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一种选择性激光 熔化自蔓延成形方法

阅读：889发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种选择性激光熔化自蔓延成形方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，使只有激光扫描过的粉末才能发生反应，实现零件的选择性激光熔化自蔓延成形；按照以下步骤完成的：使用三维扫描仪对需要成形的零件进行三维扫描建立零件的三维模型，利用Magics 软件对零件的三维模型进行处理，设定零件的成形方向、添加支撑与成形精度，利用切片软件对三维模型进行切片处理，把三维模型分割成多个二维截面，将数据传到成形设备控制系统，计算成形粉末配比，计算反应所需热量及放热，将不同配比成形原料粉末进行混合，设定预热温度、激光功率、扫描速度等工艺参数，打开激光器，进行选择性激光熔化自蔓延成形，对成形零件进行后处理，制备组织性能优良的金属基复合材料。，下面是一种选择性激光熔化自蔓延成形方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，其特征在于：将金属凝固时释放的热量用于制备增强体，将增强体制备与激光选区熔化成形同时进行，具体按下述步骤进行：
第一步，使用三维扫描仪对需要成形的零件进行三维扫描建立零件的三维模型，或者根据零件的工程图纸利用三维建模软件建立零件的三维模型；
第二步，利用Magics软件对零件的三维模型进行处理，设定零件的成形方向、添加支撑与成形精度；
第三步，利用切片软件对三维模型进行切片处理，把三维模型分割成多个二维截面，并将数据传到成形设备控制系统；
第四步，计算成形粉末配比，计算反应所需热量及放热，将不同配比成形原料粉末进行混合；
第五步，设定工艺参数，包括预热温度、激光功率、扫描速度；
第六步，打开激光器，进行选择性激光熔化自蔓延成形；
第七步，对成形零件进行后处理，制备组织性能优良的金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，其特征在于：铝基碳化硼复合材料选择性激光熔化自蔓延成形时，200-300目碳粉质量分数0.1-0.3%，200-300目硼粉质量分数1-5%，其余为200-300目铝粉，激光功率开始为150W，反应开始后激光功率调整为120W，扫描速度为8000mm/min。
3.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，其特征在于：铝基碳化钛复合材料选择性激光熔化自蔓延成形时，200-300目碳粉质量分数0.1-0.5%，200-300目钛粉质量分数1-3%，200-300目镁粉质量0.1-2%，其余为200-300目铝粉，激光功率开始为
130W，反应开始后激光功率调整为100W，扫描速度为9000mm/min。
4.根据权利要求1所述的一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，其特征在于：铁基碳化钛复合材料选择性激光熔化自蔓延成形时，200-300目碳粉质量分数0.1-0.2%，200-300目钛粉质量分数1-10%，200-300目镁粉质量1%，其余为200-300目铁粉，激光功率开始为200W，反应开始后激光调整为150W，扫描速度为9000mm/min。

说明书全文

一种选择性激光 熔化自蔓延成形方法

技术领域

[0001] 本发明属于3D打印增材制造技术领域，具体涉及一种选择性激光熔化自蔓延成形方法。

背景技术

[0002] 3D打印（增材制造）技术是通过CAD 设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，3D打印技术涉及CAD/CAM、机械工程、分层制造技术、激光技术、数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术等多个学科。3D 打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，还可远程操控，尤其适用于结构复杂的零件，制造速度快，生产周期短，降低开发成本和风险，被认为是第三次工业革命。目前典型的3D打印技术主要有：选择性激光烧结、选择性激光熔化、光固化立体成形、熔融沉积制造等。金属零件选择性激光熔化成形为整个3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。选择性激光熔化成形基本原理为：先在计算机上利用Pro/e、UG、SolidWorks等三维造型软件设计出零件的三维实体模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的二维轮廓数据，将这些数据导入快速成形设备的计算机中，计算机按照设置的扫描方式，驱动激光熔化成形系统进行扫描成形，逐步堆叠成三维零件。

