CN117282985B

CN117282985B - 通过3d打印提高机器人脚踝耐磨性的方法、工件

Info

Publication number: CN117282985B
Application number: CN202311396784.XA
Authority: CN
Inventors: 杨洋; 宋伟; 张宇; 聂大明; 孔令雨
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2023-10-25
Filing date: 2023-10-25
Publication date: 2025-01-24
Anticipated expiration: 2043-10-25
Also published as: CN117282985A

Abstract

本申请提供一种通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法、工件。该方法包括构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；通过激光束扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，制备得到用于制备机器人脚踝的打印工件；所述激光束的光斑直径为d，所述激光束在各个所述切片层上的扫描间距为H，满足H＝(0.1～0.5)d。本申请提供的打印方法可以提高打印工件的耐磨性，延长打印工件的使用寿命。

Description

通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法、工件

技术领域

本申请涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及一种通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法、工件。

背景技术

3D打印是快速成型技术的一种，又称增材制造。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。激光粉末床熔融工艺（L-PBF）作为增材制造中最常用的工艺之一，主要利用激光束的热能将原料粉末烧结在一起，形成打印工件。激光粉末床熔融工艺最大的特点是可以高精度成形任意复杂结构，因而在金属零部件的高性能、多功能设计和集成制造方面显示出巨大的潜力。

然而，目前采用激光粉末床熔融工艺成形的零部件的耐磨性仍依赖传统后处理工艺进行提升。集成化的高端零部件通常具有复杂的结构，对于复杂结构耐磨性的后处理而言，存在工艺繁琐、加工难度大且成本高等缺点。同时，对于高度复杂的异形零部件而言，传统后处理工艺的适用性较低。因此，如何对激光粉末床熔融工艺的过程进行把控，实现零部件耐磨性的调控，以一次成形具有高耐磨性的金属零部件是目前金属增材制造亟需解决的问题之一。

发明内容

本申请提供一种通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法、工件。该方法可以提高打印工件的耐磨性，延长打印工件的使用寿命。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

本申请一方面提供了一种通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法，包括：

构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；

通过激光束扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，制备得到用于制备机器人脚踝的打印工件；所述激光束的光斑直径为d，所述激光束在各个所述切片层上的扫描间距为H，满足H=（0.1~0.5）d。

可选地，所述通过激光束扫描所述切片层上的原料粉末进行熔化包括：

通过激光束扫描第一切片层上的原料粉末进行熔化并形成第一熔池，再通过激光束扫描与所述第一切片层上的原料粉末相邻设置的原料粉末进行熔化并形成第二熔池；所述第一熔池与所述第二熔池的搭接率为80%~95%。

可选地，所述激光束在所述第一切片层上的扫描路径与所述激光束在所述第二切片层上的扫描路径之间的夹角为60~90°。

可选地，所述激光束的光斑直径为60~70μm；所述激光束在各个所述切片层上的扫描间距为6~35μm。

可选地，所述激光束的功率为200~220W；扫描速度为740~760mm/s；曝光时间为70~90μs；点距为50~70μm。

可选地，所述原料粉末铺设的层厚为40~60μm。

可选地，所述原料粉末按照重量百分比计包括如下元素：C为0~0.003%，Ni为12.5~13%，Mn为0~2.00%，S为0~0.01%，P为0~0.02%，Cr为17.5~18%，Cu为0~0.50%，Mo为2.25~2.5%,余量为Fe。

可选地，所述熔化过程在惰性气氛的条件下进行。

本申请另一方面还提供了一种打印工件，由上述任一所述的打印方法打印得到。

可选地，所述工件的维氏硬度(HV_0.05)为235~297；所述工件的耐磨率为0.145~1.470 mm³/(N·m)。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请提供了一种通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法、工件。该方法通过将激光束的光斑直径d和激光束在各个切片层上的扫描间距H限制成满足H=（0.1~0.5）d，由此可以促进原料粉末形成柱状位错亚晶，使制备得到的打印工件形成连续的且具有统一取向的斜向柱状位错亚晶，从而改变了打印工件发生塑性变形的难易程度，实现了对打印工件的耐磨性进行调控，以提高打印工件的耐磨性，延长了打印工件的使用寿命。

附图说明

图1为本申请一示例性实施例示出的打印方法的方法流程图。

图2为本申请一示例性实施例示出的激光束在相邻切片层的扫描路径示意图。

图3为本申请实施例1~实施例4中激光束在不同扫描间距下，相邻两个切片层上形成的熔池形态结构的俯视图。

图4为本申请实施例1~4和对比例1加工得到的打印工件的微观组织亚结构的形貌图。

图5为本申请实施例1~4和对比例1加工得到的打印工件的硬度测试数据图。

图6为本申请实施例1~4和对比例1加工得到的打印工件的划痕深度测试数据图。

图7为本申请实施例1~4和对比例1加工得到的打印工件的磨损率测试数据图。

图8为本申请实施例1~4和对比例1加工得到的打印工件的划痕微观形貌图。

具体实施方式

为了进一步理解本申请，下面将详细地对示例性实施例进行说明，需要说明的是，本申请的保护范围不受以下实施例的限制。在不冲突的情况下，下述实施例和实施方式中的技术特征可以相互结合。

