一種提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法，該方法將掃描方法分為支撐掃描和實(shí)體掃描兩部分，支撐掃描方法采用隔層掃描的方式，而實(shí)體掃描由外殼的輪廓偏移掃描和內(nèi)部的方塊分區(qū)掃描結(jié)合而成，實(shí)體的輪廓外殼掃描完之后，對內(nèi)部進(jìn)行逐層偏轉(zhuǎn)的分區(qū)掃描，根據(jù)零件大小將內(nèi)部用5*5mm?10*10mm大小的方塊填充，相鄰兩個方塊分區(qū)之間的掃描線方向呈90°正交，零件內(nèi)部實(shí)體掃描時通過光路調(diào)節(jié)提高聚焦光斑直徑以提高加工效率。對層間截面內(nèi)部分區(qū)方塊進(jìn)行逐層旋轉(zhuǎn)60°，不僅防止上下層的方塊發(fā)生重疊，盡可能的消除邊沿凸起缺陷，同時能防治多層堆積過程中產(chǎn)生的應(yīng)力累積缺陷。該方法可以廣泛應(yīng)用在增材制造制造領(lǐng)域。
【專利說明】
一種提高金屬零件増材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及金屬零件的增材制造領(lǐng)域，尤其涉及一種提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]增材制造又俗稱3D打印，是通過CAD設(shè)計數(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)，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，增材制造具有能夠成型復(fù)雜形狀零件、成型精度高、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)。而金屬增材制造由于能夠直接制造結(jié)構(gòu)致密、冶金結(jié)合的高精度金屬零件，成為了目前最熱門的制造技術(shù)。
[0003]目前金屬增材制造的成型材料主要是粉末材料，根據(jù)不同的送粉模式，分為預(yù)置式送粉模式和同軸噴粉模式兩種，其中激光選區(qū)熔化和電子束選區(qū)熔化就是預(yù)置式送粉模式的代表技術(shù)，激光近凈成型就是同軸噴粉模式的代表技術(shù)。這類粉末材料的金屬增材制造技術(shù)能夠成型結(jié)構(gòu)致密、冶金結(jié)合的金屬零件，而且能夠成型一些傳統(tǒng)切削方式無法成型的復(fù)雜形狀零件。
[0004]其中金屬增材制造的代表技術(shù)激光選區(qū)熔化的成型過程如下:鋪粉裝置在成型缸上鋪上一層金屬粉末，激光束在計算機(jī)控制下，根據(jù)成型件截面形狀信息，對粉末進(jìn)行選擇性掃描，使掃描區(qū)域內(nèi)的粉末粘結(jié)或熔化，得到成型件的單層形狀;接著成型缸下降一個層厚的距離，鋪粉裝置重新鋪粉，繼續(xù)進(jìn)行下一層的成型；如此逐層疊加，最終獲得特定幾何形狀的金屬零件。
[0005]因此，粉末預(yù)置式的金屬增材制造成型過程都是通過激光束或電子束等熱源掃描每一層截面區(qū)域，熔化成型區(qū)的粉末來填充成一個鋪粉層厚的零件，最終層層疊加為一個零件。因此，加工過程中每層截面路徑填充掃描方法對成型質(zhì)量影響很大，不同的掃描方法對成型零件的尺寸精度、致密度和表面粗糙度都有直接的影響。
[0006]目前，粉末預(yù)置式的金屬增材制造中，常見的截面路徑填充掃描成型方法有單向直線掃描、雙向直線掃描、正交掃描、層間交錯掃描和輪廓偏移掃描等方式。不同的掃描方式都各有特點(diǎn)，但是都有其缺陷。其中直線掃描方式會產(chǎn)生起始點(diǎn)球化現(xiàn)象，起始點(diǎn)球化逐層疊加，會使邊緣凸起，影響加工質(zhì)量;其中輪廓偏移掃描的效率較高，但是熱量累積過多，容易出現(xiàn)過熔現(xiàn)象;其中正交掃描和層間掃描方式能獲得較高的零件致密度，但是對于大尺寸的零件，在長線掃描的過程中容易累積較多的殘余應(yīng)力，成型過程中出現(xiàn)翹曲。
