本發(fā)明屬于3D打印增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法。

背景技術(shù)：

3D打?。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)是通過(guò)CAD 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，3D打印技術(shù)涉及CAD/CAM、機(jī)械工程、分層制造技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。3D 打印不需切削材料，也不需模具，可批量制造，還可遠(yuǎn)程操控，尤其適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，制造速度快，生產(chǎn)周期短，降低開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，被認(rèn)為是第三次工業(yè)革命。目前典型的3D打印技術(shù)主要有：選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔化、光固化立體成形、熔融沉積制造等。金屬零件選擇性激光熔化成形為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。選擇性激光熔化成形基本原理為：先在計(jì)算機(jī)上利用Pro/e、UG、SolidWorks等三維造型軟件設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后對(duì)該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的二維輪廓數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入快速成形設(shè)備的計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)按照設(shè)置的掃描方式，驅(qū)動(dòng)激光熔化成形系統(tǒng)進(jìn)行掃描成形，逐步堆疊成三維零件。

金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，往金屬中添加增強(qiáng)體，除了增加其力學(xué)性能外，同時(shí)還具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐磨、熱膨脹系數(shù)小和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空、航天、軍事等領(lǐng)域。金屬基復(fù)合材料加工比較困難，尤其形狀復(fù)雜的零件更是難以加工。選擇性激光熔化成形技術(shù)可制備形狀復(fù)雜的金屬基復(fù)合材料零件。選擇性激光熔化成形金屬基復(fù)合材料零件時(shí)，其主要工藝流程為：制備增強(qiáng)體的原料→制備增強(qiáng)體→制備增強(qiáng)體粉末→增強(qiáng)體粉末與金屬粉末混合→激光選區(qū)熔化成形。制備增強(qiáng)體時(shí)，往往是將多種單質(zhì)原材料進(jìn)行混合，在高溫設(shè)備中進(jìn)行反應(yīng)制備，此過(guò)程需要提供大量熱量，制備工藝復(fù)雜。增強(qiáng)體制備好后，需要將其制成適于激光選區(qū)熔化成形的粉末，該成形粉末對(duì)粒度和圓度要求較嚴(yán)，制備工藝及其復(fù)雜，甚至難以實(shí)現(xiàn)。金屬基復(fù)合材料激光選區(qū)熔化成形時(shí)，激光功率較大，金屬凝固過(guò)程中釋放大量熱量，熱量損失較多。如果把金屬凝固時(shí)釋放的熱量有效利用，用于制備增強(qiáng)體，將增強(qiáng)體制備與激光選區(qū)熔化成形同時(shí)進(jìn)行，不僅降低了增強(qiáng)體制備成本，而且將工藝流程縮短為：制備增強(qiáng)體的原料→激光選區(qū)熔化成形，大大降低了金屬基復(fù)合材料的制備成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法。自蔓延成形是利用物質(zhì)反應(yīng)熱的自傳導(dǎo)作用，使物質(zhì)之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)合成新材料。選擇性激光熔化自蔓延成形過(guò)程中，如果自蔓延反應(yīng)能夠自己進(jìn)行，成形粉末將會(huì)完全反應(yīng)，難以實(shí)現(xiàn)零件的成形。為了避免此問(wèn)題，首先要計(jì)算不同成分的粉末反應(yīng)所需熱量及反應(yīng)放出的熱量，從而通過(guò)控制成形材料成分，使其反應(yīng)的熱量無(wú)法實(shí)現(xiàn)自蔓延反應(yīng)，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制激光器發(fā)射不同能量的激光，使只有激光掃描過(guò)的粉末才能發(fā)生反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的選擇性激光熔化自蔓延成形。

本發(fā)明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，具體是按照以下步驟完成的：

第一步，使用三維掃描儀對(duì)需要成形的零件進(jìn)行三維掃描建立零件的三維模型，或者根據(jù)零件的工程圖紙利用三維建模軟件建立零件的三維模型。

第二步，利用Magics軟件對(duì)零件的三維模型進(jìn)行處理，設(shè)定零件的成形方向、添加支撐與成形精度。

第三步，利用切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，把三維模型分割成多個(gè)二維截面，并將數(shù)據(jù)傳到成形設(shè)備控制系統(tǒng)。

