无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法及成形件与流程

1.本技术涉及slm打印技术领域，具体而言，涉及无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法及成形件。


背景技术：

2.激光粉末床熔融增材制造，即slm(selective laser melting，选择性激光熔化)打印技术，为通过激光使逐层铺覆的金属粉末熔化后凝固形成打印件的增材制造技术。
3.传统激光粉末床熔融增材制造在具有空腔和悬空结构的零件制造时存在辅助支撑多的问题，打印添加辅助支撑一方面增加了打印零件的时间，同时也增加了零件后处理工艺的复杂性，减少打印件辅助支撑或无支撑打印是激光粉末床熔融增材制造面临的难点问题之一。
4.一些已知的技术采用的无支撑打印方式，采用特殊的激光扫描路径，使悬垂面打印从外向里偏移扫描，通过熔凝时的表面张力平衡熔液的重力，在快速冷却中形成下垂面，来降低悬垂面坍塌的可能，藉此省略添加支撑结构。然而，在悬垂面相对打印平面的倾斜角度小于45
°
时，该方法难以得到表面质量足够高的悬垂面。
5.因此，对于打印平面的倾斜角度小于45
°
的情形，业内普遍需要添加支撑结构，这大大限制了slm技术的应用范围。


技术实现要素：

6.本技术提供无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法及成形件，以解决现有的slm技术成形悬垂面需要添加支撑或悬垂面表面质量较差的问题。
7.第一方面，本技术提供一种无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，包括：
8.步骤一：采用脉冲激光进行激光扫描，烧结形成第一烧结态薄层，所述第一烧结态薄层位于所述悬垂结构的底面的第一层；
9.步骤二：继续以所述脉冲激光进行激光扫描，在所述第一烧结态薄层上烧结形成第二烧结态薄层；
10.步骤三：采用平顶激光输出模式的连续激光对所述第一烧结态薄层和所述第二烧结态薄层进行激光重熔扫描，所述连续激光扫描的能量满足所述第二烧结态薄层完全熔化且所述第一烧结态薄层半熔化的能量要求。
11.本技术的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，通过调控好的脉冲激光将金属粉末烧结形成第一烧结态薄层，作为悬垂结构的底面的第一层，然后在第一烧结态薄层的基础上继续采用脉冲激光扫描形成第二烧结态薄层。在形成两层烧结态薄层后，通过平顶的连续激光进行重熔扫描。连续激光直接作用在第二烧结态薄层上，第二烧结态薄层能够直接获得连续激光的能量，获得的能量较多；而已被第二烧结态薄层所覆盖的第一烧结态薄层则只能得到由第二烧结态薄层传导的部分能量，获得能量相对较少，因此，通过调控可使连续激光的能量使第二烧结态薄层熔化而第一烧结态薄层半熔化。此外，因第二
烧结态薄层为烧结成形，且和第一烧结态薄层的结合并不紧密，结合面处未形成冶金结合，因此热传导效率相对较低，也利于实现通过连续激光加热使第二烧结薄层熔化而第一烧结薄层半熔化而不坍塌的目的。
12.第一烧结态薄层烧结后具有较为确定的形状，在被连续激光加热至处于半熔化状态的流动性小，第一烧结态薄层的形变量较小，不容易出现悬垂面坍塌或出现较大形变，确保作为悬垂结构的底面第一层的第一烧结态薄层的表面精度，即确保悬垂面的精度。然后，第二烧结态薄层在连续激光加热熔化后，流动性较好，能够和被加热至半熔化状态的第一烧结态薄层在结合面处形成冶金结合，确保层间结合致密，达到普通slm技术所达到的结构性能。
13.同时，由于采用平顶模式的连续激光，其能量分布均匀，在重熔过程中可以均匀地加热已烧结凝固的烧结态薄层，避免采用高斯分布的连续激光在重熔过程中使激光中心区域熔融过度造成坍塌或边部产生翘曲影响后续层的粉末铺覆。
14.由此，本技术采用的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，能够无支撑地成形悬垂结构，且成形的悬垂结构的底面(悬垂面)的表面精度较高。
15.在一种可能的实施方式中，所述第二烧结薄层的层厚小于所述第一烧结薄层的层厚。
16.在一种可能的实施方式中，所述第一烧结薄层的层厚在30-45μm，所述第二烧结薄层的层厚在15-25μm。
17.在一种可能的实施方式中，所述脉冲激光的输出脉冲宽度为1-1000μm。
18.在一种可能的实施方式中，所述脉冲激光的输出脉冲宽度为50-200μm。
19.在一种可能的实施方式中，在所述步骤三中，所述连续激光使所述第一烧结态薄层被加热至金属粉末熔点之上10-30摄氏度，以将所述第一烧结态薄层加热至液态占比50-75％的半熔化状态。
