一種氣相擴(kuò)散/反應(yīng)的激光金屬3d打印系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種氣相擴(kuò)散/反應(yīng)的激光金屬3D打印方法及其系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光3D打印技術(shù)基于逐層制造的原理，采用高能激光束作為能源熔化金屬粉末逐層堆積成復(fù)雜的三維零件結(jié)構(gòu)。該技術(shù)將復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的二維加工，極大降低了復(fù)雜零件的成形難度，可解決傳統(tǒng)技術(shù)難加工或無(wú)法加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的難題，在航空航天、汽車、模具、電子等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]目前，根據(jù)金屬粉末材料的輸送方式激光3D打印技術(shù)主要分為基于同軸送粉的激光近形制造(Laser Engineering Net Shaping, LENS)技術(shù)和基于粉末床的激光選區(qū)恪化(Selective Laser Melting, SLM)技術(shù)。LENS技術(shù)在惰性氣體保護(hù)之下，通過(guò)激光束恪化噴嘴輸送的粉末流，使其逐層堆積，最終形成復(fù)雜形狀的零件或模具。但該工藝成形難以成形復(fù)雜和精細(xì)結(jié)構(gòu)，主要用于毛坯成形，且粉末材料利用率偏低。
[0004]SLM技術(shù)利用高能束激光熔化預(yù)先鋪在粉床上薄層粉末，逐層熔化堆積成形。SLM制造的金屬零件接近全致密，強(qiáng)度超過(guò)鑄件水平并接近鍛件水平，精度可達(dá)0.1mm/lOOmm,特別適合復(fù)雜精細(xì)零部件的制造。
[0005]隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)也開(kāi)始用于制造具有特殊性能設(shè)計(jì)的復(fù)雜零部件，即在特殊區(qū)域具有特殊性能的零件。如在復(fù)雜零件的表面和心部采用不同材料進(jìn)行制造，使其具有高表面硬度、耐磨性和高心部韌性的零件。通過(guò)多材料3D打印技術(shù)雖然可以制造出上述零件，但多種材料容易相互污染，回收困難，同時(shí)多材料送粉機(jī)構(gòu)復(fù)雜也提高了設(shè)備的成本。
[0006]另外，也有采用滲碳/滲氮技術(shù)對(duì)零件表面進(jìn)行處理，傳統(tǒng)的技術(shù)是將工件置入介質(zhì)中，在一定溫度下使介質(zhì)中分解出的活性原子滲入工件表層，從而獲得表層高碳/高氮，心部仍保持原有成分。這種技術(shù)一般是對(duì)整個(gè)工件的表面進(jìn)行改性，而有些零件只有部分區(qū)域需要進(jìn)行化學(xué)熱處理改性，這就使得這種技術(shù)的應(yīng)用受到了限制。而對(duì)于3D打印成形的零件，如需要進(jìn)行化學(xué)熱處理，則需要先打印完以后，然后才能再進(jìn)行化學(xué)熱處理工序，這樣就降低了生產(chǎn)效率和延長(zhǎng)了產(chǎn)品的成形時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種氣相擴(kuò)散/反應(yīng)的激光金屬3D打印方法及其系統(tǒng)，其基于可控氣體與金屬粉末氣相擴(kuò)散/反應(yīng)的激光3D打印方法，可以實(shí)現(xiàn)多種金屬零件不同部位在線改性和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成形。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種氣相擴(kuò)散/反應(yīng)的激光金屬3D打印系統(tǒng)，包括激光選區(qū)熔化成形設(shè)備和通氣設(shè)備，其特征在于激光可以與通氣設(shè)備同步運(yùn)動(dòng)，其中:
[0009]所述通氣設(shè)備包括儲(chǔ)氣罐、氣管和噴頭，所述氣管安裝在所述儲(chǔ)氣罐上，所述噴頭固定安裝在所述激光選區(qū)熔化成形設(shè)備的激光頭上，并且所述噴頭上設(shè)置有上下貫通的激光通孔，以使所述激光頭發(fā)射的激光束從所述激光通孔處穿過(guò)所述噴頭；此外，所述噴頭上還設(shè)置有上下貫通的通氣孔，以使所述氣管中流動(dòng)的氣體從所述通氣孔處穿過(guò)所述噴頭，進(jìn)而使氣體噴到零件上需要進(jìn)行化學(xué)熱處理的部位。
[0010]優(yōu)選地，所述儲(chǔ)氣罐的數(shù)量為多個(gè)，所述氣管和通氣孔的數(shù)量也相應(yīng)設(shè)置為多個(gè)，每個(gè)儲(chǔ)氣罐通過(guò)一氣管與一通氣孔連接，并且每個(gè)儲(chǔ)氣罐中的氣體種類不同，另外，每個(gè)氣管上均安裝有流量閥。
[0011]優(yōu)選地，所述激光通孔處設(shè)置有保護(hù)鏡。
