鋁材的雷射選區熔化成形方法及其系統與流程
2023-05-07 06:18:16
本發明涉及一種三維製造技術領域，具體涉及一種鋁材的雷射選區熔化成形方法及其系統。
背景技術：
鋁及鋁合金是有色金屬中應用最廣泛的材料之一，具有密度小，易加工，熱膨脹係數低，熱導率高，剛度和強度高等諸多優異性能，在航空航天、軌道交通、汽摩工業、光學儀器等領域獲得廣泛應用。相比而言，鋁基複合材料具有更高的比強度和比剛度，更好的耐高溫性和耐磨性，鋁基複合材料已成為太空梭、人造衛星、空間站、金屬鏡光學系統、汽車零部件等常用的結構材料。雷射選區熔化成形技術(SLM)是一種新型製造技術，可以克服傳統加工的減材製造對原材料的大量浪費，同時具有快速成形，細化晶粒，組織均勻無缺陷，易實現柔性加工等優點，已成為鋁、鋁合金以及鋁基複合材料複雜結構件快速成形技術的首選。雷射選區熔化成形過程主要表現為待加工粉體材料吸收雷射能量並將該能量轉化為熱能，粉體材料對雷射能量的吸收效率對雷射加工過程起決定性影響。然而，雷射在鋁、鋁合金以及鋁基複合材料表面產生強烈的反射，帶走絕大部分能量，降低了雷射選區熔化成形的效率，同時也對雷射器的功率提出了更高的要求，提高了鋁、鋁合金以及鋁基複合材料雷射選區熔化成形系統的製造成本。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提出一種，利用波長為700nm-900nm的雷射，對鋁材進行鋁材的雷射選區熔化成形方法及其系統，充分利用了鋁、鋁合金及鋁基複合材料對波長為700nm-900nm的雷射的高吸收性，使其在選區融化過程中能量利用效率和成形效率更高，且成形更加精準，其中成形方法具體技術方案如下：一種鋁材的雷射選區熔化成形方法，採用以下步驟，步驟一：利用計算機建立幾何模型，生成雷射掃描路徑；步驟二：成形基板預熱；步驟三：對成形室抽真空；步驟四：向成形室注入保護氣體；步驟五：向成形室送入粉末原料；步驟六：對粉末原料進行鋪粉作業；步驟七：開啟波長為700-900nm的連續雷射，或者為脈衝雷射，或者為準連續雷射，融化粉末原料；步驟八：判斷產品加工是否完成，否，則進入步驟九，是，則進入步驟十；步驟九：成形室中的成形缸下降一層，進入步驟五；步驟十：清除多餘粉末原料；步驟十一：取出成形件。為更好的實現本發明方法，可進一步為：所述步驟三中抽真空的氣壓範圍為1×10-5Pa到1×104Pa。所述粉末原料為鋁，或者為鋁合金，或者為鋁基複合材料，該粉末原料的粒徑範圍為10nm～500μm。其中系統的具體方案如下：鋁材的雷射選區熔化成形系統，包括光源系統(1)，還設置有雷射掃描系統(2)、粉末攤鋪系統(3)和氣氛控制系統(4)，其中所述雷射掃描系統(2)設置有至少一個雷射控制機構(5)，所述光源系統(1)發出的雷射通過每個該雷射控制機構(5)後分別經二色鏡(6)進入掃描振鏡(7)，該掃描振鏡(7)輸出的雷射經聚焦透鏡進入所述粉末攤鋪系統(3)中；所述粉末攤鋪系統(3)設置有成形室(8)，在該成形室(8)中設有鋪粉機構(9)；所述氣氛控制系統(4)由抽真空機構(10)和保護氣體注入機構(11)組成，該抽真空機構(10)的抽真空口和保護氣體注入機構(11)的注入口均與所述成形室(8)相通。所述鋪粉機構(9)包括加工平面(91)，在該加工平面(91)一側的上方設有送粉缸機構(92)，在靠近該送粉缸機構(92)的兩側上方相對設置有滑軌(93)，在兩條該滑軌(93)間通過運動機構(94)安裝有刮刀(95)；在所述加工平面(91)的中部開有加工孔(98)，在該加工孔(98)中設有成形缸(92)，該成形缸(92)的下方連結有升降機構，在所述加工平面(91)上還設置有收粉孔(96)，該收粉孔(96)靠近所述加工孔(98)，在所述加工平面(91)的下方設置有與所述收粉孔(96)相對應的收粉腔(97)。