20.在一种可能的实施方式中，所述悬垂结构的底面的倾斜角度小于45
°
。进一步地，悬垂结构的底面的倾斜角度甚至可以低至10
°
以下。
21.第二方面，本技术还提供一种无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，包括，调控脉冲激光的脉冲能量，一次成形倾斜角度小于45
°
的悬垂面，以达到金属粉末半熔化的输入能量进行扫描打印，得到悬垂结构的悬垂面。
22.在一种可能的实施方式中，在半熔化状态下，所述金属粉末的液态占比为50-75％。
23.第三方面，本技术还提供一种成形件，包括悬垂结构，所述成形件的悬垂结构的悬垂面采用前述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法打印成形。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
25.图1为本技术实施例的成形件的模型示意图；
26.图2为执行步骤一后的状态图；
27.图3为执行步骤二后的状态图；
28.图4为执行步骤三后的状态图；
29.图5为完成成形件打印后的示意图。
30.主要元件符号说明：
31.成形件
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10
32.竖向部
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11
33.横向部
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12
34.悬垂面
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p1
35.第一烧结态薄层
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21
36.第二烧结态薄层
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22
37.底层部分
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23
38.成形缸
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50
39.金属粉末
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51
具体实施方式
40.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
41.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
42.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
43.本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
44.实施例一
45.slm打印技术为通过连续激光使使逐层铺覆的金属粉末熔化后凝固形成打印件的增材制造技术。普通slm打印过程中，金属粉末在激光加热下快速熔化和凝固，形成冶金结合，得到致密且力学性能良好的成形件。
46.一些成形件具有悬垂结构，例如图1示出的t字形的成形件10，包括下方的竖向部11和上方的横向部12。横向部12为悬垂结构，其底面(悬垂面p1，可理解为与水平面夹角小于45
°
的悬垂面)伸出至竖向部11之外。
47.对于类似图1的存在悬垂结构的成形件，若直接采用常规slm成形方式成形，则在打印成形悬垂结构的底面第一层时，该层金属粉末被激光加热熔化后，具有较好的流动性，从而会在重力作用而下流填充如支撑在下方的金属粉末的间隙中，在凝固后，该层结构的
下表面(悬垂面)的表面将不平整，粗糙度较大。
48.本实施例提供一种无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，通过特殊的工艺成型类似图1的存在悬垂结构的成形件，能够在无支撑的情形下得到表面质量较佳的悬垂面。下文将以成形图1示出的成形件10为例具体介绍。
49.本实施例提供的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，在采用常规的连续激光(如高斯激光)对在成形缸50内的金属粉末51进行逐层slm激光扫描，完成成形件的竖向部激光熔合成形后，依次进行如下步骤：
