一种AlSi10Mg铝合金电力非标金具工器具激光3D打印方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种AlSi10Mg铝合金电力非标金具工器具激光3D打印方法。

背景技术

金属激光3D打印是粉末床熔融。使用激光，逐点将粉末颗粒熔融在一起，逐层加工至物件完成。粉末床熔融系统有热源和粉末分布控制机制。

在金属激光3D打印过程中，可能会出现大量设备操作者试图避免的问题，包括孔隙、残余应力、翘曲、裂纹、局部隆起等。

(一)金属激光3D打印常见缺陷

1.孔隙

零件激光3D打印过程中，内部非常小的孔穴会形成孔隙，这可由金属激光3D打印工艺本身或者粉末引起。这些微孔会降低零件的整体密度，导致裂纹和疲劳问题的出现。

在雾化制粉过程中，气泡可能在粉末的内部形成，它将转移到最终的零件中。更常见的是，金属激光3D打印过程本身会产生小孔。比如当激光功率过低，会导致金属粉末没有充分熔融。当功率过高，会出现金属飞溅的现象，融化的金属飞出熔池进入到周围区域。

当粉末的尺寸大于层厚，或者激光搭接过于稀疏，将会出现小孔。熔化的金属没有完全流到相应的区域也会造成小孔出现。

为了解决这些问题，在金属激光3D打印工艺中，可以通过调整光斑形状来减少粉末飞溅，例如“脉冲整形”可以实现区域逐渐融化。

2.残余应力

在金属激光3D打印中，残余应力由冷热变化、膨胀收缩过程引起。当残余应力超过材料或者基板的拉伸强度，将有缺陷产生，如零件有裂纹或者基板翘曲。

残余应力在零件和基板的连接处最为集中，零件中心位置有较大压应力，边缘处有较大拉应力。

可以通过添加支撑结构来降低残余应力，因为它们比单独的基板温度更高。一旦零件从基板上取下来，残余应力会被释放，但这个过程中零件可能会变形。

为了降低残余应力，必须控制温度起伏，可采取减小扫描矢量长度的方式代替连续激光扫描。选用支撑把零件牢固连接在平台上，并使用体支撑来快速导热。

3.裂纹

除了零件内部孔隙会产生裂纹外，熔融金属凝固或某片区域进一步加热也会出现裂纹。如果热源功率太大，冷却过程中可能会产生应力。

分层现象有可能会出现，导致层间发生断裂。这可能是粉末熔化不充分或熔池下面若干层重熔引起的。

4.翘曲

为了确保打印任务能顺利开始，打印的第一层熔融在基板上。当打印完成后，通过线切割加工使零件从基板上分离。然而，如果基板热应力超过了其强度，基板会发生翘曲，最终会导致零件发生翘曲，会有致使刮刀撞到零件的风险。

为了防止翘曲，需要在合适位置添加适量的支撑。

5.局部隆起

其他变形，比如弹粉、膨胀或者球化，使金属激光3D打印过程中，熔化的金属局部隆起超出了粉末的高度。

(二)金属激光3D打印产生缺陷的原因

1.粉末质量问题

粉末有杂质粉，末流动性不好，粉末颗粒太大。

2.激光参数不合理

激光功率过低，会导致金属粉末没有充分熔融。当功率过高，会出现金属飞溅的现象，融化的金属飞出熔池进入到周围区域。激光搭接过于稀疏，将会出现小孔。激光扫描控制不合理，残余应力会增大。

3.刮粉方式不合理

对于刚性刮条，由于膨胀、球化、局部翘曲等原因，发生熔化的金属隆起超出了粉末的高度，使刚性刮条与打印工件碰撞、刮擦，设备产生停机故障，打印失败。

对于柔性刮条，由于柔性刮条刚性不足，在刮粉过程中，刮条会在支撑、工件的迎粉侧产生弹粉，导致熔化的金属局部隆起超出了粉末的高度，由于积累效应，多层后粉层铺粉厚度不均匀，出现打印分层和翘曲，设备产生停机故障，打印失败。