使用中，送粉缸機構(92)將鋁材粉末原料送入成形缸(92)，在運動機構(94)的帶動下，刮刀(95)對成形缸(92)中的鋁材粉末原材料進行鋪粉，在雷射完成單層成形後，通過成形缸(92)下方的升降機構調節高度，輕鬆的實現對成形零件下一層的掃描，在鋪粉過程中和鋪粉作業完成後，多餘的鋁材粉末原材料通過收粉孔(96)進入收粉腔(97)中。本鋁材的雷射選區熔化成形系統工作原理為：將各個機構與智能控制系統連接，首先開啟抽真空機構(10)，對成形室(8)進行抽真空作業，再開啟保護氣體注入機構(11)將保護氣體注入到成形室(8)中，然後粉末攤鋪系統(3)中的送粉缸機構將鋁材粉末送入成形室(8)中，接下來開啟光源系統(1)中的雷射光源，雷射經雷射控制機構(5)後通過二色鏡(6)擴束後進入掃描振鏡(7)中，掃描振鏡(7)輸出的雷射經聚焦透鏡聚焦後的對成形室(8)中的鋁材粉末原材料進行二維掃描成形，單層掃描成形後關閉雷射光源，如此重複，實現三維零件成形。為更好的實現本系統，可進一步為：所述雷射控制機構(5)包括光閘(12)，該光閘(12)的輸出端依次對應設置有擴束鏡(13)、功率控制器(14)和反射鏡(15)。所述聚焦透鏡安裝在所述成形室(8)的外壁上，結構簡單，安裝方便。所述聚焦透鏡為F-θ透鏡，或者為動態聚焦透鏡。本發明的有益效果為：鋁材的雷射選區熔化成形方法採用波長為700nm-900nm的雷射在保護氣體的環境下對鋁材粉末進行選區融化成形，充分利用了鋁、鋁合金及鋁基複合材料對波長為700nm-900nm的雷射的高吸收性，最大限度的減少了鋁、鋁合金及鋁基複合材料對雷射的反射，使其成形過程中能量利用效率高，成形速度快，而且成形精度高，實現了鋁材成形的快速化；整個加工過程在真空或者保護性氣體的環境下進行，使其加工部件不與空氣進行接觸，保證了加工產品的品質；採用波長為700nm-900nm的雷射成形，使其應用材料和送料方式均多樣，使3D列印技術的應用範圍更加廣泛，便於3D列印技術的快速推廣應用；鋁材的雷射選區熔化成形系統整體結構簡單，布局合理，有力的保證了本發明中雷射選區熔化成形方法的實現，大大減小了鋁材的選區融化成本。附圖說明圖1為本發明中方法的流程圖；圖2為本發明中系統的結構示意圖；圖3為本發明系統中鋪粉機構的結構示意圖；圖4為純鋁粉的雷射吸收圖譜粉雷射吸收圖譜；圖5為AlSi10Mg鋁合金粉體的雷射吸收圖譜；圖6為鋁基複合材料(AlSi10Mg/CNT)粉體的雷射吸收圖譜；圖7為AlSi10Mg鋁合金成型件表面形貌圖；圖8為AlSi10Mg鋁合金成型件表面粗糙度測試圖；圖9為AlSi10Mg鋁合金成型件微觀組織圖；圖10為採用本發明所製備的AlSi10Mg鋁合金成型件的硬度測試結果。具體實施方式下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。如圖1所示：一種鋁材的雷射選區熔化成形方法，採用以下步驟，步驟一：利用計算機建立幾何模型，生成雷射掃描路徑；步驟二：成形基板預熱；步驟三：對成形室抽真空，抽真空的壓力範圍在1×10-5Pa；步驟四：向成形室注入保護氣體，本實施例中採用氬氣；步驟五：向成形室送入粉末原料，該粉末原料為粉末原料粒徑範圍為10nm～500μm的AlSi10Mg鋁合金粉體；步驟六：對粉末原料進行鋪粉作業；步驟七：開啟波長為808nm的連續雷射束，融化粉末原料；步驟八：根據雷射掃描路徑，判斷產品加工是否完成，否，則進入步驟九，是，則進入步驟十；步驟九：成形室中的成形缸下降一層，進入步驟五，對成形零件的下一層進行鋪粉作業；步驟十：清除多餘粉末原料；步驟十一：取出成形件。