1.本发明涉及一种单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法。
背景技术：2.随着增材制造技术的不断发展，其应用的领域越来越多，质量和前景也越来越好。而目前商用的金属增材制造方法主要有预置粉末床方式的选区激光熔化技术和同步送粉方式的激光直接能量沉积技术两种。选区激光熔化的光斑小，精度高，但其不能进行单层任意选区的异种材料铺设增材；激光直接能量沉积虽然可以自由的任意改变材料的种类，但是其成形精度却低于选区激光熔化。
3.熔融沉积技术是一种常见的塑料材料的增材制造方法，目前也有在激光增材制造方面的应用。采用金属高分子复合材料的颗粒或者丝材熔融沉积零件生胚，生胚由有机物粘结金属粉末组成。对生胚脱脂后烧结，将有机物除去，使金属粉末相互结合成型。这种成形方法成本低，但是致密度较低，影响了成形件的力学性能。
4.基于目前增材制造所出现的这些问题，本发明设计了一种单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法-激光辅助熔覆沉积技术，本发明使用熔融沉积的方式预置每层材料，然后结合选区激光熔化的方式对每层材料进行重融，实现精度较高的增材制造。相较于以熔融沉积为前处理的烧结方式，本发明采用组织更加致密的冶金结合，拥有更高的结合强度。
技术实现要素：5.本发明提出了一种单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，综合了选区激光熔化的精度和直接能量沉积的材料组合灵活性优势，可以实现较为致密的冶金结合。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，所述方法复合了两种3d成型技术，分别是熔融沉积技术(fused deposition modelling,fdm)和选区激光熔化技术(selective laser melting,slm)；先采用熔融沉积的方式预置材料，然后使用选区激光熔化进行重融，实现逐层的3d成形。
8.本发明中，增材所用的材料是具有一定强度的固态金属高分子复合材料，在经过高温熔融后成为粘流态熔体，沉积冷却后具有一定的支撑强度。该材料由金属和聚合物粘结剂(有机物)构成，聚合物粘结剂应具有易脱脂的性质，在经激光烧结后不会对零件本身材料组成产生较大的影响。具体的，本发明基于送丝的熔融沉积技术，采用送丝的方式预置材料。所述金属高分子复合材料是在有机物的丝材里加金属粉，熔融沉积后形成有机物粘结的金属粉，具体例如：不锈钢金属高分子复合丝材、铜金属高分子复合丝材等。
9.不同于铺粉和喷粉方式，本发明使用fdm的方式进行材料床的铺置。由于使用fdm的预置材料方式，可以进行单层异种材料任意区域的自由形状铺设，然后配合slm进行选区融化，这样就可以实现不同材料的同时增材以及梯度材料的增材制造。
10.熔融沉积的置材方式可以通过更换携带不同材料的喷头来实现同层异种材料任意区域的自由形状铺材，来实现单层扫描方向的不同材料的立体成型，以此叠加便可以实现堆积方向的不同材料的梯度立体成型。
11.熔融后的材料具有一定的柔性，可以附着于曲面等较为复杂的面，相较于铺粉方式的增材制造能适应更多的工况，相较于喷粉方式的增材制造则具有更好的增材精度。
12.由于使用fdm的方式进行预置材料，减少了金属粉末的流动性，具有较好的支撑效果，可以直接用作支撑。同时，由于材料的粘合剂具有易脱脂的性质，对于成型后的零件支撑较好去除，相对于冶金结合的支撑所采用的机械去除的方式更加柔和，且不会对零件产生伤害。
13.不同于预置粉末床式的增材方式，其支撑是跟零件一起打印的冶金结合，结合强度较高，需要机械加工去除，而激光辅助熔融沉积成形的零件，其支撑是熔融沉积的固态金属高分子复合材料，与激光重熔过的零件本体有一定界面，支撑较好除去且不损伤零件本体。由于拥有支撑，所能做的零件复杂度要远高于没有支撑的同步送粉式的增材方式。
14.用选区激光熔化的方式进行每层的激光熔化，使零件的内部形成致密的冶金结合，相较于以熔融沉积为前处理的不完全冶金结合的烧结方式，拥有更加优异的机械性能。同时熔融沉积所形成的粘流态熔体的置材方式具有一定的柔性和附着力，可以在曲面等较为复杂的情况下进行预置粉床，实现曲面上的修复和增材制造。不同于同轴送粉式的曲面修复和增材制造，本发明的方法拥有更高的精度，且能成型更复杂的形状。
15.本发明的有益效果是：
16.本发明涉及一种单层异种材料任意选区的自由形状激光增材方法，该方法使用熔融沉积的方式预置材料，然后使用选区激光熔化对材料层重融，实现叠加成型。该方法拥有铺粉式的精度和喷粉式的材料灵活选择性，可以实现单层扫描方向上任意区域、自由形状的不同材料成型，也可以实现叠加方向上的梯度成型。同时由于沉积后的材料具有较好的支撑，能够打印的复杂程度要高于喷粉式的增材，同时材料粘合剂的易脱脂可以使支撑通过脱脂的方式较简单的去除，没有机械去除的损伤。