(三)AlSi10Mg铝合金电力非标金具工器激光3D打印现状

电力非标金具工器具由于应用场合的特殊性，一般都比较后厚，尺寸比较大，在金属粉末激光3D打印过程中，由于零件厚底过大，导致支撑断裂，引起翘曲，或者应为刮粉刀引起扬粉，导致分层及隆起。

由于AlSi10Mg铝合金粉末密度低，在打印过程中非常容易扬粉，再加上铝合金传热速度快、比热容大、热膨胀系数大，在AlSi10Mg铝合金大厚零件激光3D打印过程中，经常出现孔隙、分层、翘曲、裂纹、局部隆起缺陷，目前国内还未查询到其他成功大厚度(厚度大于20mm)、高度大于200mm的实用零件案例。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种AlSi10Mg铝合金电力非标金具工器具激光3D打印方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种AlSi10Mg铝合金电力非标金具工器具激光3D打印方法，该方法为：包括刀具选型模块、打印模型结构布置模块、参数设置模块和3D打印机，刀具选型模块用于3D打印刀具，选择铝合金打印刮粉刀，铝合金打印刮粉刀具有两个30度拔模凸台的胶条刮刀和合金刨刀，合金刨刀固定连接在两个胶条刮刀中间，铝合金打印刮粉刀设置有防后落粉薄片，打印模型结构布置模块用于零件结构选择和布置打印的零件，参数设置模块包括设置模型分层参数、零件边框轨迹参数、起点重新定位参数、零件皮内轨迹参数、零件下皮轨迹参数、支撑轨迹参数、零件上皮扫描参数、零件皮内扫描参数、零件下皮扫描参数、支撑扫描参数、退火参数，其中打印模型结构布置模块的布置打印的零件和参数设置模块在分层软件中进行3D 打印机器参数设置，在刀具选型模块、打印模型结构布置模块和参数设置模块设置完成后采用3D打印机进行打印。

打印模型结构布置模块选择的零件结构不能为封闭容器，零件筒形厚度小于30mm，零件梁厚小于30mm，零件梁长小于100mm，零件在过渡处设圆角过渡；打印模型结构布置模块布置打印的零件长边向上，零件在底板垂直投影面积最小，与底板平行零件面加锥状支撑，零件中悬空大厚梁之间块状支撑适当加厚。

设置模型分层参数方法：零件切片厚度为0.02mm，每隔2层扫描支撑。

零件边框轨迹参数设置方法为：启用扫描边框，光斑补偿为0.065mm，边框数为2，边界距离为0.04mm，设置为启用填充边框，填充边框补偿为 0.04mm，扫描顺序为Out2In。

起点重新定位参数设置方法为：设置起点重新定位参数模式为Random，起点重新定位参数设置为未启用优化。

零件皮内轨迹参数的设置方法为：设置图案填充偏移为0.09mm，填充样式类型为条纹，条纹参数为：扫描间距为0.09mm，条纹尺寸为7mm，条纹偏移量为0.04mm，图案填充排序为优化排序，旋转起始角为67°，旋转增量为 67°，位移系数为20；零件下皮轨迹参数的设置方法为：零件下皮轨迹参数设置为启用，图案填充偏移为0.04mm，拆分边框设置为启用，过渡区为 0.03mm，面积公差为0.03mm，填充样式类型为条纹，条纹参数为：扫描间距为0.06mm，条纹尺寸为10mm，条纹偏移量为0.04mm，图案填充排序为优化排序，旋转起始角为0°，旋转增量为0°，位移系数为1；支撑轨迹参数设置方法为：支撑轨迹参数设置为启用，图案填充偏移为0.1mm，扫描光速间距为0.2mm。

零件上皮扫描参数的设置方法为：设置零件上皮扫描参数的边界、跟随边界、填充边框、阻塞的路径、扫描光束的参数相同：激光直径为0.080mm，激光速度为500mm/s，激光功率为150W；零件皮内扫描参数的设置方法为：设置零件皮内扫描参数的边界、跟随边界相同：激光直径为0.085mm，激光速度为800mm/s，激光功率为280W；设置零件皮内扫描参数的填充边框、阻塞的路径、扫描光束的参数相同：激光直径为0.085mm，激光速度为1200mm/s，激光功率为320W。

