本發(fā)明涉及一種金屬增材制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有仿生表面結(jié)構(gòu)的金屬3D打印制備方法。

背景技術(shù)：
機械零件的磨損失效是其損壞的主要形式，而根據(jù)摩擦學(xué)的觀點，零件的表面通常都要分布著高低不同的微凸體，機加工或者精加工的表面，其微凸體的形狀、大小以及密布的情況是各不相同的。而仿生學(xué)表明，動物的體表其實是具有表面結(jié)構(gòu)的。例如，動物正因為其具有足墊結(jié)構(gòu)，在其行走甚至狂奔時，一方面可以耐磨減摩，跑起來非常輕捷靈活，另一方面，它們又有腳下不打滑，保持身體平衡的本領(lǐng)，即具有增阻的本領(lǐng)。又如，蚯蚓表皮具有網(wǎng)紋狀的多孔結(jié)構(gòu)，同時還不斷分泌體液作為潤滑劑。這樣，它在打地洞時，不僅可以達到正常的液體潤滑，而且可以使得表皮耐磨減摩。因此，仿生表面的制造具有很大的意義。目前，產(chǎn)生仿生耐磨減摩增阻表面結(jié)構(gòu)有許多新方法，例如：對成形件進行化學(xué)處理(例如酸處理)，腐蝕產(chǎn)生凹凸形仿生非光滑表面；制作聚甲基丙烯酸甲酯負(fù)向模板結(jié)構(gòu)，獲得厚度為1-4mm的薄膜仿生微納結(jié)構(gòu)表面等方法。但是，這些方法獲得的仿生表面，規(guī)則性和可重復(fù)性非常差，從而影響了其耐磨減摩增阻的效果，金屬增材制造技術(shù)可以直接制造出具有仿生表面結(jié)構(gòu)的機械零件。此種表面可以達到耐磨、減摩、增阻的效果。本發(fā)明就是基于此而提出的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中制備仿生結(jié)構(gòu)表面方法存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于：提供一種具有仿生結(jié)構(gòu)表面的金屬3D打印制備方法，該方法具有表面的仿生效果好、操作方便、性能可靠，綜合成本低、成形件表面耐磨增阻性能好，能夠滿足使用要求、提高其使用壽命、能夠廣泛被推廣應(yīng)用等優(yōu)點。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種具有仿生表面結(jié)構(gòu)的金屬3D打印制備方法，該制備方法包括如下步驟：1)根據(jù)金屬零件耐磨增阻性能的要求，確定仿生表面結(jié)構(gòu)，其中，該仿生表面結(jié)構(gòu)為一種能夠采用激光增材制造成形技術(shù)制備的分級結(jié)構(gòu)，具體包括：第一級宏觀結(jié)構(gòu)，其表面變化是機械零件設(shè)計時已經(jīng)確定的；第二級細(xì)觀結(jié)構(gòu)，其實通過本發(fā)明下述步驟中的激光增材制造即可完成；第三級微觀結(jié)構(gòu)，其具有最小尺度在10-90μm的結(jié)構(gòu)；2)利用模擬仿真技術(shù)，在金屬零件的模擬工況下，比較不同的表面仿生結(jié)構(gòu)的摩擦、磨損與潤滑狀況，從而優(yōu)選出適宜的表面仿生結(jié)構(gòu)，基于單元模塊的設(shè)計準(zhǔn)則，采用適宜的表面區(qū)設(shè)計方法，設(shè)計出表面仿生結(jié)構(gòu)，得到這種仿生表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且通過正交試驗與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬實驗方法進行參數(shù)優(yōu)化；3)采用上述方法獲得的仿生表面結(jié)構(gòu)，是一種三維結(jié)構(gòu)，利用CAD軟件構(gòu)建仿生表面結(jié)構(gòu)的三維數(shù)模，其中，在X、Y、Z軸三維坐標(biāo)系中，垂直于仿生表面結(jié)構(gòu)的Z軸方向數(shù)模的精度要高于X、Y軸方向的數(shù)模，由于利用CAD軟件構(gòu)建的三維數(shù)模的上述Z軸方向數(shù)模的精度與一般的實體零件的三維數(shù)模在精度上是不匹配的，因而需校核上述Z軸方向數(shù)模的精度是否達到設(shè)計精度；4)利用與步驟3)相同的CAD軟件，將成形件原來的三維數(shù)模與仿生表面的三維數(shù)模進行合成，驗證兩個數(shù)模確實達到了無縫連接之后，獲得合成的三維模型STL文件，在3D打印設(shè)備的工控機上對所述STL文件的三維數(shù)模進行切片分層處理，層厚為0.3-3mm；5)將切片分層處