第四步，計(jì)算成形粉末配比，計(jì)算反應(yīng)所需熱量及放熱，將不同配比成形原料粉末進(jìn)行混合。

第五步，設(shè)定預(yù)熱溫度、激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)。

第六步，打開(kāi)激光器，進(jìn)行選擇性激光熔化自蔓延成形。

第七步，對(duì)成形零件進(jìn)行后處理，制備組織性能優(yōu)良的金屬基復(fù)合材料。

根據(jù)上述方法，鋁基碳化硼復(fù)合材料選擇性激光熔化自蔓延成形時(shí)，200-300目碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1-0.3%，200-300目硼粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)1-5%，其余為200-300目鋁粉，激光功率開(kāi)始為150W，反應(yīng)開(kāi)始后激光調(diào)整為120W。掃描速度為8000mm/min。

根據(jù)上述方法，鋁基碳化鈦復(fù)合材料選擇性激光熔化自蔓延成形時(shí)，200-300目碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1-0.5%，200-300目鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)1-3%，200-300目鎂粉質(zhì)量0.1-2%，其余為200-300目鋁粉，激光功率開(kāi)始為130W，反應(yīng)開(kāi)始后激光功率調(diào)整為100W。掃描速度為9000mm/min。

根據(jù)上述方法，鐵基碳化鈦復(fù)合材料選擇性激光熔化自蔓延成形時(shí)，200-300目碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1-0.2%，200-300目鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)1-10%，200-300目鎂粉質(zhì)量1%，其余為200-300目鐵粉，激光功率開(kāi)始為200W，反應(yīng)開(kāi)始后激光調(diào)整為150W。掃描速度為9000mm/min。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：本方法將金屬凝固時(shí)釋放的熱量充分利用，用于制備增強(qiáng)體，有效節(jié)約了能源。將增強(qiáng)體制備與激光選區(qū)熔化成形同時(shí)進(jìn)行，省去了單獨(dú)制備激光選區(qū)熔化成形專用增強(qiáng)體粉末等工序，縮短了工藝流程，大大降低了金屬基復(fù)合材料零件的制備成本。該方法能夠快速制備形狀復(fù)雜、組織性能優(yōu)良的金屬基復(fù)合材料。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

本發(fā)明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步驟實(shí)施：

第一步，成形的零件形狀為管材，尺寸為：內(nèi)徑100mm，外徑110mm，長(zhǎng)度300mm。利用SolidWorks軟件建立該零件的三維模型。

第二步，利用Magics軟件對(duì)零件的三維模型進(jìn)行處理，將零件豎直擺放，零件成形方向設(shè)為豎直方向。將圓管棱邊倒角設(shè)定為R0.5mm。利用Magics軟件檢查成形零件表面三角面片是否正確，并用自動(dòng)修復(fù)功能對(duì)零件模型三角面片進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)該零件擺放特點(diǎn)，不要添加支撐，直接進(jìn)行成形即可。成形精度設(shè)為0.1mm。

第三步，利用RP-Tool對(duì)模型進(jìn)行切片處理，切片厚度為0.01mm，將切好的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到成形計(jì)算機(jī)。

第四步，計(jì)算成形粉末配比，300目鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，300目碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，300目硼粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.8%。計(jì)算該成分粉末反應(yīng)所需熱量及放熱。隨后對(duì)上述粉末進(jìn)行混合，在真空條件下，利用三維混料機(jī)對(duì)上述粉末進(jìn)行混合，混料時(shí)間為8小時(shí)。

第五步，將混好的粉末裝入成形機(jī)，設(shè)定基板預(yù)熱溫度為150℃，預(yù)熱時(shí)間為30min。激光功率開(kāi)始為150W，反應(yīng)開(kāi)始后激光調(diào)整為120W。掃描速度為8000mm/min。

第六步，打開(kāi)成形設(shè)備總開(kāi)關(guān)，進(jìn)行選擇性激光熔化自蔓延成形。

第七步，零件成形后，進(jìn)行噴砂后處理。噴砂用的磨料為白剛玉，壓縮空氣壓力為3MPa，噴槍距離零件100mm。經(jīng)過(guò)噴砂處理后，零件表面光潔度達(dá)到Ra6.3。

