一种采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材料的方法

摘要

一种采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材料的方法，它涉及一种制造封闭孔结构金属基材料的方法。本发明的目的现有方法无法实现孔径、孔形的精确制造封闭孔的材料的问题。本发明采用激光3D打印技术，首先利用起点重合终点偏移的方式测试出材料的偏移极限；然后利用层层叠加的方式制造出孔径、孔形可控的封闭孔结构材料。本发明可按照预先设计，精确制造封闭孔结构材料，填补了送粉激光3D打印技术制造可控封闭孔结构材料的空白。

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造及金属基多孔材料成型领域，具体为一种采用同步送粉技术，利 用激光熔化金属基粉末及部分基板，使金属基粉末熔融沉积在基板上，直接制造孔径大小 及形状可控的闭孔材料的方法。

背景技术

金属基多孔材料相对于金属基实心块体材料具有比强度、比刚度高，整体密度低，力 学性能优良等特点。实心金属基材料转变为闭孔材料后，其多项性能将发生改变，如机械 性能、阻尼性能等，具备了减振、降噪消声、电磁屏蔽、隔热储能等功能，为其应用提供 了无限的可能。

金属基闭孔材料因其广泛的应用前景，受到多方的关注。有很多企业及科研单位投入 人力物力研究生产闭孔材料。但现有的很多技术只能生产不可精确控制孔径、孔形的闭孔 材料。

当前制造闭孔材料多采用发泡技术生产制造，如泡沫铝。发泡金属是在熔融金属中加 入增粘剂和发泡剂，搅拌后采用渗流铸造等方法制造泡沫铝。采用发泡方式生产的泡沫金 属材料孔隙率高、生产效率高，但产品的孔径分布，孔隙形状无法精确控制，只能总体控 制在一个大概范围，导致性能亦无法精确控制。也有文献报道采用无机盐作为填充物，成 型后溶去无机盐的方式制造泡沫金属，但这种方式却只能制造开孔形式的多孔金属材料。

发明内容

本发明的方法采用同步送粉技术、用激光能量熔化金属基粉末，利用3D打印理念， 逐层叠加，最终达到制造封闭孔金属基材料的目的。在制造过程中，闭孔材料一次成型， 无需后期机械加工，能精确的制造具有空心结构的封闭孔的材料，从而解决了现有方法无 法实现孔径、孔形的精确制造封闭孔的材料的问题。

本发明的一种采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材料的方法，它是按照以 下步骤进行的：

一、采用同步送粉方式，首先在基板上熔化第一层粉末，第二层粉末与第一层起点相 同，第二层粉末终点位置为沿垂直于激光运动方向与第一层终点相距一个激光光斑直径的 位置，测量出材料的偏移极限；

二、设计3D打印路径：设置第一层3D打印路径的起点和终点相重合，形成一个封 闭环或多边形，在第一层的基础上，制造第N层熔化粉末层，使第N层相对于第一层在 激光束运动方向垂直的角度上按照步骤一的偏移极限进行偏移，在激光3D打印制造出的 第N层偏移量达到第一层封闭环或多边形的最大内径的时，顶端闭合，得到相对于基板 具有倾斜角度的材料，即完成所述的采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材料的 过程。

本发明包含以下有益效果：

1本发明采取从起点到终点偏移量逐步加大的方式对偏移极限进行测量，能够精确测 量出材料的偏移极限，进而为后续激光3D打印制造提供数据支持。

2本发明利用3D打印技术，采用激光为热源，利用同步送粉的工艺进行制造，成功 实现了封闭孔的制造，克服了传统制造手段封闭孔孔径、孔形不可精确控制的缺点。成功 实现了对闭孔金属基材料孔径、孔形的精确控制，为后续闭孔材料性能的精确设计奠定了 基础。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材 料的方法，它是按照以下步骤进行的：

一、采用同步送粉方式，首先在基板上熔化第一层粉末，第二层粉末与第一层起点相 同，第二层粉末终点位置为沿垂直于激光运动方向与第一层终点相距一个激光光斑直径的 位置，测量出材料的偏移极限；