[0007]此外，復(fù)雜形狀金屬零件在增材制造成型過程中，由于存在較多的懸垂面，為了順利成型，需要添加較多的支撐防止塌陷和翹曲缺陷。目前對于支撐的掃描成型方法是掃描每一層的輪廓，這樣成型效率較低，而且過多的支撐掃描會影響成型時的鋪粉質(zhì)量，容易造成鋪粉不平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法。該方法綜合現(xiàn)有掃描方法的優(yōu)點(diǎn)，提高成型零件的精度和表面粗糙度，并盡可能的減少成型過程的殘余應(yīng)力。
[0009]本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]激光束或電子束在經(jīng)過金屬增材制造設(shè)備聚焦后，會得到一個能量高度集中的加工點(diǎn)，通過該加工點(diǎn)去熔化金屬粉末。但是加工點(diǎn)存在熱影響區(qū)，導(dǎo)致成型熔道要比加工點(diǎn)寬。成型熔道的尺寸是一個比較重要的參數(shù)，掃描成型中要根據(jù)該尺寸的大小去調(diào)節(jié)掃描參數(shù)。尤其是在掃描支撐和零件的輪廓時，要進(jìn)行加工補(bǔ)償，補(bǔ)償值通常設(shè)置為成型熔道尺寸大小的一半。如果不設(shè)置加工補(bǔ)償，則加工零件的尺寸精度將會受到影響。
[0011]此外為了獲得較高的致密度，相鄰兩條掃描線之間要進(jìn)行搭接，設(shè)置合理的掃描線間距，使掃描線之間有20%-40%的搭接率，掃描線間距也要根據(jù)成型熔道的尺寸來設(shè)定。
[0012]本發(fā)明提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法，包括如下步驟:
[0013]由于激光光斑的熱影響區(qū)和光斑補(bǔ)償，掃描成型方法分別針對金屬零件的支撐掃描和實(shí)體掃描兩部分，其中實(shí)體掃描由外殼的輪廓偏移掃描和內(nèi)部的方塊分區(qū)掃描結(jié)合而成。
[0014]支撐掃描是為了提高支撐的成型效率，保證鋪粉更平整;支撐掃描采用隔層掃描的方式，即第2η層鋪完粉之后，支撐不掃描，第(2η+1)層鋪完粉后才掃描支撐，如此循環(huán)反復(fù)；
[0015]支撐掃描時，對不同形狀的支撐，采用兩類掃描方法，即對于沒有厚度要求的支撐類型，如線形輪廓支撐，只掃描一次輪廓;對于有厚度要求的支撐類型，如塊狀支撐和圓筒形支撐，進(jìn)行向內(nèi)偏移的輪廓掃描，偏移距離為激光光斑補(bǔ)償距離6大小。
[0016]所述外殼的輪廓偏移掃描，分為前掃描和后掃描;前掃描是在掃描實(shí)體零件內(nèi)部之前，先掃描一次輪廓；后掃描是在掃描實(shí)體零件內(nèi)部之后，再掃描輪廓;在進(jìn)行輪廓掃描時，每一層的外殼輪廓向內(nèi)偏移一個激光光斑補(bǔ)償距離6后掃描，偏移掃描兩次，保證零件外殼的強(qiáng)度;零件外殼掃描時通過光路調(diào)節(jié)降低聚焦光斑直徑，并提高實(shí)體的表面粗糙度；實(shí)體的輪廓外殼掃描完之后，對內(nèi)部進(jìn)行逐層偏轉(zhuǎn)的分區(qū)掃描，根據(jù)零件大小將內(nèi)部用5*5mm-10*10mm大小的方塊13填充，相鄰兩個方塊13分區(qū)之間的掃描線方向呈90°正交。零件內(nèi)部實(shí)體掃描時通過光路調(diào)節(jié)提高聚焦光斑直徑以提高加工效率。