50.步骤一：采用脉冲激光进行激光扫描，烧结形成第一烧结态薄层21，第一烧结态薄层21位于悬垂结构的底面的第一层；参见图2，第一烧结态薄层21位于成形的竖向部11上一层；用于烧结的脉冲激光的输出脉冲宽度可以为1-1000μm，可选地在50-200μm，如50μm、100μm、200μm等；
51.步骤二：继续以前述的脉冲激光进行激光扫描，在第一烧结态薄层21上烧结形成第二烧结态薄层22，参见图3；
52.步骤三：采用平顶激光输出模式的连续激光对第一烧结态薄层21和第二烧结态薄层22进行激光重熔扫描，连续激光扫描的能量满足第二烧结态薄层22完全熔化且第一烧结态薄层21半熔化的能量要求，使第一烧结态薄层21和第二烧结态薄层22熔合形成悬垂结构的底层部分23，参见图4。
53.随后，可按常规slm打印方法进行后续分层打印，以完成横向部12的打印，从而完成整个带悬垂结构(横向部)的成形件10的打印，参见图5。
54.本实施例的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，通过调控好的脉冲激光将金属粉末烧结形成第一烧结态薄层，作为悬垂结构的底面的第一层，然后在第一烧结态薄层的基础上继续采用脉冲激光扫描形成第二烧结态薄层。在形成两层烧结态薄层后，通过平顶的连续激光进行重熔扫描。实践表明，脉冲激光可以更有效地控制扫描熔池的熔化-冷却凝固过程，通过脉冲激光的加热方式使金属粉末得到更好的成形控制，利于达到粉末烧结或半熔化的预期效果。连续激光直接作用在第二烧结态薄层上，第二烧结态薄层能够直接获得连续激光的能量，获得的能量较多；而已被第二烧结态薄层所覆盖的第一烧结态薄层则只能得到由第二烧结态薄层传导的部分能量，获得能量相对较少，因此，通过调控可使连续激光的能量使第二烧结态薄层熔化而第一烧结态薄层半熔化。此外，因第二烧结态薄层为烧结成形，且和第一烧结态薄层的结合并不紧密，结合面处未形成冶金结合，因此热传导效率相对较低，也利于实现通过连续激光加热使第二烧结薄层熔化而第一烧结薄层半熔化而不坍塌的目的。
55.第一烧结态薄层烧结后具有较为确定的形状，在被连续激光加热至处于半熔化状态的流动性小，第一烧结态薄层的形变量较小，不容易出现悬垂面坍塌或出现较大形变，确保作为悬垂结构的底面第一层的第一烧结态薄层的表面精度，即确保悬垂面的精度。然后，第二烧结态薄层在连续激光加热熔化后，流动性较好，能够和被加热至半熔化状态的第一烧结态薄层在结合面处形成冶金结合，确保层间结合致密，达到普通slm技术所达到的结构性能。
56.同时，由于采用平顶模式的连续激光，其能量分布均匀，在重熔过程中可以均匀地加热已烧结凝固的烧结态薄层，避免采用高斯分布的连续激光在重熔过程中使激光中心区
域熔融过度造成坍塌或边部产生翘曲影响后续层的粉末铺覆。
57.由此可知，本实施例采用的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，能够无支撑地成形悬垂结构，且成形的悬垂结构的底面(悬垂面)的表面精度高。
58.本实施例中，可选地，第二烧结薄层的层厚小于第一烧结薄层的层厚。可选地，第一烧结薄层的层厚在30-45μm，第二烧结薄层的层厚在15-25μm。例如，第一烧结薄层的层厚在40μm，第二烧结薄层的层厚在25μm。
59.通过设置层厚较小的第二烧结薄层和厚度较大的第一烧结薄层，在激光重熔扫描时，第二烧结薄层需要相对较少的能量即可实现完全熔化，而第一烧结薄层除受第二烧结薄层阻挡外还具备较大层厚，因而其达到完全熔化需要重熔用的连续激光输出的能量比第二烧结薄层多很多，即连续激光有更大的输出能量区间能够实现所需的第二烧结薄层完全熔化、第一烧结薄层半熔化的效果。
60.此外，第一烧结薄层设置得较厚，也更不容易在连续激光重熔时被熔融过度而坍塌，确保底面的表面精度。
61.可选地，在步骤三中，连续激光使第一烧结态薄层被加热至金属粉末熔点之上10-30摄氏度，以将第一烧结态薄层加热至液态占比50-75％的半熔化状态。试验证明，液态占比50-75％的半熔化状态下，第一烧结态薄层不容易坍塌，仍能保持其形状精度，并且能够实现和完全熔化状态的第二烧结薄层熔合在一起。
62.本实施例中的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，除了成形图1示出的成形件外，还可以用于成形悬垂结构的底面倾斜角度小于45
°
，设置低至10
°
以下的其他成形件。
63.实施例二
