > 1+5時，該點屬于打印層的內(nèi)部，其中I < I彡3mm ；B.將預處理好的打印底板、打印底座放置在打印工位，利用激光和合金粉末在預處理好的打印底板上逐層疊加打印金屬件，并對打印區(qū)域進行惰性氣體保護，其中，每一層打印層的外部低速精修，激光速度(0-l]m/min，送粉速度[10-20] g/min，掃描寬度為[2_4]mm ;每一層打印層的中部中速沉積,激光速度(l-3]m/min,送粉速度(20-40] g/min,掃描寬度為[2-4]mm ;每一層打印層的內(nèi)部高速堆積，激光速度(3-5]m/min,送粉速度(40-60] g/min，掃描寬度為[2-6]mm，若打印層的內(nèi)部某區(qū)域?qū)挾刃∮趦?nèi)部設定的掃描寬度，則該區(qū)域依照中部的打印參數(shù)進行打印；C.對金屬件進行后期加工。作為一種優(yōu)選的方案，激光在打印層外部、中部、內(nèi)部的打印厚度均相等，為
0.5-2mm。作為一種優(yōu)選的方案，打印外部、中部所采用的激光為光纖激光，功率均為2000W，激光波長為1.06um ;打印內(nèi)部所采用的激光為光纖激光，功率為4000W，激光波長為
1.06umo作為一種優(yōu)選的方案，打印外部、中部所采用的激光為二氧化碳激光，功率均為3000W，激光波長為10.6um ;打印內(nèi)部所采用的激光為二氧化碳激光，功率為5000W，激光波長為 10.6umo作為一種優(yōu)選的方案，每層打印層的打印順序為內(nèi)部一中部一外部。作為一種優(yōu)選的方案，所述步驟C包括Cl、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出；C2、將金屬件與打印底板剝離；C3、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工。作為另一種優(yōu)選的方案， 所述步驟C包括Cl 1、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出；C12、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工；C13、將金屬件與打印底板剝離；C14、對金屬件上與打印底板連接的連接面進行后期機加工。作為進一步的改進，該方法采用的激光噴頭包括三個粉末噴頭，每個粉末噴頭均連通送氣管路和送粉管路，該三個粉末噴頭旋轉(zhuǎn)更換分別對打印層外部、中部、內(nèi)部進行打印。采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的效果是:該方法根據(jù)每層打印層中不同點到邊緣的最小距離科學的將每層打印層劃分外部、中部和內(nèi)部，并對打印層的外部、中部和內(nèi)部采用不同的激光速度和送粉速度進行打印，可確保成型金屬件的表面機械性能的同時，還提高了金屬件的成型效率。又由于激光在打印層外部、中部、內(nèi)部的打印厚度均相等，為0.5-2_，這樣可確保打印層與打印層之間更好的粘接，減少打印過程中的誤差。又由于該方法采用的激光噴頭包括三個粉末噴頭，每個粉末噴頭均連通送氣管路和送粉管路，該三個粉末噴頭旋轉(zhuǎn)更換分別對打印層外部、中部、內(nèi)部的進行打印，因此，該方法可實現(xiàn)不同合金粉末和送粉速度的快速切換，使3D打印的效率更高。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明實施例1中打印層的區(qū)域劃分圖原理圖；圖2是本發(fā)明實施例1中打印層的區(qū)域劃分圖；圖3是本發(fā)明實施例2中打印層的區(qū)域劃分圖；圖4是本發(fā)明實施例3中打印層的區(qū)域劃分圖5是本發(fā)明實施例1中最終成型的金屬件的立體圖；圖6是發(fā)明實施例1利用到的激光噴頭的立體圖；附圖中:1.外部；2.中部；3.內(nèi)部；4.連接座；5.轉(zhuǎn)盤；6.粉末噴頭；61.進氣孔；62.送粉孔；7.動力裝置；8.連接套管。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。實施例1如圖1、2、5、6所不,一種差異化激光3D打印金屬件的方法,包括:A.預先劃分每一層打印層中的任一點所屬區(qū)域；在打印層上任取一點，該點到打印層邊緣的最小距離設為H，該打印層邊緣包括外邊緣，若成型金屬件中有孔或腔，那么該邊緣還應當包括內(nèi)邊緣，當0 < HS I時，該點屬于打印層的外部I ;當I < HS 1+5時，該點屬于打印層的中部2，當H> 1+5時，該點屬于打印層的內(nèi)部3，其中I <1彡3_，本實施例中I的選值為Imm ；B.