[0003] 金属基复合材料是以金属为基体，往金属中添加增强体，除了增加其力学性能外，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小和无污染等优点，广泛应用在航空、航天、军事等领域。金属基复合材料加工比较困难，尤其形状复杂的零件更是难以加工。选择性激光熔化成形技术可制备形状复杂的金属基复合材料零件。选择性激光熔化成形金属基复合材料零件时，其主要工艺流程为：制备增强体的原料→制备增强体→制备增强体粉末→增强体粉末与金属粉末混合→激光选区熔化成形。制备增强体时，往往是将多种单质原材料进行混合，在高温设备中进行反应制备，此过程需要提供大量热量，制备工艺复杂。增强体制备好后，需要将其制成适于激光选区熔化成形的粉末，该成形粉末对粒度和圆度要求较严，制备工艺及其复杂，甚至难以实现。金属基复合材料激光选区熔化成形时，激光功率较大，金属凝固过程中释放大量热量，热量损失较多。如果把金属凝固时释放的热量有效利用，用于制备增强体，将增强体制备与激光选区熔化成形同时进行，不仅降低了增强体制备成本，而且将工艺流程缩短为：制备增强体的原料→激光选区熔化成形，大大降低了金属基复合材料的制备成本。

发明内容

[0004] 为了实现上述目的，本发明提出了一种选择性激光熔化自蔓延成形方法。自蔓延成形是利用物质反应热的自传导作用，使物质之间产生化学反应合成新材料。选择性激光熔化自蔓延成形过程中，如果自蔓延反应能够自己进行，成形粉末将会完全反应，难以实现零件的成形。为了避免此问题，首先要计算不同成分的粉末反应所需热量及反应放出的热量，从而通过控制成形材料成分，使其反应的热量无法实现自蔓延反应，同时根据计算结果控制激光器发射不同能量的激光，使只有激光扫描过的粉末才能发生反应，从而实现零件的选择性激光熔化自蔓延成形。

[0005] 本发明一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，具体是按照以下步骤完成的：第一步，使用三维扫描仪对需要成形的零件进行三维扫描建立零件的三维模型，或者根据零件的工程图纸利用三维建模软件建立零件的三维模型。

[0006] 第二步，利用Magics软件对零件的三维模型进行处理，设定零件的成形方向、添加支撑与成形精度。

[0007] 第三步，利用切片软件对三维模型进行切片处理，把三维模型分割成多个二维截面，并将数据传到成形设备控制系统。

[0008] 第四步，计算成形粉末配比，计算反应所需热量及放热，将不同配比成形原料粉末进行混合。

[0009] 第五步，设定预热温度、激光功率、扫描速度等工艺参数。

[0010] 第六步，打开激光器，进行选择性激光熔化自蔓延成形。

[0011] 第七步，对成形零件进行后处理，制备组织性能优良的金属基复合材料。

[0012] 根据上述方法，铝基碳化硼复合材料选择性激光熔化自蔓延成形时，200-300目碳粉质量分数0.1-0.3%，200-300目硼粉质量分数1-5%，其余为200-300目铝粉，激光功率开始为150W，反应开始后激光调整为120W。扫描速度为8000mm/min。

[0013] 根据上述方法，铝基碳化钛复合材料选择性激光熔化自蔓延成形时，200-300目碳粉质量分数0.1-0.5%，200-300目钛粉质量分数1-3%，200-300目镁粉质量0.1-2%，其余为200-300目铝粉，激光功率开始为130W，反应开始后激光功率调整为100W。扫描速度为
9000mm/min。

[0014] 根据上述方法，铁基碳化钛复合材料选择性激光熔化自蔓延成形时，200-300目碳粉质量分数0.1-0.2%，200-300目钛粉质量分数1-10%，200-300目镁粉质量1%，其余为200-300目铁粉，激光功率开始为200W，反应开始后激光调整为150W。扫描速度为9000mm/min。

[0015] 本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本方法将金属凝固时释放的热量充分利用，用于制备增强体，有效节约了能源。将增强体制备与激光选区熔化成形同时进行，省去了单独制备激光选区熔化成形专用增强体粉末等工序，缩短了工艺流程，大大降低了金属基复合材料零件的制备成本。该方法能够快速制备形状复杂、组织性能优良的金属基复合材料。

具体实施方式

[0016] 实施例一：本发明一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步骤实施：
第一步，成形的零件形状为管材，尺寸为：内径100mm，外径110mm，长度300mm。利用SolidWorks软件建立该零件的三维模型。

[0017] 第二步，利用Magics软件对零件的三维模型进行处理，将零件竖直摆放，零件成形方向设为竖直方向。将圆管棱边倒角设定为R0.5mm。利用Magics软件检查成形零件表面三角面片是否正确，并用自动修复功能对零件模型三角面片进行修复。根据该零件摆放特点，不要添加支撑，直接进行成形即可。成形精度设为0.1mm。