二、设计3D打印路径：设置第一层3D打印路径的起点和终点相重合，形成一个封 闭环或多边形，在第一层的基础上，制造第N层熔化粉末层，使第N层相对于第一层在 激光束运动方向垂直的角度上按照步骤一的偏移极限进行偏移，在激光3D打印制造出的 第N层偏移量达到第一层封闭环或多边形的最大内径时，顶端闭合，得到相对于基板具 有倾斜角度的材料，即完成所述的采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材料的过 程。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的粉末为金属材料或 含有金属或金属化合物的金属基粉末。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述粉末为低密度铝基粉 末，粒度为-150目～+250目，基板为金属基板。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对低密度铝基粉末进行 3D打印制造封闭孔结构金属基材料的技术参数为：使用的激光器为YLS3000激光器，采 用同步送粉方式，激光功率1500W～3000W，光斑直径1mm～5mm，扫描速度5mm/s～ 15mm/s，送粉速度5g/min～15g/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对低密度铝基粉末进行 3D打印制造封闭孔结构金属基材料的技术参数为：使用的激光器为YLS3000激光器，采 用同步送粉方式，激光功率2000W～3000W，光斑直径1mm～5mm，扫描速度5mm/s～ 15mm/s，送粉速度5g/min～15g/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的粉末为不锈钢粉末， 粒度为-150目～+250目，基板为金属基板。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对不锈钢粉末进行3D打 印制造封闭孔结构金属基材料的技术参数为：使用激光器为YLS3000激光器，采用同步 送粉方式，激光功率500W～1500W，光斑直径1mm～5mm，扫描速度5mm/s～15mm/s， 送粉速度5g/min～15g/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：对不锈钢粉末进行3D打 印制造封闭孔结构金属基材料的技术参数为：使用激光器为YLS3000激光器，采用同步 送粉方式，激光功率1000W～1500W，光斑直径1mm～5mm，扫描速度5mm/s～15mm/s， 送粉速度5g/min～15g/min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的基板为金属基板或 不易燃材料的基板。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的N≥2。其它与具 体实施方式一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同 样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

本实施例的一种采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材料的方法，是按照以 下步骤进行的：

选取铝合金板作为基板，用有机溶剂清洗，水砂纸抛光，酒精清洗，烘干；粉末选择 -150目～+250目铝基粉末；采用YLS3000激光器制造，激光功率1500W～3000W；光斑 直径1mm～5mm，扫描速度5mm/s～15mm/s，送粉速度为5g/min～15g/min；制造出的封 闭孔结构材料，单层最大偏移极限2mm，结构材料中最大封闭孔孔径20mm。

按照上述参数采用具体实施方式一的操作进行，制得封闭孔结构金属基材料。

铝基粉末制造的材料具有耐蚀性好，密度低，材料来源广的特点，克服了传统发泡行 业产品孔径只可区域控制，不可精确控制的缺点，为封闭孔材料精确制造创造出了一种新 的途径。使用铝基粉末制造的封闭孔材料可广泛应用于航空、航海的减振、降噪、电磁屏 蔽等方面，以及用于低密度支撑结构件的制造。

实施例2

本实施例的一种采用激光3D打印技术制造封闭孔结构金属基材料的方法，是按照以 下步骤进行的：

选区45#钢作为基板，有机溶剂清洗，水砂纸抛光，酒精清洗，烘干；粉末选择-150 目～+250目不锈钢粉末；采用YLS3000激光器制造，激光功率500W～1500W；光斑直 径1mm～5mm，扫描速度5mm/s～15mm/s，送粉速度5g/min～15g/min；制造出的封闭孔 结构材料，单层最大偏移极限2.3mm，结构材料中最大封闭孔孔径25mm。

按照上述参数采用具体实施方式一的操作进行，制得封闭孔结构金属基材料。

不锈钢粉末制造的材料耐蚀性好，应用范围广，封闭孔不锈钢材料降低了材料的密度， 提升了不锈钢的应用前景，使得不锈钢在许多要求低重量的行业中的应用成为可能，且封 闭孔一次成型减少了对表面气密性有需求的行业二次加工的麻烦。