[0017]為使相鄰兩個方塊13分區(qū)之間連接緊密，掃描時設(shè)置分區(qū)之間有搭接，搭接距離為一個激光光斑補(bǔ)償距離6的大小。為防止起始點(diǎn)球化在搭接區(qū)域產(chǎn)生逐層的累積，造成邊沿凸起，對內(nèi)部分區(qū)方塊進(jìn)行逐層旋轉(zhuǎn)60°。不僅防止上下層的方塊發(fā)生重疊，盡可能的消除邊沿凸起缺陷，同時能防治多層堆積過程中產(chǎn)生的應(yīng)力累積缺陷。
[0018]本與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0019]I)支撐掃描時，采用隔層掃描的方式，提高了成型效率，使鋪粉更加平整。
[0020]2)實(shí)體的外殼采用了加工補(bǔ)償?shù)妮喞茠呙?，通過光路自動調(diào)節(jié)降低聚焦光斑直徑，提高了成型零件的精度和表面粗糙度。
[0021]3)實(shí)體內(nèi)部采用逐層偏轉(zhuǎn)的分區(qū)掃描方式，通過光路自動調(diào)節(jié)提高聚焦光斑直徑，提高了零件的致密度，減少了加工時的熱應(yīng)力，降低了零件發(fā)生翹曲缺陷的概率。
[0022]4)使用本發(fā)明的路徑掃描方法，針對中、大型金屬零件(零件尺寸在150mm以上)的增材制造具有明顯優(yōu)勢，可以避免大面積掃描產(chǎn)生的應(yīng)力累積而造成的局部變形。
【附圖說明】
[0023]圖1為激光聚焦光斑和實(shí)際成型熔道(包括熱影響區(qū))示意圖。
[0024]圖2為沒有激光光斑補(bǔ)償?shù)妮喞獟呙枋疽鈭D。
[0025]圖3為設(shè)置了激光光斑補(bǔ)償?shù)妮喞獟呙枋疽鈭D。
[0026]圖4為零件第3n層截面的掃描方法示意圖。
[0027]圖5為零件第3n+l層截面的掃描方法示意圖。
[0028]圖6為零件第3n+2層截面的掃描方法示意圖。
[0029]圖7為零件內(nèi)部方塊分區(qū)的邊界搭接示意圖。
[0030]圖中附圖標(biāo)記:聚焦后的激光光斑1(尺寸)；成型熔道2(成型熔道2的尺寸，包括熱影響區(qū)尺寸)；零件的理論輪廓3;零件成型后的實(shí)際輪廓4;激光光斑中心的掃描軌跡5;激光光斑補(bǔ)償距離6;支撐的理論輪廓線7;光斑補(bǔ)償后的支撐第一條輪廓掃描線8;光斑補(bǔ)償后的支撐第二條輪廓掃描線9;實(shí)體零件的理論輪廓線10;光斑補(bǔ)償后的實(shí)體第一條輪廓掃描線11;光斑補(bǔ)償后的實(shí)體第二條輪廓掃描線12;方塊13(實(shí)體內(nèi)部的分區(qū)方塊)；分區(qū)方塊內(nèi)部的填充掃描線14。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。
[0032]實(shí)施例
[0033]如圖1所示，激光束在經(jīng)過金屬增材制造設(shè)備聚焦后，會得到一個能量集中的加工點(diǎn)(聚焦后的激光光斑I)，通過該加工點(diǎn)去熔化金屬粉末。但是加工點(diǎn)存在熱影響區(qū)，使得成型熔道要比加工點(diǎn)寬。成型熔道2的尺寸是一個比較重要的參數(shù)，掃描成型中要根據(jù)該尺寸的大小去調(diào)節(jié)掃描參數(shù)。
[0034]尤其是在掃描支撐和零件的輪廓時，要進(jìn)行加工補(bǔ)償，補(bǔ)償值通常設(shè)置為成型熔道2尺寸大小的一半。
[0035]如圖2和圖3所示，假如加工時沒有設(shè)置激光光斑補(bǔ)償，掃描輪廓邊緣時，激光光斑中心的掃描軌跡5和零件的理論輪廓3重合。由于熱影響區(qū)的存在，這樣的掃描成型方法會使加工零件的尺寸精度受到影響。圖2中虛線為零件成型后的實(shí)際輪廓4。
[0036]此外為了獲得較高的致密度，相鄰兩條掃描線之間要進(jìn)行搭接，設(shè)置合理的掃描線間距，使掃描線之間有20%_40%的搭接率，掃描線間距也要根據(jù)成型熔道的尺寸來設(shè)定。假設(shè)激光光斑的熱影響區(qū)為150μπι，若要設(shè)置30%的搭接率，則兩條熔道的重合搭接距離應(yīng)該為45μηι。
