一種凝固過程溫度梯度可控的3d打印金屬材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種凝固過程溫度梯度可控的3D打印金屬材料的方法。其步驟為：1）建立金屬材料零件的CAD模型；2）選定加工工藝；3）單道熔覆實驗；4）模型切片和加工軌跡設(shè)計；5）使用有限元分析軟件模擬加工過程溫度場；6）劃分加工區(qū)域；7）擬合特征點的溫度?時間曲線；8）設(shè)定溫度梯度；9）求解平臺上各電阻絲的控制信號；10）激光3D打印。本發(fā)明可以在加工過程中控制成形過程的溫度梯度，獲得低殘余應力、力學性能好的金屬材料，極大地節(jié)約了成本；還可以根據(jù)要求設(shè)定加工過程的溫度梯度，從而定向地制備金屬材料。
【專利說明】一種凝固過程溫度梯度可控的3D打印金屬材料的方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種凝固過程溫度梯度可控的3D打印金屬材料的方法，具體是在激光3D打印過程中，通過事先模擬計算成形過程的溫度場，然后根據(jù)計算所得結(jié)果生成一系列的控制信號，結(jié)合基板加熱系統(tǒng)來控制基板表面各區(qū)域的溫度，進而控制金屬凝固過程的溫度梯度。本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]
3D打印技術(shù)是一種與傳統(tǒng)削減材料的加工方法截然相反，基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式來制造產(chǎn)品的工藝方法。與傳統(tǒng)加工相比，3D打印具有原材料利用率高，設(shè)計生產(chǎn)周期短，可以一次成形復雜零件等優(yōu)勢，而且3D打印過程綠色環(huán)保，無工業(yè)廢料產(chǎn)生，是一種環(huán)境友好型的加工技術(shù)。
[0003]3D打印過程，尤其是激光3D打印過程，是一個伴隨著復雜相變的加工過程。加工時，隨著高能量密度的束流(激光、電子束、離子束等)注入，工件表面熔池溫度急劇上升和下降，使得試樣內(nèi)部存在著巨大的溫度梯度，而劇烈的溫度梯度使得材料在成形過程中產(chǎn)生很大的熱應力，這嚴重影響著材料的力學性能。
[0004]目前，研究者一般采用基板預熱的方法來對加工過程的溫度進行調(diào)節(jié)，這種做法雖然可以減小加工熱應力，抑制加工過程中微裂紋的生長，但是這種做法沒有考慮加工過程中不同區(qū)域的溫度梯度的不同，難以控制加工過程中不同區(qū)域的溫度梯度，而且隨著預熱溫度的提高，因激光3D打印快熱快冷的特性帶來的優(yōu)勢逐漸減小，容易產(chǎn)生較大的晶粒。本專利提出了一種通過點對點(實為一圓形小區(qū)域)的溫度控制方案，結(jié)合有限元分析結(jié)果來控制加工區(qū)域溫度梯度，進而改善甚至控制3D金屬打印件的熱應力分布情況，優(yōu)化晶粒的生長環(huán)境，從而提升金屬打印件的力學性能。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

為了解決金屬3D打印過程中因溫度梯度劇烈變化帶來的熱應力問題，本發(fā)明提供了一種高效簡便的方法來控制加工過程中的溫度梯度。采用有限元分析軟件來模擬加工過程中的溫度場變化，然后選取特征點，擬合出這些特征點的溫度-時間曲線，并以此為依據(jù)制定一系列控制信號來控制基本上相應區(qū)域的電阻絲，使用3D打印過程中輸入的高能束流(激光、電子束、離子束等)和加工平臺(見圖2)上分布的獨立電阻絲這兩個熱源來控制3D打印過程中的溫度梯度，部分加工設(shè)備分布如圖1所示。
[0006]本發(fā)明一種凝固過程溫度梯度可控的3D打印金屬材料的方法采取如下步驟:
I)建模
建立金屬材料零件的CAD模型； 2)選定加工工藝
采用激光作為加工輸入熱源，選定粉末材料，確定加工時激光參數(shù)有功率P、光斑直徑d、光斑移動速度V和送粉速度δ ；
3)單道熔覆實驗
采用銅板或不銹鋼板作加工基板，使用步驟2)中的加工參數(shù)進行單道熔覆實驗，并對熔覆的單道進行測量，其寬度w和高度為h;
4)模型切片和加工軌跡設(shè)計
對模型進行切片分層，層厚由測量的高度h決定，層厚為(h-0.2)?h;根據(jù)設(shè)定的20%?30%的搭接率以及加工時的熔道寬度b，通過切片軟件分割圖形，并生成加工軌跡線，相鄰線距離為0.6*b~0.8*b，所述的切片軟件采用開源軟件slie 3；