17.本发明可以实现扫描方向上异种材料的自由形状增材，进而实现堆积方向上异种材料的自由区域梯度材料成型，为增材制造去除支撑的问题提供了新思路，可以在拥有较复杂面的基体上增材和修复。相较于熔融沉积，该方法拥有更为致密的组织结构，同时由于熔融后的材料有一定的附着力，可以在曲面等较为复杂的面进行增材，且精度较高，扩大了适用场景。
附图说明
18.图1实施例1增材的流程图。
具体实施方式
19.下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
20.实施例中的金属高分子复合丝材选用深圳升华三维科技有限公司生产的金属高分子复合材料。
21.实施例1
22.本发明采用单层异种材料任意区域的自由形状激光增材方法成形零部件的过程：
23.用计算机对成形零件模型进行检查，添加所需的支撑结构，并对支撑结构进行分类，有金属支撑结构区和非金属支撑结构区。非金属结构区在熔融沉积后不再进行激光重熔。对模型进行分层和路径规划，生成机械执行命令发送给成形设备，模型见附图1。
24.选择独立双喷头的3d打印机，装载好不锈钢金属高分子复合丝材和铜金属高分子复合丝材，打印机具有较好的气氛保护，避免氧化；
25.按生成好的程序对第一层进行熔融沉积，喷嘴温度200℃，速度60mm/s，层厚0.5mm，平台温度60℃，腔室温度40℃，然后用激光器对需要全金属化的区域进行激光重熔。激光重熔分两次，第一次功率较低，工作参数为：功率400w，速度20mm/s，将大部分粘结剂烧蚀掉，第二次功率较高，工作参数为：功率1kw，速度20mm/s，使金属粉末熔化，实现高致密的金属沉积；
26.再进行第二层熔融沉积和激光重熔。如此反复多层，实现金属件的逐层沉积。
27.取出成形件，通过脱脂或者手工去除的方式去除支撑，得到表面形貌较为平整的，强度较高的全金属零部件。
28.对零件进行抛光等后处理工序。
29.其中：
30.金属高分子复合丝材应是具有易于脱脂，熔融之后应为具有一定附着力的粘附金属的聚合物丝材，且聚合物在经激光烧结后不会对零件本身材料组成产生较大的影响。
31.负责铺设金属高分子复合丝材的装置应可以在选定区域内预置粉末床，且应拥有多个熔融喷嘴分别携带不同材料，以满足同层异种材料任意区域的自由形状铺置。
32.成形后的零件需去除支撑，相较机械去除，可以较为容易的去除支撑而不对零件产生伤害。
33.由于选择熔融沉积的置材方式，熔融后的金属高分子复合丝材具有一定柔性和附着力，可以在曲面等较为复杂的面的进行预置粉床，进而实现在曲面等较为复杂的面的增材成形。
34.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
技术特征：1.一种单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，其特征在于，所述方法复合了两种3d成型技术，分别是熔融沉积技术和选区激光熔化技术；先采用熔融沉积的方式预置材料，然后使用选区激光熔化进行重融，实现逐层的3d成形。2.如权利要求1所述的单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，其特征在于，熔融沉积的置材方式通过更换携带不同材料的喷头来实现同层异种材料任意区域的自由形状铺材。3.如权利要求1所述的单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，其特征在于，增材所用的材料是金属高分子复合丝材。4.如权利要求3所述的单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，其特征在于，所述金属高分子复合材料为不锈钢金属高分子复合丝材、铜金属高分子复合丝材。5.如权利要求4所述的单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，其特征在于，熔融沉积的工作参数为：喷嘴温度200℃，速度60mm/s，层厚0.5mm，平台温度60℃，腔室温度40℃；激光重熔分两次，第一次工作参数为：功率400w，速度20mm/s，第二次工作参数为：功率1kw，速度20mm/s。
技术总结本发明公开了一种单层任意区域异种材料的自由形状激光增材方法，该方法使用熔融沉积的方式预置材料，然后使用选区激光熔化对材料层重融，实现叠加成型；该方法拥有铺粉式的精度和喷粉式的材料灵活选择性，可以实现单层扫描方向上任意区域、自由形状的不同材料成型，也可以实现叠加方向上的梯度成型；同时由于沉积后的材料具有较好的支撑，能够打印的复杂程度要高于喷粉式的增材，并且支撑能够通过脱脂的方式较简单的去除，没有机械去除的损伤；相较于熔融沉积，该方法拥有更为致密的组织结构，且由于熔融后的材料有一定的附着力，可以在曲面等较为复杂的面进行增材，精度较高，扩大了适用场景。大了适用场景。
技术研发人员：杨高林 王晓江 姚建华 陈智君 李波
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