如圖2所示：採用上述方法的鋁材的雷射選區熔化成形系統，包括光源系統1，還設置有雷射掃描系統2、粉末攤鋪系統3和氣氛控制系統4，其中所述雷射掃描系統2設置有三個雷射控制機構5，每個雷射控制機構5的結構相同，均設有光閘12，該光閘12的輸出端依次對應設置有擴束鏡13、功率控制器14和反射鏡15；光源系統1發出的雷射為波長700-900nm的連續雷射束，雷射束通過光閘12和功率控制器14進行通斷和功率控制，經過反射鏡15反射進入二色鏡6中，經二色鏡6篩選後進入掃描振鏡7中，該掃描振鏡7輸出的雷射經聚焦透鏡聚光，本實施中聚焦透鏡採用F-θ透鏡，聚光後的雷射進入所述粉末攤鋪系統3，對AlSi10Mg鋁合金粉體進行融化；如圖3所示：所述粉末攤鋪系統3設置有成形室8，該成形室8為密閉的腔體，在成形室8內設有鋪粉機構9，鋪粉機構9設有加工平面91，該加工平面91設在成形室8的中部，將成形室8分成上下兩個腔室，在該加工平面91一側的上方設有送粉缸機構92，在靠近該送粉缸機構92的兩側上方的成形室8的內壁上相對設置有兩條滑軌93，在兩條該滑軌93間通過運動機構94安裝有刮刀95，其中刮刀95採用雙刃對稱設計，這種刮板結構簡單，可以獲得較薄的鋪粉層厚，且鋪粉粉層的平整及完整性容易得到保證，在加工平面91的中部開有方形的加工孔98，在該加工孔98中設有成形缸，該成形缸的下方連結有升降機構，該升降機構安裝在成形室8的下腔室中，在加工平面91上還設置有條形收粉孔96，該收粉孔96靠近所述加工孔98，且與刮刀95在空間上平行，在所述加工平面91的下方設置有與收粉孔96相對應的收粉腔97；所述氣氛控制系統4由抽真空機構10和保護氣體注入機構11組成，該抽真空機構10的抽真空口和保護氣體注入機構11的注入口均與所述成形室8相通。將光閘12、功率控制器14、掃描振鏡7、鋪粉機構9、抽真空機構10和保護氣體注入機構11均與智能控制系統連接，在智能控制系統的控制下實現雷射的選區融化。如圖5所示：經過大量實驗測試得出，雷射波長範圍為700nm～900nm時，AlSi10Mg鋁合金粉對雷射的反射率最低可達32.506％，在雷射成形過程中，AlSi10Mg鋁合金粉可充分吸收，能量利用效率高，成形速度快，而且成形精度高，實現了AlSi10Mg鋁合金粉成形的快速化。如圖7所示，雷射波長範圍為800nm～850nm時，鋁合金成型件表面光滑、緻密，具有較高的成型質量，如圖8所示，雷射波長範圍為800nm～850nm時，在優化的工藝參數條件下，鋁合金成型件表面最高精度Ra可達0.62μm，具有較高的表面質量，維氏硬度值基本穩定在HV110～HV130之間波動，均值為HV120±3，大於傳統AlSi10Mg鑄材的HV95～HV105。說明成型件具有優異的力學性能。作為變形，還可以採用純鋁粉末材料，或者鋁基複合材料(AlSi10Mg/CNT)粉體，如圖4所示，雷射波長範圍為700nm～900nm時，純鋁粉對雷射的反射率最低可達75.464％，圖6所示雷射波長範圍為700nm～900nm時，添加不同含量碳納米管的AlSi10Mg/CNT複合粉體材料均對雷射的反射率有明顯的最低值，最低反射率在18％～25％。可說明，在波長為700nm～900nm時，AlSi10Mg/CNT複合粉體材料對雷射的吸收率均有較強的峰值，吸收率超過75％。對加工完成的產品進行測試，如圖7顯示，雷射波長範圍為800nm～850nm時，鋁合金成型件表面光滑、緻密，具有較高的成型質量，圖8顯示，雷射波長範圍為800nm～850nm時，鋁合金成型件表面最高精度Ra可達0.62μm，具有較高的表面質量，圖9顯示，晶粒十分細小，組織緻密，經測量平均晶粒尺寸小於1μm。灰色的胞狀結構為Al基體，白色的纖維狀的為Si相。根據測試結構，可得出採用本發明的方法和系統所成形的產品，品質高，外觀美觀，具有很高的應用價值，如圖10顯示，採用本發明的雷射選區熔化成型方法及系統所製備的AlSi10Mg鋁合金成型件在不同工藝條件下的硬度測試結果，可以看出，維氏硬度值基本穩定在HV110～HV130之間波動，均值為HV120±3，大於傳統AlSi10Mg鑄材的HV95～HV105，說明成型件具有優異的力學性能。