零件下皮扫描参数的设置方法为：设置零件下皮扫描参数的边界、跟随边界、填充边框、阻塞的路径、扫描光束的参数相同：激光直径为0.080mm，激光速度为1000mm/s，激光功率为250W。

支撑扫描参数的设置方法为：设置支撑扫描参数的实体支撑扫描光束参数为：激光直径为0.080mm，激光速度为1500mm/s，激光功率为290W；设置支撑扫描参数的非实体支撑参数为：激光直径为0.080mm，激光速度为 1500mm/s，激光功率为300W。

退火参数的设置方法为：设置退火参数为打印结束后立即将打印零件与底板一起放入真空高温烧结炉中退火，消除零件激光打印应力及再结晶，退火温度340℃，保温时间2小时，随炉冷却。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的方法壁厚小于30mm，高度小于300mm的AlSi10Mg铝合金零件激光3D打印工艺，成功用于AlSi10Mg 铝合金电力非标金具工器具激光3D打印。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：一种AlSi10Mg铝合金电力非标金具工器具激光3D打印方法，包括铝合金打印刮粉刀、打印零件模型结构、打印零件模型布置、模型分层参数、零件边框轨迹参数、起点重新定位参数、零件皮内轨迹参数、零件下皮轨迹参数、支撑轨迹参、零件上皮扫描参数、零件皮内扫描参数、零件下皮扫描参数、支撑扫描参数、退火参数，其中打印零件模型布置、模型分层参数、零件边框轨迹参数、起点重新定位参数、零件皮内轨迹参数、零件下皮轨迹参数、支撑轨迹参数、零件上皮扫描参数、零件皮内扫描参数、零件下皮扫描参数、支撑扫描参数在分层软件中进行打印机器参数设置。

为保证AlSi10Mg铝合金电力非标金具工器具激光3D打印一次成功率，不发生打印卷边、翘曲和分层，同时对轻微起球、隆起刨削修正，打印刮粉刀选择铝合金打印刮粉刀(申请号2020103145737)，铝合金打印刮粉刀具有两个30度拔模凸台的K型胶条刮刀和合金刨刀，合金刨刀固定连接在两个K 型胶条刮刀中间，铝合金打印刮粉刀设置有防后落粉薄片。

激光3D打印是一种激光选区熔化，属于局部粉末熔化成型，零件内应力大，为避免打印过程中发生翘曲、裂纹导致打印终止，以及避免打印粉末支撑被封闭在零件中，打印零件模型结构必须符合铸造原理，不能为封闭容器，零件筒形厚度小于30mm，零件梁厚小于30mm,零件梁长小于100mm，零件设圆形过渡，无应力集中尖角。

为避免打印零件在平行底板方向上产生较大的应变，引起打印零件支撑被拉断翘曲，打印零件模型布置必须保证长边向上，零件在底板垂直投影面积尽可能小，与底板平行零件面要适当加锥状支撑，零件中悬空大厚梁之间块状支撑适当加厚。

为保证铝合金电力非标金具工器具打印精度，保证熔透，同时还保证打印速度，零件模型分层参数的零件切片厚度(Part Slice Thickness)为0.02mm, 每几层扫描支撑(Scan supports every)为2层。

未保证零件边界光滑，同时保证边界熔透，降低表面裂纹源，零件边框轨迹参数设置为启用扫描边框，光斑补偿(Beam Compensation)为0.065mm，边框数(Number ofBorders)为2，边界距离(Border Distance)为0.04mm，设置为启用填充边框，填充边框补偿(Fill Border Offset)为0.04mm，扫描顺序(Scan Order)为Out2In。