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明掃描成型方法作具體說明
[0038]本發(fā)明掃描成型方法包括支撐部分的掃描成型方法和實(shí)體零件部分的掃描成型方法。
[0039]其中對于支撐部分的掃描成型，為了提高支撐的成型效率，保證鋪粉更平整，本發(fā)明對支撐部分采用隔層掃描的方式，即第2η層鋪完粉之后，支撐不掃描，第(2η+1)層鋪完粉后才掃描支撐，如此循環(huán)反復(fù)。支撐掃描時，對不同形狀的支撐，采用兩類掃描方法。其中對于沒有厚度要求的支撐類型，如線形輪廓支撐，只掃描一次輪廓;對于有厚度要求的支撐類型，如塊狀支撐和圓筒形支撐，進(jìn)行向內(nèi)偏移的輪廓掃描，偏移距離為一個加工補(bǔ)償大小(激光光斑補(bǔ)償距離6)。
[0040]如圖4所示，該支撐為有厚度要求的圓筒形支撐。圖中附圖標(biāo)記代表:支撐的理論輪廓線7;光斑補(bǔ)償后的支撐第一條輪廓掃描線8;光斑補(bǔ)償后的支撐第二條輪廓掃描線9;實(shí)體零件的理論輪廓線10;光斑補(bǔ)償后的實(shí)體第一條輪廓掃描線11;光斑補(bǔ)償后的實(shí)體第二條輪廓掃描線12;方塊13;分區(qū)方塊內(nèi)部的填充掃描線14。其中實(shí)體零件部分的掃描由外殼的輪廓偏移掃描和內(nèi)部的方塊分區(qū)掃描結(jié)合而成。
[0041]輪廓掃描分為前掃描和后掃描。前掃描是在掃描實(shí)體零件內(nèi)部之前，先掃描一次輪廓；后掃描是在掃描實(shí)體零件內(nèi)部之后，再掃描輪廓。本方法同時采用前掃描和后掃描，前掃描可以提高零件的成型精度，后掃描可以對輪廓進(jìn)行重熔，提高零件的表面質(zhì)量。在進(jìn)行輪廓掃描時，每一層的外殼輪廓向內(nèi)偏移一個激光光斑補(bǔ)償距離6后掃描，外殼輪廓掃描時，通過調(diào)節(jié)光路減小聚焦光斑大小。實(shí)體的輪廓外殼掃描完之后，對內(nèi)部進(jìn)行逐層偏轉(zhuǎn)的分區(qū)掃描，根據(jù)零件大小將內(nèi)部用2*2mm-10*10mm大小的方塊13填充，相鄰兩個方塊13分區(qū)之間的掃描線方向呈90°正交，內(nèi)部填充掃描時，通過調(diào)節(jié)光路提高聚焦光斑大小。
[0042]如圖7所示，為了保證相鄰分區(qū)之間連接緊密，掃描時設(shè)置分區(qū)之間有一定的搭接，搭接距離為一個加工補(bǔ)償距離(激光光斑補(bǔ)償距離6)大小。
[0043]如圖4、圖5和圖6所示，為了防止起始點(diǎn)球化在搭接區(qū)域產(chǎn)生逐層的累積，造成邊沿凸起嚴(yán)重，本發(fā)明對內(nèi)部分區(qū)方塊進(jìn)行逐層旋轉(zhuǎn)60°，防止上下層的方塊發(fā)生重疊，盡可能的消除邊沿凸起缺陷。
[0044]現(xiàn)以圓筒形支撐和橢圓形實(shí)體截面作為例子，則具體的掃描成型步驟如下:
[0045]首先，進(jìn)行支撐掃描，進(jìn)行2-3次向內(nèi)偏移的輪廓掃描，偏移一個加工補(bǔ)償距離(激光光斑補(bǔ)償距離6)。支撐掃描時進(jìn)行隔層掃描策略，第2n層鋪完粉之后，支撐不掃描，第(2n+1)層鋪完粉后才掃描支撐，如此循環(huán)反復(fù)。
[0046]然后，進(jìn)行實(shí)體零件的輪廓掃描。先進(jìn)行輪廓前掃描，通過調(diào)節(jié)光路降低聚焦光斑直徑到70微米，每一層的外殼輪廓向內(nèi)偏移一個加工補(bǔ)償?shù)木嚯x(激光光斑補(bǔ)償距離6)后，偏移掃描兩次，掃描線軌跡為光斑補(bǔ)償后的實(shí)體第一條輪廓掃描線11和光斑補(bǔ)償后的實(shí)體第二條輪廓掃描線12，保證零件外殼的強(qiáng)度和成型精度;等實(shí)體零件的內(nèi)部掃描完之后，進(jìn)行輪廓的后掃描，提高成型零件的表面質(zhì)量。