如图1所示，本申请提供了一种通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法，包括：

S1、构建待打印样品的三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界，将原料粉末铺设于各个切片层的轮廓边界内；

S2、通过激光束扫描各个所述切片层上的原料粉末进行熔化，制备得到用于制备机器人脚踝的打印工件；所述激光束的光斑直径为d，所述激光束在各个所述切片层上的扫描间距为H，满足H=（0.1~0.5）d。

上述方案中，通过将激光束的光斑直径d和激光束在各个切片层上的扫描间距H限制成满足H=（0.1~0.5）d，由此可以促进原料粉末形成柱状位错亚晶，使制备得到的打印工件形成连续的且具有统一取向的斜向柱状位错亚晶，从而改变了打印工件发生塑性变形的难易程度，实现了对打印工件的耐磨性进行调控，以提高打印工件的耐磨性，延长了打印工件的使用寿命。

需要说明的是，上述涉及的扫描间距是指“激光束在扫描过程中相邻两条扫描路径之间的距离”，即也可以叫做扫描线间距。此外，在其它实施例中，本申请制备得到的打印工件也并不仅限于用于制备机器人脚踝。例如：还可以用于制备机器人脚掌、手掌等部位，当然也并不仅限于于机器人领域，还可以用于制备任意机械领域中的任意机械结构。

在一个实施例中，所述通过激光束扫描所述切片层上的原料粉末进行熔化包括：

打印工件用到的金属材料凝固方式由温度梯度和凝固速率决定，而激光粉末床熔融3D打印就决定了该金属材料的凝固方式为胞状凝固，而微观位错亚晶的形成与凝固过程中的热场息息相关。通常，熔池的中心由于温度梯度小更容易形成胞状的微观位错亚晶，而熔池的边缘则更容易形成柱状的微观位错亚晶。当第一熔池与第二熔池的搭接率超过80%时，第一熔池中心的胞状位错亚晶会完全被下一道新的激光烧结融化，而该熔化区域由于处于下一道激光烧结熔化形成的第二熔池的边缘，因此其凝固过程的温度梯度变大，且热流方向从新的激光光斑中心指向熔池边缘，因此促进了柱状位错亚晶的形成。因此，通过不断逐层进行扫描烧结，进而可以形成连续、具有统一取向的柱状微观位错亚晶。

需要说明的是，激光束在扫描过程中会产生热量，热量传到至粉末颗粒使其熔化并形成熔池。如图3所示，搭接率R₀表示为激光熔融过程中相邻两个熔池即第一熔池与第二熔池的重叠程度，具体可表示为第一熔池与第二熔池之间的重叠宽度D₀与单个熔池的宽度W的比值，即搭接率R₀=D₀/W*100%。

在一个实施例中，所述激光束在所述第一切片层上的扫描路径与所述激光束在所述第二切片层上的扫描路径之间的夹角为60~90°。

在一个实施例中，所述激光束的光斑直径为60~70μm；所述激光束在各个所述切片层上的扫描间距为6~35μm。

需要说明的是，激光束在扫描的过程中，通常是以行列的方式进行扫描，扫描间距是指相邻两行或相邻两列之间的距离。例如，如图2所示，激光束在每个切片层的相邻两行或相邻两列的扫描路径是相互平行的。

在一个实施例中，成形设备可选择AM250激光熔融系统（Renishaw AM250）。具体地，该系统包括激光器和铺粉装置，铺粉装置可以将原料粉末由刮刀铺送到基板上，激光器发出激光束并按照预设的轨迹对原料粉末进行扫描，使粉末熔化后再经过冷凝得到打印工件。当然，成形设备的设备种类和型号也并不限于此。

在一个实施例中，所述激光束的功率为200~220W；扫描速度为740~760mm/s；曝光时间为70~90μs；点距为50~70μm。

本申请通过将激光束的功率限定在如上范围，可以保证打印工件内部的空隙率在较低的范围内，以减少断裂或孔洞等微观缺陷的问题出现。避免功率过大导致部分原料粉末瞬时熔化蒸发时有较多气体排出而留下大量气孔，使得整体孔隙率提高；同时也避免功率过小导致未能及时熔化原料粉末，导致球化后的原料粉末不能及时铺展开，使得原料粉末之间存有较大的孔隙，依然会导致整体孔隙率提高。另外，本申请通过将扫描速度限定在如上范围，避免扫描速度过快，导致部分原料粉末未能完全熔化，导致未熔化原料粉末固相间存在较大的孔隙，同时也避免扫描速度过慢而影响打印效率。