5)使用有限元分析軟件模擬加工過程溫度場
使用有限元分析軟件模擬加工過程的溫度場，熱源類型高斯移動熱源，熱源移動軌跡與步驟4)中的軌跡線相同，熱源參數(shù)為步驟2)中選定的激光參數(shù)；
6)劃分加工區(qū)域
根據(jù)加工平臺，劃分加工域，每個加工區(qū)域均為正方形，并選擇每個加工區(qū)域的中心點作為特征點；
7)擬合特征點的溫度-時間曲線
根據(jù)步驟5)中所得的溫度場數(shù)據(jù)，擬合出特征點的溫度-時間曲線，選擇熔化-凝固區(qū)間，把區(qū)間細分為10個小區(qū)間，根據(jù)溫度-時間曲線計算出每個小區(qū)間的溫度梯度；
8)設(shè)定溫度梯度
設(shè)計加工過程中各區(qū)域特征點溫度-時間曲線上10個小區(qū)間端點處的溫度，計算出相鄰特征點的溫度梯度；
9)求解平臺上各電阻絲的控制信號
建立平臺上各電阻絲在加熱時的熱學方程，每個加工區(qū)域由該加工區(qū)域?qū)庸て脚_上的電阻絲控制，結(jié)合步驟8)中設(shè)定的溫度梯度，使用有限元分析的方法求解電阻絲的控制信號；
10)激光3D打印
固定好加工基板，按照步驟2)中設(shè)定的加工工藝參數(shù)進行打印，平臺中的電阻絲按照
9)中所求解出的控制信號進行工作；打印發(fā)生高溫氧化的粉末材料時，需將加工平臺移至充滿氬氣的氣氛室中。
[0007]所述的粉末材料是粒徑為0.01-0.20mm的金屬粉末或合金粉末。
[0008]所述的金屬粉末為Fe、Co、N1、Cr、Mn、Cu、Al、T1、Mo、W或V，以及它們的混合粉末。
[0009]所述的合金粉末為304/304L不銹鋼、316/316L不銹鋼、N1-Cr合金、Ni718合金、TC4合金或TC9合金。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點在于:本專利提出了一種通過點對點(實為一圓形小區(qū)域)的溫度控制方案，結(jié)合有限元分析結(jié)果來控制加工區(qū)域溫度梯度，減小激光3D打印過程中快熱快冷帶來的的熱應力，從而提升金屬3D打印件的力學性能;可以控制加工過程的溫度梯度，優(yōu)化晶粒的生長環(huán)境，在局部區(qū)域達到定向凝固，提升金屬3D打印件的高溫力學性能;采用粒徑為0.01-0.20mm的金屬粉末或者金屬合金粉末作為原材料，原材料容易獲得，價格合理，成本低;使用Nd: YAG光纖激光器作為輸入熱源，光斑直接小且連續(xù)可控。
[0011]
【附圖說明】
圖1為加工設(shè)備不意圖；
圖中:1、激光頭及同軸送粉噴頭;2、加工基板;3、加工平臺;4、控制箱；
圖2為加工平臺示意圖；
圖3為有限元分析流程圖。
【具體實施方式】
[0012]
下面結(jié)合具體實例，加工Ni718合金材料，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0013]實施例1
Ni718合金材料零件制備方案:
I)建模
建立Ni718合金材料零件模型，長方體模型，長X寬X高:10mmX 20mmX 10mm。
[0014]2)選定加工工藝
選擇加工工藝，激光功率P=300W?500W、激光光斑直徑d=lmm、光斑移動速度v=0.005m/s?0.05m/s，送粉速度δ=0.1mm3/s~2mm3/s。
[0015]3)單道熔覆實驗
根據(jù)具體材料選擇合適的加工基板，此處選用304不銹鋼薄板，使用2)中選定的加工工藝參數(shù)進行單道熔覆實驗，測量單道熔覆寬1.0mm-1.5mm和單道高0.2mm?0.5mm。
[0016]4)模型切片和加工軌跡設(shè)計
對模型進行切片分層，層厚0.2mm~0.5mm;根據(jù)設(shè)定的搭接率20%?30%以及加工時的熔道寬度1.0mm?1.5_，將層圖形分割成加工軌跡線，線寬一般為1.0mm?1.5_。
[0017]5)使用有限元分析軟件模擬加工過程溫度場
根據(jù)2)中工藝參數(shù)和4)中軌跡參數(shù)，使用有限元分析軟件模擬加工過程的溫度場。
[0018]6)劃分加工區(qū)域
根據(jù)加工平臺，劃分加工區(qū)域，每個加工區(qū)域均為正方形，共劃分20個加工區(qū)域，每個加工區(qū)域為1mm X 1mm，并選擇每個加工區(qū)域的中心點作為特征點。
[0019]7)擬合特征點的溫度-時間曲線