實(shí)施例二：

本發(fā)明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步驟實(shí)施：

第一步，成形的零件為空心半球罩，尺寸為：內(nèi)徑70mm，外徑80mm。利用SolidWorks軟件建立該零件的三維模型。

第二步，利用Magics軟件對(duì)零件的三維模型進(jìn)行處理。將零件水平擺放，半球罩的凸面向上。對(duì)該空心半球罩添加支撐，該支撐類型為牙形支撐，齒頂寬為0.1mm，齒底寬為0.9mm，齒間距為0.1mm。利用Magics軟件檢查成形零件表面三角面片是否正確，并用自動(dòng)修復(fù)功能對(duì)零件模型三角面片進(jìn)行修復(fù)。成形精度設(shè)為0.07mm。

第三步，利用RP-Tool對(duì)模型進(jìn)行切片處理，切片厚度為0.01mm，將切好的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到成形計(jì)算機(jī)。

第四步，計(jì)算成形粉末配比，200目鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，200目碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，200目鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，200目鎂粉質(zhì)量1.9%。計(jì)算該成分粉末反應(yīng)所需熱量及放熱。隨后對(duì)上述粉末進(jìn)行混合，在真空條件下，利用三維混料機(jī)對(duì)上述粉末進(jìn)行混合，混料時(shí)間為6小時(shí)。

第五步，將混好的粉末裝入成形機(jī)，設(shè)定基板預(yù)熱溫度為200℃，預(yù)熱時(shí)間為20min。激光功率開(kāi)始設(shè)定為130W，反應(yīng)開(kāi)始后激光功率調(diào)整為100W。掃描速度設(shè)定為9000mm/min。

第六步，打開(kāi)成形設(shè)備總開(kāi)關(guān)，進(jìn)行選擇性激光熔化自蔓延成形。

第七步，零件成形后，進(jìn)行噴砂后處理。噴砂用的磨料為金剛砂，壓縮空氣壓力為2.5MPa，噴槍距離零件150mm。經(jīng)過(guò)噴砂處理后，零件表面光潔度達(dá)到Ra6.3。

實(shí)施例三：

本發(fā)明一種選擇性激光熔化自蔓延成形方法，按下述步驟實(shí)施：

第一步，成形的零件為長(zhǎng)方體，尺寸為：長(zhǎng)50mm，寬70mm，高50mm。利用SolidWorks軟件建立該零件的三維模型。

第二步，利用Magics軟件對(duì)零件的三維模型進(jìn)行處理。將零件水平擺放，底面邊界尺寸為50mm×70mm。該模型成形過(guò)程無(wú)需添加支撐。檢查成形零件表面三角面片是否正確，并用Magics軟件自動(dòng)修復(fù)功能對(duì)零件模型三角面片進(jìn)行修復(fù)。成形精度設(shè)為0.1mm。

第三步，利用RP-Tool對(duì)模型進(jìn)行切片處理，切片厚度為0.01mm，將切好的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到成形計(jì)算機(jī)。

第四步，計(jì)算成形粉末配比，300目鐵粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%，300目碳粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，300目鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.9%，300目鎂粉質(zhì)量1%。計(jì)算該成分粉末反應(yīng)所需熱量及放熱。隨后對(duì)上述粉末進(jìn)行混合，在真空條件下，利用三維混料機(jī)對(duì)上述粉末進(jìn)行混合，混料時(shí)間為10小時(shí)。

第五步，將混好的粉末裝入成形機(jī)，設(shè)定基板預(yù)熱溫度為200℃，預(yù)熱時(shí)間為20min。激光功率開(kāi)始為200W，反應(yīng)開(kāi)始后激光調(diào)整為100W。掃描速度為9000mm/min。

第六步，打開(kāi)成形設(shè)備總開(kāi)關(guān)，進(jìn)行選擇性激光熔化自蔓延成形。

第七步，零件成形后，進(jìn)行噴砂后處理。噴砂用的磨料為金剛砂，壓縮空氣壓力為3MPa，噴槍距離零件100mm。經(jīng)過(guò)噴砂處理后，零件表面光潔度達(dá)到Ra6.3。

上面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。