曝光时间是指激光束在每个点停留的时间；通过将曝光时间限定如上范围，可以避免曝光时间过长，容易导致液态金属的蒸发，且会增加打印时间；也避免曝光时间过短，使原料粉末融化不彻底，容易导致打印工件出现断裂或孔洞等微观缺陷。点距是指相邻两个光斑中心之间的距离；通过将点距限定如上范围，可以避免点距过大会使相邻两个光斑未发生重叠，导致处于原料粉末未能完全熔化，使得打印工件容易出现断裂或孔洞等微观缺陷；也避免点距过小会降低激光的扫描效率。

在一个实施例中，所述原料粉末铺设的层厚为40~60μm。由此，可以保证后一层原料粉末在融化时能够浸润前一层已熔化的原料粉末，提高相邻两层之间的层间结合强度。避免层厚过大，导致激光束无法穿透原料粉末而影响打印工件的质量。

在一个实施例中，所述原料粉末按照重量百分比计包括如下元素：C为0~0.003%，Ni为12.5~13%，Mn为0~2.00%，S为0~0.01%，P为0~0.02%，Cr为17.5~18%，Cu为0~0.50%，Mo为2.25~2.5%, 余量为Fe。

在一个实施例中，所述熔化过程在惰性气氛的条件下进行。优选地，惰性气氛包括氩气和氮气中的至少一种。由此，可以减少环境中的氧气含量，防止成形过程的氧化，使得打印工件表面更加平整，减少表面的裂纹缺陷，提高打印工件的拉伸强度。

本申请另一方面还提供了一种工件，由上述任一所述的打印方法打印得到。

在一个实施例中，所述工件的维氏硬度(HV_0.05)为235~297；所述工件的耐磨率为0.145~1.470 mm³/(N·m)。

以下实施例1~4和对比例1采用的原料粉末均按照重量百分比计包括如下元素：C为0.001%，Ni为12.79%，Mn为1.44%，S为0.01%，P为0.01%，Cr为17.58%，Cu为0.15%，Mo为2.42%, 余量为Fe。

实施例1

采用柱状位错亚晶诱导的激光粉末床熔融3D打印得到316L不锈钢打印工件：

S1、利用计算机构建待打印样品的三维模型，利用分层切片软件对三维模型进行切片处理，得到多个切片层的轮廓边界数据，将各个切片层的轮廓边界数据传输至Renishaw AM250系统的控制器中；并将按照上述重量百分比计配置好的原料粉末装入Renishaw AM250系统的铺粉装置中，并由控制器控制送粉机构将原料粉末铺设于第一切片层的轮廓边界内。

S2、在氩气气氛下，通过激光扫描第一切片层上的原料粉末进行熔化；然后再由控制器控制送粉机构将原料粉末铺设于与第一切片层相邻的第二切片层的轮廓边界内，在氩气气氛下，通过激光扫描第二切片层上的原料粉末进行熔化（激光的扫描路径详见图2）；其中，激光束在第一切片层上的扫描路径与激光束在第二切片层上的扫描路径之间的夹角为67°；激光的光斑直径为70μm，激光的功率为200 W，激光的扫描间距为30μm，扫描速度为750mm/s，层厚为50 μm，曝光时间为80 μs，点距为60 μm；

S3、对所有切片层进行逐层打印，直至得到316L不锈钢打印工件。该实施例加工得到的打印工件简称“Z-30”。

实施例2

与实施例1的区别在于：激光的扫描间距为20 μm，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“Z-20”。

实施例3

与实施例1的区别在于：激光的扫描间距为15 μm，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“Z-15”。

实施例4

与实施例1的区别在于：激光的扫描间距为10μm，其他制备方法和制备条件与实施例1相同。该实施例加工得到的打印工件简称“Z-10”。

注：以上实施例1~4打印得到的316L不锈钢打印工件样品的微观组织亚结构的形貌图如图4所示。实施例1~4形成的316L不锈钢打印工件能够尽量消除低耐磨性的胞状的微观组织亚结构，使其微观组织亚结构大部分呈现为连续、具有统一取向的柱状位错亚晶。

对比例1

采用普通激光粉末床熔融3D打印得到316L不锈钢打印工件：

S2、在氩气气氛下，通过激光扫描第一切片层上的原料粉末进行熔化；然后再由控制器控制送粉机构将原料粉末铺设于与第一切片层相邻的第二切片层的轮廓边界内，在氩气气氛下，通过激光扫描第二切片层上的原料粉末进行熔化（激光的扫描路径详见图2）；其中，激光束在第一切片层上的扫描路径与激光束在第二切片层上的扫描路径之间的夹角为67°；激光的光斑直径为70μm，激光的功率为200 W，激光的扫描间距为110μm，扫描速度为750 mm/s，层厚为50 μm，曝光时间为80 μs，点距为60 μm；