將預處理好的打印底板、打印底座放置在打印工位，利用激光和合金粉末在預處理好的打印底板上逐層疊加打印金屬件,并對打印區(qū)域進行惰性氣體保護,該惰性氣體一般采用氮氣，其中，每一層打印層的外部I低速精修，激光速度0.5m/min，送粉速度IOg/min,掃描寬度為2_ ;每一層打印層的中部2中速沉積,激光速度lm/min,送粉速度20.5g/min,掃描寬度為2mm ;每一層打印層的內(nèi)部3高速堆積，激光速度3.5m/min,送粉速度40.5g/min，掃描寬度為2mm，若打印層的內(nèi)部3某區(qū)域?qū)挾刃∮趦?nèi)部3設定的掃描寬度，則該區(qū)域依照中部2的打印參數(shù)進行打印；
·
由圖1、5可知，該實施例中，需要打印的金屬件外部I輪廓并不規(guī)則，但是整體為柱狀結(jié)構(gòu)，且柱體內(nèi)有兩個圓孔，該兩個圓孔的圓心之間的距離大于R1+R2+2 (I+I+5)，因此，在電腦中模擬切片得出形狀相同的打印層，由此可知，金屬件的外部I輪廓即為每層打印層的外邊緣，兩個圓孔的內(nèi)孔壁即為每層打印層的內(nèi)邊緣；如圖1所示，取點M、N、K并分別對M、N、K劃分所屬區(qū)域。該M點靠近打印層的外邊緣，M點與外邊緣之間的最小距離為M點到外邊緣的垂線段長度，測量得到數(shù)值ml，M點到兩個圓孔的內(nèi)邊緣之間的最小距離分別為m2、m3，比較ml、m2、m3的數(shù)值大小發(fā)現(xiàn)，ml < m2 < m3，那么ml即為M點到打印層邊緣的最小距離H，再將ml與1、1+5進行比較，本實施例中的I取值為l，ml就與數(shù)值1、6進行比較得出ml < 1，那么，該M點就落入打印層的外部I。同理，對N點進行分析，該N點處于兩個圓心的連線上，該N點到兩個圓孔內(nèi)邊緣的最小距離分別為nl、n2，可以明顯發(fā)現(xiàn)，該N點到外邊緣的最小距離都大于nl、n2，因此只需比較nl、n2的大小，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，nl < n2，且nl > 6，因此，該N點落在了打印層的內(nèi)部3 ;再確定K點所處區(qū)域，測量發(fā)現(xiàn)，K點到其中一個孔的內(nèi)邊緣最小距離為kl，到外邊緣的最小距離為k2，而到另一孔的內(nèi)邊緣最小距離遠大于kl、k2，此時，只需比較kl、k2，經(jīng)比較得出以下關系:kl < k2，且I < kl < 6，因此，該K點處于打印層的中部2。按照上述方法將每層打印層的所有點劃分區(qū)域，每一層打印層均劃分出外部1、中部2、內(nèi)部3，最后得出的區(qū)域如圖2所示，圖2中利用三種不同形狀的填充圖案示意性的表示出了打印層的外部1、中部2、和內(nèi)部3。劃分出區(qū)域后可按照預先設定的外部1、中部2和內(nèi)部3的打印參數(shù)進行打印，在打印過程中發(fā)現(xiàn)，當內(nèi)部3的某個區(qū)域?qū)挾刃∮趦?nèi)部3激光掃描寬度2_時，該區(qū)域根本無法適用內(nèi)部3的激光參數(shù)進行打印，此時該區(qū)域就用中部2的激光速度和送粉速度以及掃描寬度進行打印。本實施例中，內(nèi)、中、外部3、2、I采用的激光均為光纖激光，外部I和中部2采用的激光功率為2000W，激光波長為1.06um ;打印內(nèi)部3所采用的激光功率為4000W，激光波長為1.06um。該方法使用帶三個粉末噴頭6的激光噴頭進行打印，每個粉末噴頭6均連通送氣管路和送粉管路，每個送粉管路的送粉速度不同，該三個粉末噴頭6旋轉(zhuǎn)更換實現(xiàn)打印層外部1、中部2、內(nèi)部3的打印。如圖6所示，該激光噴頭包括激光頭和粉末噴頭6組件，該粉末噴頭6組件包括連接座4、轉(zhuǎn)盤5、以及三個粉末噴頭6，該連接座4上設有連接套管8，該連接套管8與激光頭連接，所述轉(zhuǎn)盤5轉(zhuǎn)動套裝在連接座4的外周，所述連接座4設有激光通過孔，該激光通過孔與激光頭的激光噴射孔同軸連通，三個粉末噴頭6可拆卸安裝于轉(zhuǎn)盤5上,該粉末噴頭6相對于轉(zhuǎn)盤5的旋轉(zhuǎn)中心圓周均布,任一粉末噴頭6旋轉(zhuǎn)至工作工位上時均與所述的激光噴射孔同軸連通，所述轉(zhuǎn)盤5與連接座4之間設有鎖定粉末噴頭6與激光噴射孔同軸的定位裝置，每個粉末噴頭6上均設有進氣孔61和送粉孔62。