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CN109047759B - 一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法 - Google Patents

一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法，将一个粉末层分为多个子部分，依次扫描每个子部分，并使得每个子部分的激光扫描路径角度与相邻的不同，同时每个子部分的至少一部分的扫描路径与相邻的子部分的至少一部分的扫描路径首尾相接，完成一个粉末层的扫描后再采用同样的方法扫描下一个粉末层直至完成全部打印，这样由于扫描路径不断变化因此相邻子部分的热应力都不相同因此整体上减小了翘曲变形量，同时由于每个子部分的至少一部分的扫描路径与相邻的子部分的至少一部分的扫描路径首尾相接，因此增强了子部分之间的互连性从而提高了层间强度。

Description

一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。增材制造以分层方式打印三维物体。通常，将3D CAD模型切割成均匀厚度的多层，然后送到打印机中打印出三维模型。
选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)是增材制造以分层方式制造零件和复杂物体的常规技术。将致密粉末叠层放置，粉末层厚度均匀，然后在选择性激光熔化的情况下烧结粉末或在选择性激光烧结的能量激光下熔化粉末。对于整个制造过程，三维CAD模型被转换成多个二维厚度均匀的二维平面，根据零件或制品的需要将材料堆叠在一起，由于2D层的简单性，可以制造出复杂的几何形状。
选择性激光烧结(SLS)技术主要是利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。
SLS是利用红外激光来烧结粉末，先用铺粉滚轴铺一层粉末材料，通过打印设备里的恒温设施将其加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，接着激光束在粉层上照射，使被照射的粉末温度升至熔化点之上，进行烧结并与下面已制作成形的部分实现黏结。当一个层面完成烧结之后，打印平台下降一个层厚的高度，铺粉系统为打印平台铺上新的粉末材料，然后控制激光束再次照射进行烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。
SLM技术是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术，使用高功率激光束将一层金属粉末加工熔合成型，完成熔合后，操作平台下调一个层厚的距离，继续加工下一层粉末，重复此步骤，直至划定(选定的需要加工)的区域全部熔铸完成，就得到一件立体的化合物。所需的产品(零件)就是这样通逐层加工累积而成。在高激光能量密度作用下，金属粉末完全熔化，经散热冷却后可实现与固体金属冶金焊合成型。SLM技术正是通过此过程，层层累积成型出三维实体的快速成型技术。
对于每层粉末的沉积和激光熔化的加工工艺，粉末颗粒的大小和均匀性是至关重要的。通过激光能量以特定的方式逐层熔化的材料粉末，来制造这样的物品或物体，晶粒尺寸的非均匀性会在粉末层中产生裂纹效应，同时扩散至层间连接，并且会导致热熔性材料结合的非均匀性。
每次打印需定义扫描速度，对于慢速扫描速度，激光能量将长时间作用于被加工材料，反之亦然。因此，扫描速度是影响粉末层烧结和熔化的另一个关键因素，对于非常快的扫描速度，由于能量供应不足，该层不会被烧结或熔化，这最终会导致结构孔隙率和熔融不足现象的发生。同样，如果扫描速度比所需的速度慢，则将提供给材料更多的能量，这将导致过度熔化，热应力的增强也将导致翘曲并产生裂纹。
激光扫描策略是材料粉末在激光能量作用下控制其熔化走向的重要因素，它会在激光作用点周围产生热应力，因此，如果相邻层的所有作用点重合，则会产生强烈的热应力，热应力最终会产生具有裂纹的翘曲效应，最终导致结构失效。在激光扫描策略范畴，最常用的扫描方式有单向扫描、锯齿状扫描和交叉扫描策略。
如图1所示，是最常用的单向扫描、锯齿状扫描和交叉扫描策略的示意图，沿z轴方向逐层扫描堆叠，黑色箭头表示扫描路径的方向，图(b)所示为单向扫描，如其上表面所示，沿x轴正方向有多个扫描路径箭头，该扫描方式的扫描路径统一是沿x轴正方向，即沿x轴正方向的前一个扫描路径结束后激光返回x轴负方向再继续下一个扫描路径，每个扫描路径都是相同的；图(a)所示为锯齿状扫描，与单向扫描不同的是，沿x轴正方向的前一个扫描路径结束后激光会再从x轴正方向往负方向扫描回去形成下一个扫描路径，如此反复形成往复的锯齿状的来回的扫描方式；图(a)所示为交叉扫描，也即上一层的扫描和这一层的扫描的路径呈交叉状，如上一层的扫描为沿x轴的锯齿状扫描，下一层的扫描为沿y轴的锯齿状扫描，如此交叉反复堆叠。
激光重叠是扫描过程中两条相邻线之间存在的重叠现象，通常是部分重叠的扫描路径，这是一重要的现象，因为重叠将使打印路径合并在一起，额外的重叠会使得粉末材料发生重融，因此，它会影响效率和时间。同样，较小的重叠可能是相邻熔道不完全贴合现象发生的原因。
运用增材制造技术对各种材料进行生产时，由于激光光斑具有一确定的直径，因此高的能量作用于在粉末层中，由于热应力的存在，能观察到粉末的扰动和破碎，材料熔化后容易产生结构缺陷(例如翘曲和裂纹)。