[0018] 第三步，利用RP-Tool对模型进行切片处理，切片厚度为0.01mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。

[0019] 第四步，计算成形粉末配比，300目铝粉质量分数95%，300目碳粉质量分数0.2%，300目硼粉质量分数4.8%。计算该成分粉末反应所需热量及放热。随后对上述粉末进行混合，在真空条件下，利用三维混料机对上述粉末进行混合，混料时间为8小时。

[0020] 第五步，将混好的粉末装入成形机，设定基板预热温度为150℃，预热时间为30min。激光功率开始为150W，反应开始后激光调整为120W。扫描速度为8000mm/min。

[0021] 第六步，打开成形设备总开关，进行选择性激光熔化自蔓延成形。

[0022] 第七步，零件成形后，进行喷砂后处理。喷砂用的磨料为白刚玉，压缩空气压力为3MPa，喷枪距离零件100mm。经过喷砂处理后，零件表面光洁度达到Ra6.3。

[0023] 实施例二：本发明一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步骤实施：
第一步，成形的零件为空心半球罩，尺寸为：内径70mm，外径80mm。利用SolidWorks软件建立该零件的三维模型。

[0024] 第二步，利用Magics软件对零件的三维模型进行处理。将零件水平摆放，半球罩的凸面向上。对该空心半球罩添加支撑，该支撑类型为牙形支撑，齿顶宽为0.1mm，齿底宽为0.9mm，齿间距为0.1mm。利用Magics软件检查成形零件表面三角面片是否正确，并用自动修复功能对零件模型三角面片进行修复。成形精度设为0.07mm。

[0025] 第三步，利用RP-Tool对模型进行切片处理，切片厚度为0.01mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。

[0026] 第四步，计算成形粉末配比，200目铝粉质量分数95%，200目碳粉质量分数0.1%，200目钛粉质量分数3%，200目镁粉质量1.9%。计算该成分粉末反应所需热量及放热。随后对上述粉末进行混合，在真空条件下，利用三维混料机对上述粉末进行混合，混料时间为6小时。

[0027] 第五步，将混好的粉末装入成形机，设定基板预热温度为200℃，预热时间为20min。激光功率开始设定为130W，反应开始后激光功率调整为100W。扫描速度设定为
9000mm/min。

[0028] 第六步，打开成形设备总开关，进行选择性激光熔化自蔓延成形。

[0029] 第七步，零件成形后，进行喷砂后处理。喷砂用的磨料为金刚砂，压缩空气压力为2.5MPa，喷枪距离零件150mm。经过喷砂处理后，零件表面光洁度达到Ra6.3。

[0030] 实施例三：本发明一种选择性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步骤实施：
第一步，成形的零件为长方体，尺寸为：长50mm，宽70mm，高50mm。利用SolidWorks软件建立该零件的三维模型。

[0031] 第二步，利用Magics软件对零件的三维模型进行处理。将零件水平摆放，底面边界尺寸为50mm×70mm。该模型成形过程无需添加支撑。检查成形零件表面三角面片是否正确，并用Magics软件自动修复功能对零件模型三角面片进行修复。成形精度设为0.1mm。

[0032] 第三步，利用RP-Tool对模型进行切片处理，切片厚度为0.01mm，将切好的数据模型导入到成形计算机。

[0033] 第四步，计算成形粉末配比，300目铁粉质量分数90%，300目碳粉质量分数0.1%，300目钛粉质量分数8.9%，300目镁粉质量1%。计算该成分粉末反应所需热量及放热。随后对上述粉末进行混合，在真空条件下，利用三维混料机对上述粉末进行混合，混料时间为10小时。

[0034] 第五步，将混好的粉末装入成形机，设定基板预热温度为200℃，预热时间为20min。激光功率开始为200W，反应开始后激光调整为100W。扫描速度为9000mm/min。

[0035] 第六步，打开成形设备总开关，进行选择性激光熔化自蔓延成形。

[0036] 第七步，零件成形后，进行喷砂后处理。喷砂用的磨料为金刚砂，压缩空气压力为3MPa，喷枪距离零件100mm。经过喷砂处理后，零件表面光洁度达到Ra6.3。

[0037] 上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

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