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(shí)驗(yàn)；4）模型切片和加工軌跡設(shè)計(jì)；5）使用有限元分析軟件模擬加工過程溫度場(chǎng)；6）劃分加工區(qū)域；7）擬合特征點(diǎn)的溫度?時(shí)間曲線；8）設(shè)定溫度梯度；9）求解平臺(tái)上各電阻絲的控制信號(hào)；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(yīng)力、力學(xué)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(jì)算成形過程的溫度場(chǎng)，然后根據(jù)計(jì)算所得結(jié)果生成一系列的控制信號(hào)，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(jìn)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(jì)生產(chǎn)周期短，可以一次成形復(fù)雜零件等優(yōu)勢(shì)，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(gè)伴隨著復(fù)雜相變的加工過程。加工時(shí)，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(yīng)力，這嚴(yán)重影響著材料的力學(xué)性能。
[0004]目前，研究者一般采用基板預(yù)熱的方法來對(duì)加工過程的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種做法雖然可以減小加工熱應(yīng)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(yù)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(shì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)(實(shí)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(jìn)而改善甚至控制3D金屬打印件的熱應(yīng)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(xué)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(yīng)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(chǎng)變化，然后選取特征點(diǎn)，擬合出這些特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線，并以此為依據(jù)制定一系列控制信號(hào)來控制基本上相應(yīng)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(tái)(見圖2)上分布的獨(dú)立電阻絲這兩個(gè)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(shí)激光參數(shù)有功率P、光斑直徑d、光斑移動(dòng)速度V和送粉速度δ ；
3)單道熔覆實(shí)驗(yàn)
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(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn)，并對(duì)熔覆的單道進(jìn)行測(cè)量，其寬度w和高度為h;
4)模型切片和加工軌跡設(shè)計(jì)
對(duì)模型進(jìn)行切片分層，層厚由測(cè)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(shí)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(chǎng)
使用有限元分析軟件模擬加工過程的溫度場(chǎng)，熱源類型高斯移動(dòng)熱源，熱源移動(dòng)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(tái)，劃分加工域，每個(gè)加工區(qū)域均為正方形，并選擇每個(gè)加工區(qū)域的中心點(diǎn)作為特征點(diǎn)；
7)擬合特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線
根據(jù)步驟5)中所得的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，擬合出特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線，選擇熔化-凝固區(qū)間，把區(qū)間細(xì)分為10個(gè)小區(qū)間，根據(jù)溫度-時(shí)間曲線計(jì)算出每個(gè)小區(qū)間的溫度梯度；
8)設(shè)定溫度梯度
設(shè)計(jì)加工過程中各區(qū)域特征點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線上10個(gè)小區(qū)間端點(diǎn)處的溫度，計(jì)算出相鄰特征點(diǎn)的溫度梯度；
9)求解平臺(tái)上各電阻絲的控制信號(hào)
建立平臺(tái)上各電阻絲在加熱時(shí)的熱學(xué)方程，每個(gè)加工區(qū)域由該加工區(qū)域?qū)?yīng)加工平臺(tái)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(hào)；
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(jìn)行打印，平臺(tái)中的電阻絲按照
9)中所求解出的控制信號(hào)進(jìn)行工作；打印發(fā)生高溫氧化的粉末材料時(shí)，需將加工平臺(tái)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(diǎn)在于:本專利提出了一種通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(實(shí)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(yīng)力，從而提升金屬3D打印件的力學(xué)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(dá)到定向凝固，提升金屬3D打印件的高溫力學(xué)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(jià)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(tái);4、控制箱；
圖2為加工平臺(tái)示意圖；
圖3為有限元分析流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]
下面結(jié)合具體實(shí)例，加工Ni718合金材料，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0013]實(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)
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(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn)，測(cè)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(jì)
對(duì)模型進(jìn)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(shí)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(chǎng)
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(chǎng)。
[0018]6)劃分加工區(qū)域
根據(jù)加工平臺(tái)，劃分加工區(qū)域，每個(gè)加工區(qū)域均為正方形，共劃分20個(gè)加工區(qū)域，每個(gè)加工區(qū)域?yàn)?mm X 1mm，并選擇每個(gè)加工區(qū)域的中心點(diǎn)作為特征點(diǎn)。
[0019]7)擬合特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線
根據(jù)5)中所得溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，擬合出特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線，選擇好熔化-凝固區(qū)間，并把區(qū)間細(xì)分為10個(gè)小區(qū)間，根據(jù)溫度-時(shí)間曲線計(jì)算出每個(gè)小區(qū)間的溫度梯度。
[0020]8)設(shè)定溫度梯度
設(shè)計(jì)加工過程中各區(qū)域特征點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線上10個(gè)小區(qū)間端點(diǎn)處的溫度，計(jì)算出相鄰特征點(diǎn)的溫度梯度。
[0021 ] 9)求解平臺(tái)上各電阻絲的控制信號(hào)
建立平臺(tái)上各電阻絲在加熱時(shí)的熱學(xué)方程，為了簡化處理，每個(gè)加工區(qū)域由該加工區(qū)域?qū)?yīng)加工平臺(tái)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(hào)。
[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(jìn)行打印，加工平臺(tái)中的電阻絲按照
9)中所求解出的控制信號(hào)進(jìn)行工作。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(shí)激光參數(shù)有功率P、光斑直徑d、光斑移動(dòng)速度V和送粉速度δ ； 3)單道熔覆實(shí)驗(yàn) 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(jìn)行單道熔覆實(shí)驗(yàn)，并對(duì)熔覆的單道進(jìn)行測(cè)量，其寬度為w和高度為h; 4)模型切片和加工軌跡設(shè)計(jì) 對(duì)模型進(jìn)行切片分層，層厚由測(cè)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(shí)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(chǎng) 使用有限元分析軟件模擬加工過程的溫度場(chǎng)，熱源類型高斯移動(dòng)熱源，熱源移動(dòng)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(tái)，劃分加工域，每個(gè)加工區(qū)域均為正方形，并選擇每個(gè)加工區(qū)域的中心點(diǎn)作為特征點(diǎn)； 7)擬合特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線 根據(jù)步驟5)中所得的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，擬合出特征點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線，選擇熔化-凝固區(qū)間，把區(qū)間細(xì)分為10個(gè)小區(qū)間，根據(jù)溫度-時(shí)間曲線計(jì)算出每個(gè)小區(qū)間的溫度梯度； 8)設(shè)定溫度梯度 設(shè)計(jì)加工過程中各區(qū)域特征點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線上10個(gè)小區(qū)間端點(diǎn)處的溫度，計(jì)算出相鄰特征點(diǎn)的溫度梯度； 9)求解平臺(tái)上各電阻絲的控制信號(hào) 建立平臺(tái)上各電阻絲在加熱時(shí)的熱學(xué)方程，每個(gè)加工區(qū)域由該加工區(qū)域?qū)?yīng)加工平臺(tái)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(hào)； 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(jìn)行打印，平臺(tái)中的電阻絲按照步驟9)中所求解出的控制信號(hào)進(jìn)行工作;打印發(fā)生高溫氧化的粉末材料時(shí)，需將加工平臺(tái)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(hào)】G06F17/50GK106021795SQ201610385461
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】南昌航空大學(xué)