其中，所述粉末噴頭6與轉(zhuǎn)盤5之間的可拆卸安裝方式為螺栓連接。所述連接座4上設有安裝腔，所述安裝腔內(nèi)轉(zhuǎn)動安裝有主動齒輪；所述轉(zhuǎn)盤5的內(nèi)周面上設有一圈內(nèi)齒，所述主動齒輪與一圈內(nèi)齒嚙合，所述主動齒輪由安裝于連接座4上的動力裝置7驅(qū)動。打印時，激光噴頭固定在機械臂上，機械臂在電腦的智能控制下優(yōu)先將打印層的內(nèi)部3全部打印完成，然后動力裝置7旋轉(zhuǎn)更換粉末噴頭6再打印中部2區(qū)域，最后再次更換粉末噴頭6后對外部I區(qū)域進行精修，從而完成該打印層，然后再重復打印下一層打印層。由于金屬件是由若干片打印層疊加而成，一旦出現(xiàn)打印層的打印厚度不均，那么這個誤差會一層層累積，最終該誤差會放大，導致打印得到的金屬件嚴重變形。因此，激光在打印層外部1、中部2、內(nèi)部3的打印厚度均相等，為0.5-2mm。

經(jīng)過上述方法在打印工位上打印出了金屬件初坯，然后再進行步驟C，對金屬件初坯進行后期加工。該步驟C包括Cl、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出；C2、將金屬件與打印底板剝離；C3、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工。最終金屬件的外部I輪廓尺寸、表面機械性能、以及內(nèi)部3機械性能均符合設計要求。實施例2如圖3所示，該實施例與實施例1的方法基本相同，只是打印層稍有差別，圖中，金屬件的內(nèi)孔之間的距離小于Rl+R2+2(I+I+5)而大于R1+R2+2I，其中，I取值為3mm，同樣，按照實施例1中方法對圖3中打印層劃分區(qū)域，圖3中也以三種不同圖案示意性的表示了打印層的內(nèi)、中、外部3、2、1。每一層打印層的外部I低速精修，激光速度lm/min，送粉速度20g/min，掃描寬度為4mm ;每一層打印層的中部2中速沉積，激光速度3m/min，送粉速度40g/min，掃描寬度為4mm ;每一層打印層的內(nèi)部3高速堆積，激光速度5m/min，送粉速度60g/min,掃描寬度為6mm,同樣，圖3中有兩塊面積較小的內(nèi)部3區(qū)域,很明顯得知,該區(qū)域?qū)挾刃∮趦?nèi)部3設定的掃 描寬度6_，因而該區(qū)域也還是依照中部2的打印參數(shù)進行打??；
打印層的外部1、中部2所采用的激光為二氧化碳激光，功率均為3000W，激光波長為10.6um ;打印內(nèi)部3所采用的激光為二氧化碳激光，功率為5000W，激光波長為10.6um。該實施例的步驟C與實施例1中稍有差別，其包括Cl 1、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出；C12、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工；C13、將金屬件與打印底板剝離；C14、對金屬件上與打印底板連接的連接面進行后期機加工。實施例3如圖4所示，該實施例與實施例1的方法基本相同，只是打印層形狀稍有差別，圖中，金屬件的內(nèi)孔之間的距離小于R1+R2+2I，其中，I的取值為2mm，同樣，按照實施例1中方法對圖4中打印層劃分區(qū)域，圖4中也以三種不同圖案示意性的表示了打印層的外部1、中部2、內(nèi)部3。本實施例外部1、中部2、內(nèi)部3均采用光纖激光，打印層的外部1、中部2所采用的激光功率均為2000W，激光波長為1.06um ;打印內(nèi)部3所采用的激光功率為4000W，激光波長為1.06um。每一層打印層的外部I低速精修，激光速度0.8m/min，送粉速度15g/min,掃描寬度為2.5mm ;每一層打印層的中部2中速沉積,激光速度2m/min,送粉速度30g/min,掃描寬度為3mm ;每一層打印層的內(nèi)部3高速堆積,激光速度4m/min,送粉速度50g/min，掃描寬度為4_，圖4中的打印層內(nèi)部3區(qū)域同樣包括兩塊面交較小的區(qū)域，該區(qū)域?qū)挾刃∮趦?nèi)部3設定的掃描寬度2，因而依舊依照中部2的打印參數(shù)進行打印。上述實施例1、2、3揭示的方法屬于同一發(fā)明構(gòu)思，即將每層打印層劃分不同區(qū)域，對內(nèi)部3區(qū)域高速沉積，提高金屬件的成型效率，特別是大型金屬件的成型，其成型效率提高的尤為凸顯。而外部 I區(qū)域低速精修，保證打印質(zhì)量，減少打印缺陷，確保金屬件表面機械性能符合要求。