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入工控機，控制3D打印機的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；選用粒徑為10-50微米的金屬粉末放置在100-200℃的烘干箱中進行烘干1-1.5小時處理；將烘干處理后的金屬粉末放置在3D打印機送粉器的粉筒中留作備用，在進行成形件的激光增材制造(包括激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié))時，激光器采用CO2激光器或者光纖激光器，其中該激光器的具體參數(shù)為：功率P＝1000-5000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為30-40％，同時置入隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件，其中隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件具有與成形件表面同樣的仿生表面結(jié)構(gòu)；6)對于上述步驟5)獲得的具有仿生表面的成形件和隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件進行輕度酸洗，酸洗時間為1-3min，根據(jù)成形件的金屬種類選擇相配的輕度酸洗用酸洗液；將經(jīng)過酸洗后的具有仿生表面的成形件進行無損檢測，并與隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件的仿生表面進行比較，當(dāng)兩者的比較結(jié)果一致或者在容許誤差范圍內(nèi)時，進行下述步驟；其中無損檢測包括：典型區(qū)域的三維形貌觀測、隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件的摩擦、磨損與潤滑實驗；7)將上述步驟6)處理后的成形件進行后處理獲得最終成形件，其中后處理包括熱處理和/或拋光。作為上述技術(shù)方案的進一步優(yōu)化，所述的激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié)時激光器采用CO2激光器或者光纖激光器，其中該激光器的具體參數(shù)為：功率P＝1000-5000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為30-40％。作為上述技術(shù)方案的進一步優(yōu)化，所述的金屬粉末為Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一種或者組合。作為上述技術(shù)方案的進一步優(yōu)化，其特征在于：上述步驟6)中的輕度酸洗用酸洗液包括：質(zhì)量濃度為5-8％的稀硫酸或者質(zhì)量濃度為4-6％的高錳酸鉀和質(zhì)量濃度為8-10％磷酸混合液，或者質(zhì)量濃度為2-4％硝酸，或者質(zhì)量濃度為2-3％的磷酸和質(zhì)量濃度為6-8％的硝酸混合液。作為上述技術(shù)方案的進一步優(yōu)化，其特征在于：上述步驟5)中的送粉采用同軸送粉或者非同軸側(cè)向送粉方式。與現(xiàn)有技術(shù)中技術(shù)制備仿生表面結(jié)構(gòu)的方法相比，采用本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點：其具有表面的仿生效果好、操作方便、性能可靠，綜合成本低、成形件表面耐磨增阻性能好，能夠滿足使用要求、提高其使用壽命、能夠廣泛被推廣應(yīng)用等優(yōu)點。附圖說明附圖1為一種具有仿生表面結(jié)構(gòu)的金屬3D打印制備方法的流程示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明一種具有仿生表面結(jié)構(gòu)的金屬3D打印制備方法作具體說明。