S3、对所有切片层进行逐层打印，直至得到316L不锈钢打印工件。该实施例加工得到的打印工件简称“R”。

注：对比例1打印得到的316L不锈钢打印工件样品“R”的微观组织亚结构的形貌图如图4所示，形成的316L不锈钢打印工件“R”的微观组织亚结构大部分呈现为胞状位错亚晶。

测试例

将实施例1~4和对比例1打印得到的316L不锈钢打印工件样品采用纳米自动划痕试验仪进行耐磨性测试。该测试所采用的金刚石压头半径为200 μm，试验载荷为1 N，划痕长度为5 mm，滑动速度为10 mm/min。

采用共聚焦显微镜对样品的划痕形貌（划痕形貌图如图8所示）进行测量，测量的划痕深度如图6所示，由样品总量和测量出的被磨损掉的样品量计算出样品的磨损率（如图7所示），由试验载荷和划痕的表面积计算出样品的维氏硬度（如图5所示）。其中，在进行耐磨性实验的前后均使用超声波清洗机对样品进行超声清洗。

如图5所示，本申请实施例1~4采用柱状位错亚晶诱导的激光粉末床熔融3D打印得到316L不锈钢打印工件的硬度得到了显著提升，大大高于对比例1采用普通激光粉末床熔融3D打印得到316L不锈钢打印工件“R”的硬度。如图6所示，对比例1采用普通激光粉末床熔融3D打印得到的316L不锈钢打印工件“R”的划痕深度为0.984μm，而本申请实施例1~4采用柱状位错亚晶诱导的激光粉末床熔融3D打印316L不锈钢打印工件的划痕深度明显降低。如图7所示，对比例1采用普通激光粉末床熔融3D打印的316L不锈钢打印工件“R”的磨损率为1.47mm³/(N·m)，而本申请实施例1~4采用柱状位错亚晶诱导的激光粉末床熔融3D打印得到316L不锈钢打印工件的磨损率也明显降低。由此表明，本申请制备得到的打印工件能够形成连续的且具有统一取向的斜向柱状位错亚晶，从而改变了打印工件发生塑性变形的难易程度，提高了打印工件的耐磨性。

如图8所示。对比例1加工得到的316L不锈钢打印工件“R”的划痕微观形貌图中不仅出现了大量滑移线，还出现了凹坑；而本申请实施例1~4加工得到的316L不锈钢打印工件的划痕微观形貌图中并未出现凹坑。这是由于对比例1制备得到的316L不锈钢打印工件“R”形成有大量的胞状的微观组织亚结构，在外载荷的作用下，材料发生塑性变形，微观发生滑移，出现滑移线，滑移线逐渐扩展形成裂纹，随着裂纹的不断延伸，出现了材料碎片的剥离，形成了磨屑，从而造成磨损区域凹坑的形成。这样会影响打印工件“R”的耐磨性。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims

1.一种通过3D打印提高机器人脚踝耐磨性的方法，其特征在于，包括：

所述原料粉末按照重量百分比计包括如下元素：C为0~0.003%，Ni为12.5~13%，Mn为0~2.00%，S为0~0.01%，P为0~0.02%，Cr为17.5~18%，Cu为0~0.50%，Mo为2.25~2.5%, 余量为Fe；

所述多个切片层包括第一切片层和与所述第一切片层相邻设置的第二切片层；激光束在第一切片层上的扫描路径与所述激光束在第二切片层上的扫描路径之间的夹角为67°；

通过激光束扫描第一切片层上的原料粉末进行熔化并形成第一熔池，再通过激光束扫描与所述第一切片层上的原料粉末相邻设置的原料粉末进行熔化并形成第二熔池，所述第一熔池与所述第二熔池的搭接率为80%~95%，其中，激光的功率为200 ~220W，激光的光斑直径为60~70μm，激光的扫描间距为10μm~30μm，制备得到用于制备机器人脚踝的打印工件；

所述激光束的光斑直径为d，所述激光束在各个所述切片层上的扫描间距为H，满足H=（0.1~0.5）d。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的扫描速度为740~760mm/s；曝光时间为70~90μs；点距为50~70μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料粉末铺设的层厚为40~60μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔化过程在惰性气氛的条件下进行。

5.一种工件，其特征在于，由权利要求1至4任一项所述的方法加工得到。

6.根据权利要求5所述的工件，其特征在于，所述工件的维氏硬度(HV_0.05)为235~297；所述工件的耐磨率为0.145~1.470 mm³/(N·m)。