激光功率(瓦特)，扫描速度(mm/s)，材料重叠率(％)和扫描间距(毫米)是影响SLM技术材料成形的因素。
因为大多数快速成型技术以分层制造的方式制造了零件，所以每一层的厚度、表面质量和轮廓定义成了定义产品质量的重要因素。如果第一层具有粗糙的表面质量和不规则的表面轮廓，随后的层也会受到影响，这最终会导致结构孔隙率和层间结合不良的现象。如图2所示，是一个锯齿状扫描和交叉扫描金样品的对比试验。对该样品的平均厚度进行了分析，分析表明，由于扫描在第二次扫描中熔化了一些多余的粉末，所以交叉扫描层的厚度为358μm(即交叉的上一层和这一层的厚度)，该值大于锯齿状扫描策略的值278μm(即两层相同的锯齿状扫描层的厚度)。在交叉扫描中相同的扫描参数在相同的层已经扫描了两次，所以更多的热量被提供给粉末，使得更多的粉末烧结到底部。因此，在交叉扫描策略中我们能发现层厚增加的现象，因此锯齿状扫描策略的优势在于能够提高层间连接的强度(即层间结合更为紧密间距较小)，但是由于在每个层的同一方向上具有热残余应力，层间会出现翘曲变形，随着打印层数的增加，翘曲变形会不断增大，由于各层的热应力相互增加，翘曲效应也随之增加，单向扫描也是同样的情况。在交叉扫描策略中，材料粉末层总是在垂直于前一层的方向被激光照射。由于每个层实际上垂直于前一层，因此每个层的热应力方向不相同，不会累加，所以这种激光扫描巨大优点是减小翘曲变形量。但是，由于每一层实际上垂直于前一层，打印层不是建立在先前的激光扫描线路上，而是在前一层的垂直方向上。所以层间强度降低，层间的层间强度差(即层间结合不够紧密间距较大)。
因此可以发现现有技术中较为常见的扫描方式存在着层间强度差或翘曲变形的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法，以克服上述提到的现有技术中存在的层间强度差或翘曲变形的缺陷。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法，包括以下步骤：
步骤1：将一个粉末层分为N*M个子部分(N≥2，M≥2)，采用单向扫描的方式对第一个子部分进行激光扫描，使得第一个子部分包括多个具有第一角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点；
步骤2：采用单向扫描的方式对与第一个子部分相邻的第二个子部分进行激光扫描，使得第二个子部分包括多个具有第二角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点，其中第二角度与第一角度不相同；
步骤3：采用步骤2的扫描方式依次扫描剩下的子部分从而完成整层的扫描，保持每一个子部分的激光扫描路径的角度与相邻的前一个子部分的激光扫描路径的角度不相同，并且每一个子部分的至少一部分的激光扫描路径的起点和/或终点为与其相邻的子部分的激光扫描路径的终点和/或起点。
优选地，所述激光扫描为选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)。
优选地，每一个子部分的激光扫描路径的角度与相邻的前一个子部分的激光扫描路径的角度相差5度以上。
优选地，每一个子部分的激光扫描路径的角度与相邻的前一个子部分的激光扫描路径的角度相差15度以内。
优选地，对于第一个子部分，其激光扫描路径的最小角度大于或等于10度。
优选地，对于第一个子部分，其激光扫描路径的最大角度小于或等于45度。
一种减少翘曲变形的激光扫描方法，包括以下步骤：
步骤1：采用单向扫描的方式对第一层粉末进行激光扫描，使得一层粉末包括多个具有第一角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点；
步骤2：采用单向扫描的方式对第二层粉末进行激光扫描，使得第二层粉末包括多个具有第二角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点，其中第二角度与第一角度不相同；
步骤3：依次扫描剩下的粉末层，使得每一层粉末包括多个具有某一角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点，其中每一层粉末的激光扫描路径的角度与前一层的和后一层的粉末的激光扫描路径角度都不相同。
优选地，所述激光扫描为选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)。
优选地，每一粉末层的激光扫描路径的角度与相邻的前一层的激光扫描路径的角度相差5度以上。
优选地，每一粉末层的激光扫描路径的角度与相邻的前一层的激光扫描路径的角度相差15度以内。
优选地，对于第一层粉末，其激光扫描路径的最小角度大于或等于10度。
优选地，对于第一层粉末，其激光扫描路径的最大角度小于或等于45度。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将一个粉末层分为多个子部分，依次扫描每个子部分，并使得每个子部分的激光扫描路径角度与相邻的不同，同时每个子部分的至少一部分的扫描路径与相邻的子部分的至少一部分的扫描路径首尾相接，完成一个粉末层的扫描后再采用同样的方法扫描下一个粉末层直至完成全部打印，这样由于扫描路径不断变化因此相邻子部分的热应力都不相同因此整体上减小了翘曲变形量，同时由于每个子部分的至少一部分的扫描路径与相邻的子部分的至少一部分的扫描路径首尾相接，因此增强了子部分之间的互连性从而提高了层间强度；