一種具有仿生表面結(jié)構(gòu)的金屬3D打印制備方法，該制備方法包括如下步驟：1)根據(jù)金屬零件耐磨增阻性能的要求，確定仿生表面結(jié)構(gòu)，其中，該仿生表面結(jié)構(gòu)為一種能夠采用激光增材制造成形技術(shù)制備的分級結(jié)構(gòu)，具體包括：第一級宏觀結(jié)構(gòu)，其表面變化是機械零件設(shè)計時已經(jīng)確定的；第二級細(xì)觀結(jié)構(gòu)，其實通過本發(fā)明下述步驟中的激光增材制造即可完成；第三級微觀結(jié)構(gòu)，其具有最小尺度在10-90μm的結(jié)構(gòu)；2)利用模擬仿真技術(shù)，在金屬零件的模擬工況下，比較不同的表面仿生結(jié)構(gòu)的摩擦、磨損與潤滑狀況，從而優(yōu)選出適宜的表面仿生結(jié)構(gòu)，基于單元模塊的設(shè)計準(zhǔn)則，采用適宜的表面區(qū)設(shè)計方法，設(shè)計出表面仿生結(jié)構(gòu)，得到這種仿生表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且通過正交試驗與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬實驗方法進行參數(shù)優(yōu)化；3)采用上述方法獲得的仿生表面結(jié)構(gòu)，是一種三維結(jié)構(gòu)，利用CAD軟件構(gòu)建仿生表面結(jié)構(gòu)的三維數(shù)模，其中，在X、Y、Z軸三維坐標(biāo)系中，垂直于仿生表面結(jié)構(gòu)的Z軸方向數(shù)模的精度要高于X、Y軸方向的數(shù)模，由于利用CAD軟件構(gòu)建的三維數(shù)模的上述Z軸方向數(shù)模的精度與一般的實體零件的三維數(shù)模在精度上是不匹配的，因而需校核上述Z軸方向數(shù)模的精度是否達到設(shè)計精度；4)利用與步驟3)相同的CAD軟件，將成形件原來的三維數(shù)模與仿生表面的三維數(shù)模進行合成，驗證兩個數(shù)模確實達到了無縫連接之后，獲得合成的三維模型STL文件，在3D打印設(shè)備的工控機上對所述STL文件的三維數(shù)模進行切片分層處理，層厚為0.3-3mm；5)將切片分層處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入工控機，控制3D打印機的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；選用粒徑為10-50微米的金屬粉末放置在100-200℃的烘干箱中進行烘干1-1.5小時處理；將烘干處理后的金屬粉末放置在3D打印機送粉器的粉筒中留作備用，在進行成形件的激光增材制造(包括激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié))時，激光器采用CO2激光器或者光纖激光器，其中該激光器的具體參數(shù)為：功率P＝1000-5000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為30-40％，同時置入隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件，其中隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件具有與成形件表面同樣的仿生表面結(jié)構(gòu)；6)對于上述步驟5)獲得的具有仿生表面的成形件和隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件進行輕度酸洗，酸洗時間為1-3min，根據(jù)成形件的金屬種類選擇相配的輕度酸洗用酸洗液；將經(jīng)過酸洗后的具有仿生表面的成形件進行無損檢測，并與隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件的仿生表面進行比較，當(dāng)兩者的比較結(jié)果一致或者在容許誤差范圍內(nèi)時，進行下述步驟；其中無損檢測包括：典型區(qū)域的三維形貌觀測、隨爐標(biāo)準(zhǔn)試件的摩擦、磨損與潤滑實驗；7)將上述步驟6)處理后的成形件進行后處理獲得最終成形件，其中后處理包括熱處理和/或拋光。所述的激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié)時激光器采用CO2激光器或者光纖激光器，其中該激光器的具體參數(shù)為：功率P＝1000-5000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為30-40％。所述的金屬粉末為Fe、Ni、Co、Zn、Al、Cr、Ti中的一種或者組合。上述步驟6)中的輕度酸洗用酸洗液包括：質(zhì)量濃度為5-8％的稀硫酸或者質(zhì)量濃度為4-6％的高錳酸鉀和質(zhì)量濃度為8-10％磷酸混合液，或者質(zhì)量濃度為2-4％硝酸，或者質(zhì)量濃度為2-3％的磷酸和質(zhì)量濃度為6-8％的硝酸混合液。上述步驟5)中的送粉采用同軸送粉或者非同軸側(cè)向送粉方式。上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。