为避免每层起熔点重叠，导致过烧，引起裂纹缺陷，起点重新定位参数的模式(Mode)为Random，设置为未启用优化。

为保证零件内部每层熔化能量均匀分配，逐层补充，零件皮内轨迹参数的图案填充偏移(Hatch Offset)为0.09mm,填充样式类型(Fill Pattern Type) 为Stripes(条纹)，条纹参数(Stripes Parameters)为：Hatch Distance(扫描间距)为0.09mm,Stripe Size(条纹尺寸)为7mm，Stripe Offset(条纹偏移量) 为0.04mm，Hatch Sorting(图案填充排序)为Optimized Sorting(优化排序)， Rotation Start Angle(旋转起始角)为67°，Rotation Increment(旋转增量) 为67°，Shift Factor(位移系数)为20。

为保证零件下表层光洁，零件下皮轨迹参数设置为启用，Hatch Offset(图案填充偏移)为0.04mm，Split Borders(拆分边框)设置为启用，Transition Area (过渡区)为0.03mm，Area Tolerance(面积公差)为0.03mm，Fill Pattern Type (填充样式类型)为Stripes(条纹)，条纹参数(Stripes Parameters)为：Hatch Distance(扫描间距)为0.06mm,Stripe Size(条纹尺寸)为10mm，Stripe Offset (条纹偏移量)为0.04mm，HatchSorting(图案填充排序)为Optimized Sorting (优化排序)，Rotation Start Angle(旋转起始角)为0°，Rotation Increment (旋转增量)为0°，Shift Factor(位移系数)为1。

为保证支撑打印不起球隆起，避免刮粉刀因摩擦力大发生卡涩，支撑轨迹参数设置为启用，Hatch Offset(图案填充偏移)为0.1mm，Hatch Distance (扫描光速间距)为0.2mm。

为保证零件上皮光洁度，上皮粉末充分熔化，零件上皮扫描参数的Border (边界)、Following Borders(跟随边界)、Fill Borders(填充边框)、Blocked path (阻塞的路径)、Hatches(扫描光束)的参数相同：Laser Diameter(激光直径)为0.080mm，Laser Speed(激光速度)为500mm/s，Laser Power(激光功率)为150W。

为保证零件内部充分熔化，降低孔隙率，同时还要提高打印速度，零件皮内扫描参数的Border(边界)、Following Borders(跟随边界)的参数相同： Laser Diameter(激光直径)为0.085mm，Laser Speed(激光速度)为800mm/s， Laser Power(激光功率)为280W；零件皮内扫描参数的Fill Borders(填充边框)、Blocked path(阻塞的路径)、Hatches(扫描光束)的参数相同：Laser Diameter(激光直径)为0.085mm，Laser Speed(激光速度)为1200mm/s， Laser Power(激光功率)为320W。

为保证零件下表面充分熔化，并保证与支撑结合良好，同时还要提高打印速度，零件下皮扫描参数的Border(边界)、Following Borders(跟随边界)、 Fill Borders(填充边框)、Blocked path(阻塞的路径)、Hatches(扫描光束) 的参数相同：Laser Diameter(激光直径)为0.080mm，Laser Speed(激光速度)为1000mm/s，Laser Power(激光功率)为250W。

为保证支撑成型，并且保证足够的强度，并且不起球、不断层，支撑扫描参数的实体支撑(Solid Support)扫描光束(Hatches)参数为：Laser Diameter (激光直径)为0.080mm，Laser Speed(激光速度)为1500mm/s，Laser Power (激光功率)为290W；支撑扫描参数(13)的非实体支撑(Non-Solid Support) 参数为：Laser Diameter(激光直径)为0.080mm，Laser Speed(激光速度) 为1500mm/s，Laser Power(激光功率)为300W；

为降低铝合金打印零件内应力，避免产生延迟裂纹，同时改善零件的金相组织，提高激光3D打印铝合金电力金具的导电性，退火参数为打印结束后应立即将打印零件与底板一起放入真空高温烧结炉中退火，消除零件激光打印应力及再结晶，退火温度340℃，保温时间2小时，随炉冷却。

AlSi10Mg(20微米)电力非标金具工器具激光3D打印机器配置参数

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。