(2)本发明中采用多层逐层打印的方式，并且使得每一层粉末的激光扫描路径的角度与前一层的和后一层的粉末的激光扫描路径角度都不相同，这样由于相邻层的扫描路径的角度不断变化因此相邻层的热应力都不相同因此整体上减小了翘曲变形量。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是单向扫描、锯齿状扫描和交叉扫描策略的示意图。
图2是锯齿状扫描和交叉扫描金样品的对比试验图。
图3是本发明一个粉末层的激光扫描结构示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图说明如下。
实施例1
结合图3，一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法包括以下步骤：步骤1：将一个粉末层分为6*5个子部分(图中每个小方格即为一个子部分)，采用单向扫描的方式对第一个子部分进行激光扫描，使得第一个子部分包括多个具有第一角度的激光扫描路径(如图中子部分中的箭头所示)，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点；步骤2：采用单向扫描的方式对与第一个子部分邻近的第二个子部分进行激光扫描，使得第二个子部分包括多个具有第二角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点，其中第二角度与第一角度不相同；步骤3：采用步骤2的扫描方式依次扫描第3-30个子部分从而完成整层的扫描，保持每一个子部分的激光扫描路径的角度与相邻的前一个子部分的激光扫描路径的角度不相同，并且每一个子部分的至少一部分的激光扫描路径的起点和/或终点为与其相邻的子部分的激光扫描路径的终点和/或起点。
如图3所示为扫描完成后的整层示意结构，其包括30个子部分，其中每个子部分都包括多个激光扫描路径，每个子部分的激光扫描路径的角度与其相邻的子部分的激光扫描路径角度都不相同，并且每一个子部分的至少一部分的激光扫描路径的起点和/或终点为与其相邻的子部分的激光扫描路径的终点和/或起点。
本实施例中将一个粉末层分为多个子部分，依次扫描每个子部分，并使得每个子部分的激光扫描路径角度与相邻的不同，同时每个子部分的至少一部分的扫描路径与相邻的子部分的至少一部分的扫描路径首尾相接，完成一个粉末层的扫描后再采用同样的方法扫描下一个粉末层直至完成全部打印，这样由于扫描路径不断变化因此相邻子部分的热应力都不相同因此整体上减小了翘曲变形量，同时由于每个子部分的至少一部分的扫描路径与相邻的子部分的至少一部分的扫描路径首尾相接，因此增强了子部分之间的互连性从而提高了层间强度。
实施例2
一种减少翘曲变形的激光扫描方法包括以下步骤：步骤1：采用单向扫描的方式对第一层粉末进行激光扫描，使得一层粉末包括多个具有第一角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点；步骤2：采用单向扫描的方式对第二层粉末进行激光扫描，使得第二层粉末包括多个具有第二角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点，其中第二角度与第一角度不相同；步骤3：依次扫描剩下的粉末层，使得每一层粉末包括多个具有某一角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点，其中每一层粉末的激光扫描路径的角度与前一层的和后一层的粉末的激光扫描路径角度都不相同。
本实施例中采用多层逐层打印的方式，并且使得每一层粉末的激光扫描路径的角度与前一层的和后一层的粉末的激光扫描路径角度都不相同，这样由于相邻层的扫描路径的角度不断变化因此相邻层的热应力都不相同因此整体上减小了翘曲变形量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种提高层间强度和减少翘曲变形的激光扫描方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：将一个粉末层分为N*M个子部分，N≥2，M≥2，采用单向扫描的方式对第一个子部分进行激光扫描，使得第一个子部分包括多个具有第一角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点；
步骤2：采用单向扫描的方式对与第一个子部分相邻的第二个子部分进行激光扫描，使得第二个子部分包括多个具有第二角度的激光扫描路径，每个所述激光扫描路径均包括起点和终点，其中第二角度与第一角度不相同；
步骤3：采用步骤2的扫描方式依次扫描剩下的子部分从而完成整层的扫描，保持每一个子部分的激光扫描路径的角度与相邻的前一个子部分的激光扫描路径的角度不相同，并且每一个子部分的至少一部分的激光扫描路径的起点为与其相邻的子部分的激光扫描路径的终点和/或每一个子部分的至少一部分的激光扫描路径的终点为与其相邻的子部分的激光扫描路径的起点，每一个子部分的激光扫描路径的角度与相邻的前一个子部分的激光扫描路径的角度相差5度以上、15度以下。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光扫描为选择性激光烧结(SLS)或选择性激光熔化(SLM)。
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