[0047]最后，進(jìn)行實(shí)體零件內(nèi)部的方塊分區(qū)掃描，通過調(diào)節(jié)光路提高聚焦光斑直徑到100微米，根據(jù)零件大小將內(nèi)部用5*5mm-l O* I Omm大小的方塊填充，相鄰兩個方塊分區(qū)之間的掃描線方向呈90°正交。分區(qū)之間的搭接距離為一個加工補(bǔ)償?shù)拇笮?激光光斑補(bǔ)償距離6)。為了防止起始點(diǎn)球化在搭接區(qū)域產(chǎn)生逐層的累積，造成邊沿凸起，內(nèi)部分區(qū)方塊進(jìn)行逐層旋轉(zhuǎn)60°，即第3n層內(nèi)部方塊平行于水平方向，第3n+l層內(nèi)部方塊方向與水平正方向呈60°，第3n+2層內(nèi)部方塊方向與水平正方向呈120°。
[0048]如上所述，便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
[0049]本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法，其特征在于包括如下步驟: 由于激光光斑的熱影響區(qū)和光斑補(bǔ)償，掃描成型方法分別針對金屬零件的支撐掃描和實(shí)體掃描兩部分，其中實(shí)體掃描由外殼的輪廓偏移掃描和內(nèi)部的方塊分區(qū)掃描結(jié)合而成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法，其特征在于:所述支撐掃描采用隔層掃描的方式，即第2n層鋪完粉之后，支撐不掃描，第(2n+l)層鋪完粉后才掃描支撐，如此循環(huán)反復(fù)； 支撐掃描時，對不同形狀的支撐，采用兩類掃描方法，即對于沒有厚度要求的支撐類型，只掃描一次輪廓;對于有厚度要求的支撐類型，進(jìn)行向內(nèi)偏移的輪廓掃描，偏移距離為一個加工補(bǔ)償大小。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法，其特征在于: 所述外殼的輪廓偏移掃描，分為前掃描和后掃描;前掃描是在掃描實(shí)體零件內(nèi)部之前，先掃描一次輪廓；后掃描是在掃描實(shí)體零件內(nèi)部之后，再掃描輪廓;在進(jìn)行輪廓掃描時，每一層的外殼輪廓向內(nèi)偏移一個激光光斑補(bǔ)償距離(6)后掃描;零件外殼掃描時通過光路調(diào)節(jié)降低聚焦光斑直徑;實(shí)體的輪廓外殼掃描完之后，對內(nèi)部進(jìn)行逐層偏轉(zhuǎn)的分區(qū)掃描，根據(jù)零件大小將內(nèi)部用5*5mm-10*10mm大小的方塊(13)填充，相鄰兩個方塊(13)分區(qū)之間的掃描線方向呈90°正交。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法，其特征在于:為使相鄰兩個方塊(13)分區(qū)之間連接緊密，掃描時設(shè)置分區(qū)之間有搭接，搭接距離為一個激光光斑補(bǔ)償距離(6)的大小。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述提高金屬零件增材制造成型質(zhì)量的掃描成型方法，其特征在于: 為防止起始點(diǎn)球化在搭接區(qū)域產(chǎn)生逐層的累積，造成邊沿凸起，對內(nèi)部分區(qū)方塊進(jìn)行逐層旋轉(zhuǎn)60°。
【文檔編號】B22F3/105GK105903961SQ201610253397
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】王迪, 楊永強(qiáng), 鄧詩詩, 張自勉
【申請人】華南理工大學(xué)