[0012]按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種利用所述的3D打印系統(tǒng)進(jìn)行3D打印的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0013]1)在計(jì)算機(jī)上建立零件三維模型，然后將所述零件三維模型轉(zhuǎn)成STL格式文件并導(dǎo)入到選擇性激光熔化成形設(shè)備中；
[0014]2)根據(jù)零件的服役條件確定零件的改性信息，再將零件三維模型進(jìn)行分層切片并規(guī)劃每一層的加工路徑，然后輸入計(jì)算機(jī)；其中，每一層的加工路徑包括激光頭的移動(dòng)路徑和噴頭內(nèi)的通氣信息，改性信息包括零件的改性部位及改性部位的性能要求，通氣信息包括噴頭內(nèi)的氣體的啟閉、流量種類；
[0015]3)按照步驟2)規(guī)劃的加工路徑執(zhí)行3D打印，完成零件的成形。
[0016]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0017]1)本發(fā)明采用逆向思維，利用激光3D打印高溫金屬液體的活性，通過(guò)在線控制氣體種類、流量和通入位置，使氣體與加工金屬粉末在3D打印過(guò)程中發(fā)生可控的元素?cái)U(kuò)散或反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)多種類型復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬材料制備和改性，尤其適合制備航空航天、汽車、電子等應(yīng)用領(lǐng)域所需的鋁基、鈦基、鎳基、鐵基材料。因?yàn)闅怏w輸入更易控制，并且避免了異種材料的污染，可以大大降低該類3D打印機(jī)的成本；
[0018]2)本發(fā)明在激光3D打印過(guò)程中，通氣裝備按照所需改性部位的信息規(guī)劃出通氣設(shè)備移動(dòng)路徑，噴頭與激光頭同步移動(dòng)，并定量通入所需氣體，實(shí)現(xiàn)需要改性部位的氣相擴(kuò)散/反應(yīng)；不需要改性的部位，激光頭移動(dòng)，但噴頭內(nèi)不通入氣體，實(shí)現(xiàn)加工，因此在進(jìn)行3D打印的同時(shí)也能進(jìn)行零件化學(xué)熱處理，能有效提高工作效率；
[0019]3)本發(fā)明不僅可以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，并且可以實(shí)現(xiàn)零件中任何區(qū)域的改性，包括滲氮/碳增強(qiáng)、氧化物彌散增強(qiáng)等，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的同-時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)零件的性能設(shè)計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明中3D打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明中3D打印系統(tǒng)進(jìn)行加工時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明加工的一模具零件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4和圖5分別是圖3中的模具零件的不同部位橫截面的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025]參照?qǐng)D1、圖2，一種氣相擴(kuò)散/反應(yīng)的激光金屬3D打印系統(tǒng)，包括選擇性激光熔融成形設(shè)備1，還包括通氣設(shè)備2，其中，
[0026]所述通氣設(shè)備2包括儲(chǔ)氣罐21、氣管20和噴頭23，所述氣管20安裝在所述儲(chǔ)氣罐21上，所述噴頭23固定安裝在所述激光選取熔化成形設(shè)備1的激光頭11上，并且所述噴頭23上設(shè)置有上下貫通的激光通孔231，以使所述激光頭11發(fā)射的激光束12從所述激光通孔231處穿過(guò)所述噴頭23 ;此外，所述噴頭23上還設(shè)置有上下貫通的通氣孔232，以使所述氣管20中流動(dòng)的氣體從所述通氣孔232處穿過(guò)所述噴頭23，進(jìn)而使氣體噴到零件上需要進(jìn)行化學(xué)熱處理的部位。
[0027]優(yōu)選地，所述儲(chǔ)氣罐21的數(shù)量為多個(gè)，所述氣管20和通氣孔232的數(shù)量也相應(yīng)設(shè)置為多個(gè)，每個(gè)儲(chǔ)氣罐21通過(guò)一氣管20與一通氣孔232連接，并且每個(gè)儲(chǔ)氣罐21中的氣體種類不同，每個(gè)氣管20上均安裝有流量閥22，以控制通過(guò)噴頭23的氣體流量。
[0028]優(yōu)選地，所述激光通孔231處設(shè)置有保護(hù)鏡3，能有效防止飛肩從激光通孔231內(nèi)