[发明专利]一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法

说明书

本发明公开一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，涉及激光增材制造技术领域。该方法步骤包括：选用纯度在99.9％以上，粒度为15μm～30μm的AlSi10Mg粉末；模型设计及切片处理；选区激光熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)加工准备，安装纯铝基板，并在粉料钢放入足量的AlSi10Mg粉末，关闭腔门，向腔内倒入氩气保护气，使腔内氧气含量降为0；设定加工参数；选区激光熔化成形，得到仿生龙虾眼薄壁结构。本发明运用激光增材制造技术成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构，通过工艺研究，解决了传统方法加工仿生龙虾眼复杂薄壁结构难度大的问题，能够实现结构的高成形性。

技术领域

本发明涉及仿生结构加工技术领域，特别涉及一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法。

背景技术

在数百万年的进化过程中，自然生命为了可以在残酷的自然竞争中生存，已经进化出优化的自然结构。根据其特定的居住环境，每种自然结构均具有独特的功能。在光学应用领域，自然结构也有着出色的性能表现。龙虾眼睛是最具代表性的实例之一。龙虾的眼睛是由排列在球形表面上的许多正方形的微通道组成的，每个微通道都窄且长，并且其中心轴朝向球形表面的中心。从不同角度进入通道阵列的光会通过掠入射反射而聚焦，并在龙虾的弯曲视网膜上形成单一图像。由于龙虾眼结构独特的结构特征，因此，龙虾眼结构光学器件具有重量轻，体积小和视野宽的优点，非常适合航空航天应用。

目前，用于制造龙虾眼结构的方法基本上是减法制造。然而，由于减法方法的限制，高纵横比通道难以制造。龙虾眼的球面微通道阵列结构也可以视为由两组彼此垂直的薄壁组成的复杂薄壁结构。相对于传统的减法(例如铣削和机械加工)或等材制造(例如铸造和注塑成形)技术，增材制造(AM)技术由于具有分层制造的特点，使其在复杂的薄壁结构的制造上具有明显的优势。由于高能量密度和原料的粗大尺寸，采用激光熔融沉积技术和电子束熔化技术制造的零件的表面质量和尺寸精度比SLM制造的零件差。因此，SLM技术被广泛用于具有优良特征和复杂结构的薄壁零件的制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光成形仿生龙虾眼复杂薄壁结构的方法，解决传统方法制造仿生龙虾眼复杂薄壁结构成形质量差的问题。技术方案是采用SLM这一成形技术，通过控制SLM工艺参数获得高成形性的仿生龙虾眼薄壁构件。

本发明的仿生龙虾眼薄壁结构的成形方法，包括如下步骤：

(1)粉末准备：选用纯度在99.9％以上，粒度为15μm-30μm的AlSi10Mg粉末；

(2)模型设计及切片处理：根据龙虾眼的仿生灵感，构建结构的三维实体模型，通过3D打印处理软件对几何模型进行切片处理，切片层厚为20-100μm；

(3)SLM加工准备：在选区激光熔化设备中安装纯铝基板，并在粉料钢放入足量的AlSi10Mg粉末，关闭腔门，向腔内倒入氩气保护气，使腔内氧气含量降为0；

(4)设定加工参数：设定铺粉厚度(与切片厚度一致)，设定激光加工参数；

(5)选区激光熔化技术：准备工作结束后，开始成形加工。铺粉装置将粉末均匀地铺在成形缸基板上，激光束将按照预设的扫描路径进行扫描，直到整个二维平面成形完毕，接下来，成形缸向下移动一个层厚的距离，粉料缸上升同样的距离，铺粉装置继续均匀铺粉，激光开始成形下一层，直至整个实体结构成形完毕，获得仿生龙虾眼薄壁结构。

进一步的，步骤4中的激光功率为325-425W，对于每一种激光功率，扫描速度、层厚度和扫描间距分别设置为2200mm/s、30μm和50μm。

优选地，步骤5中的加工过程中采用的激光策略为分区岛状扫描策略，扫描策略为初始激光扫描角度为53°，逐层之间旋转增量为37°。