而對于打印層外部1、中部2、內(nèi)部3所使用的合金粉末可以根據(jù)具體金屬件的要求而定，例如可以采用同種合金粉末進行打印，也可以采用不同的合金粉末分別打印。本實施例1、2、3中打印中部2和打印外部I所使用的激光功率相同，其實也可以根據(jù)具體金屬件的要求而使用不同激光功率打印。更有甚者，可以使用不同種類的激光打印不同部位，例如，使用二氧化碳激光打印內(nèi)部、光纖激光打印外部，而半導體激光打印中部。這些方案也并未脫離本發(fā)明的主要構(gòu)思，也應落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種差異化激光3D打印金屬件的方法，包括: A.在每層打印層上任取一點，該點到打印層邊緣的最小距離設為H，當O< H < I時，該點屬于打印層的外部；當I < HS 1+5時，該點屬于打印層的中部，當H > 1+5時，該點屬于打印層的內(nèi)部，其中Imm < I ^ 3mm ； B.將預處理好的打印底板、打印底座放置在打印工位，利用激光和合金粉末在預處理好的打印底板上逐層疊加打印金屬件，并對打印區(qū)域進行惰性氣體保護，其中，每一層打印層的外部低速精修，激光速度(0-l]m/min，送粉速度[10-20] g/min，掃描寬度為[2_4]mm ；每一層打印層的中部中速沉積，激光速度(1-3] m/min,送粉速度(20-40] g/min,掃描寬度為[2-4]mm ;每一層打印層的內(nèi)部高速堆積，激光速度(3_5]m/min，送粉速度(40-60] g/min，掃描寬度為[2-6]mm，若打印層的內(nèi)部某區(qū)域?qū)挾刃∮趦?nèi)部設定的掃描寬度，則該區(qū)域依照中部的打印參數(shù)進行打印； C.對金屬件進行后期加工。
2.如權(quán)利要求1所述的一種差異化激光3D打印金屬件的方法，其特征在于:激光在每層打印層的外部、中部、內(nèi)部的打印厚度均相等，為0.5-2mm。
3.如權(quán)利要求2所述的一種差異化激光3D打印金屬件的方法，其特征在于:打印外部、中部所采用的激光為光纖激光，功率均為2000W，激光波長為1.06um ;打印內(nèi)部所采用的激光為光纖激光，功率為4000W，激光波長為1.06um。
4.如權(quán)利要求2所述的一種差異化激光3D打印金屬件的方法，其特征在于:打印外部、中部所采用的激光為二氧化碳激光，功率均為3000W，激光波長為10.6um ;打印內(nèi)部所采用的激光為二氧化碳激光，功率為5000W，激光波長為10.6um。
5.如權(quán)利要求3或4所述的一種差異化激光3D打印金屬件的方法，其特征在于:每層打印層的打印順序為內(nèi)部一中部一外部。
6.如權(quán)利要求5所述的一種差異化激光3D打印金屬件的方法，其特征在于:所述步驟C包括 Cl、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出； C2、將金屬件與打印底板剝離； C3、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工。
7.如權(quán)利要求5所述的一種差異化激光3D打印金屬件的方法，其特征在于:所述步驟C包括 Cl 1、將打印后的金屬件連同打印底板從打印底座上取出； C12、對金屬件外形尺寸或表面精度未符合設計要求的部位進行后期機加工； C13、將金屬件與打印底板剝離； C14、對金屬件上與打印底板連接的連接面進行后期機加工。
8.如權(quán)利要求1所述的一種差異化激光3D打印金屬件的方法，其特征在于:該方法采用的激光噴頭包括三個粉末噴頭，每個粉末噴頭均連通送氣管路和送粉管路，該三個粉末噴頭旋轉(zhuǎn)更換分別對打印層外部、中部、內(nèi)部進行打印。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差異化激光3D打印金屬件的方法，該方法將每層打印層劃分出外部、中部、內(nèi)部，并利用激光和合金粉末對每一層打印層的外部低速精修；對每一層打印層的中部中速沉積；對每一層打印層的內(nèi)部高速堆積，最后對打印得到的金屬件進行后期加工，確保外形尺寸符合設計要求。該方法既滿足了金屬件的機械性能要求，又大大提高了金屬件的成型效率。
文檔編號B22F3/105GK103231055SQ20131017320
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月13日
發(fā)明者柳岸敏, 張翀昊, 楊健, 邵國峰, 黃和芳, 黃佳欣 申請人:柳岸敏