根據(jù)5)中所得溫度場數(shù)據(jù)，擬合出特征點的溫度-時間曲線，選擇好熔化-凝固區(qū)間，并把區(qū)間細分為10個小區(qū)間，根據(jù)溫度-時間曲線計算出每個小區(qū)間的溫度梯度。
[0020]8)設(shè)定溫度梯度
設(shè)計加工過程中各區(qū)域特征點溫度-時間曲線上10個小區(qū)間端點處的溫度，計算出相鄰特征點的溫度梯度。
[0021 ] 9)求解平臺上各電阻絲的控制信號
建立平臺上各電阻絲在加熱時的熱學方程，為了簡化處理，每個加工區(qū)域由該加工區(qū)域?qū)庸て脚_上的電阻絲控制，結(jié)合8)中設(shè)定的溫度梯度，使用有限元分析的方法求解電阻絲的控制信號。
[0022]10)激光3D打印固定好加工基板，按照2)中設(shè)定的加工工藝參數(shù)進行打印，加工平臺中的電阻絲按照
9)中所求解出的控制信號進行工作。
【主權(quán)項】
1.一種凝固過程溫度梯度可控的3D打印金屬材料的方法，其特征在于:所述的方法采取如下步驟: 1)建模 建立金屬材料零件的CAD模型； 2)選定加工工藝 采用激光作為加工輸入熱源，選定粉末材料，確定加工時激光參數(shù)有功率P、光斑直徑d、光斑移動速度V和送粉速度δ ； 3)單道熔覆實驗 采用銅板或不銹鋼板作加工基板，使用步驟2)中的加工參數(shù)進行單道熔覆實驗，并對熔覆的單道進行測量，其寬度為w和高度為h; 4)模型切片和加工軌跡設(shè)計 對模型進行切片分層，層厚由測量的高度h決定，層厚為(h-0.2)?h;根據(jù)設(shè)定的20%?30%的搭接率以及加工時的熔道寬度b，通過切片軟件分割圖形，并生成加工軌跡線，相鄰線距離為0.6*b~0.8*b，所述的切片軟件采用開源軟件slie 3； 5)使用有限元分析軟件模擬加工過程溫度場 使用有限元分析軟件模擬加工過程的溫度場，熱源類型高斯移動熱源，熱源移動軌跡與步驟4)中的軌跡線相同，熱源參數(shù)為步驟2)中選定的激光參數(shù)； 6)劃分加工區(qū)域 根據(jù)加工平臺，劃分加工域，每個加工區(qū)域均為正方形，并選擇每個加工區(qū)域的中心點作為特征點； 7)擬合特征點的溫度-時間曲線 根據(jù)步驟5)中所得的溫度場數(shù)據(jù)，擬合出特征點的溫度-時間曲線，選擇熔化-凝固區(qū)間，把區(qū)間細分為10個小區(qū)間，根據(jù)溫度-時間曲線計算出每個小區(qū)間的溫度梯度； 8)設(shè)定溫度梯度 設(shè)計加工過程中各區(qū)域特征點溫度-時間曲線上10個小區(qū)間端點處的溫度，計算出相鄰特征點的溫度梯度； 9)求解平臺上各電阻絲的控制信號 建立平臺上各電阻絲在加熱時的熱學方程，每個加工區(qū)域由該加工區(qū)域?qū)庸て脚_上的電阻絲控制，結(jié)合步驟8)中設(shè)定的溫度梯度，使用有限元分析的方法求解電阻絲的控制信號； 10)激光3D打印 固定好加工基板，按照步驟2)中設(shè)定的加工工藝參數(shù)進行打印，平臺中的電阻絲按照步驟9)中所求解出的控制信號進行工作;打印發(fā)生高溫氧化的粉末材料時，需將加工平臺移至充滿氬氣的氣氛室中。2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種凝固過程溫度梯度可控的3D打印金屬材料的方法，其特征在于:所述的粉末材料是粒徑為0.01?0.20mm的金屬粉末或合金粉末。3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的金屬粉末，其特征在于:所述的金屬粉末為Fe、Co、N1、Cr、Mn、Cu、Al、T1、Mo、W或V，以及它們的混合粉末。4.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的合金粉末，其特征在于:所述的合金粉末為304/304L不銹bο '?γγ |—I m τ τν?-'ΤΓΣΓ U m τ、"ΖΕΓ U η τ ι τ、τ、"ΖΕΓ Uτ、τ、(iAl CiA.1τ ο /r\ τ ο ^ t/\A
【文檔編號】G06F17/50GK106021795SQ201610385461
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】李多生, 譚樹杰, 秦慶華, 王輝, 王明娣, 周亮, 廖小軍, 蔣磊, 洪躍, 李錦錦
【申請人】南昌航空大學