64.本实施例还提供一种无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，包括：调控脉冲激光的脉冲能量，以达到金属粉末半熔化的输入能量进行扫描打印，得到悬垂结构的悬垂面，脉冲激光成形悬垂面的底层厚度为20-60μm。可选地，在半熔化状态下，金属粉末的液态占比为50-75％。
65.该实施例直接通过脉冲激光扫描加热得到半熔化状态的金属粉末，液态占比为50-75％的半熔化状态的金属粉末具有一半以上的液态部分，利于各层熔合，同时半熔化的状态的金属粉末中存在固态部分，确保其流动性比完全熔化状态小，降低完全熔化流动过度悬垂面的表面质量，从而能够得到具有较佳表面质量的悬垂面。
66.以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本技术进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本技术技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，包括，步骤一：采用脉冲激光进行激光扫描，烧结形成第一烧结态薄层，所述第一烧结态薄层位于所述悬垂结构的底面的第一层；步骤二：继续以所述脉冲激光进行激光扫描，在所述第一烧结态薄层上烧结形成第二烧结态薄层；步骤三：采用平顶激光输出模式的连续激光对所述第一烧结态薄层和所述第二烧结态薄层进行激光重熔扫描，所述连续激光扫描的能量满足所述第二烧结态薄层完全熔化且所述第一烧结态薄层半熔化的能量要求。2.根据权利要求1所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，所述第二烧结薄层的层厚小于所述第一烧结薄层的层厚。3.根据权利要求1所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，所述第一烧结薄层的层厚在30-45μm，所述第二烧结薄层的层厚在15-25μm。4.根据权利要求1所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，所述脉冲激光的输出脉冲宽度为1-1000μm。5.根据权利要求4所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，所述脉冲激光的输出脉冲宽度为50-200μm。6.根据权利要求1所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述连续激光使所述第一烧结态薄层被加热至金属粉末熔点之上10-30摄氏度，以将所述第一烧结态薄层加热至液态占比50-75％的半熔化状态。7.根据权利要求1-6任一项所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，所述悬垂结构的底面的倾斜角度小于45
°
。8.一种无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，包括，调控脉冲激光的脉冲能量，一次成形倾斜角度小于45
°
的悬垂面，以达到金属粉末半熔化的输入能量进行扫描打印，得到悬垂结构的悬垂面。9.根据权利要求8所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法，其特征在于，在半熔化状态下，所述金属粉末的液态占比为50-75％。10.一种成形件，包括悬垂结构，其特征在于，所述成形件的悬垂结构的悬垂面采用权利要求1-9任一项所述的无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法打印成形。

技术总结
本申请涉及SLM打印技术领域，旨在解决现有的SLM技术成形悬垂面需要添加支撑或悬垂面表面质量较差的问题，提供无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法及成形件。无支撑悬垂结构粉末床熔融增材制造成形方法包括：采用脉冲激光进行激光扫描，烧结形成第一烧结态薄层；继续以脉冲激光进行激光扫描，在第一烧结态薄层上烧结形成第二烧结态薄层；采用平顶激光输出模式的连续激光对第一烧结态薄层和第二烧结态薄层进行激光重熔扫描，连续激光扫描的能量满足第二烧结态薄层完全熔化且第一烧结态薄层半熔化的能量要求。本申请的有益效果是能够无支撑地成形悬垂结构，且成形的悬垂结构的悬垂面的表面精度较高。构的悬垂面的表面精度较高。构的悬垂面的表面精度较高。


技术研发人员：刘建业 牛留辉 王金海 刘道金 伊明扬 戚文军 黄正华
受保护的技术使用者：广东汉邦激光科技有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/20