[发明专利]一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法

摘要

本发明涉及一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法。其步骤为：1）建立金属材料零件的CAD模型；2）选定加工工艺；3）单道熔覆实验；4）模型切片和加工轨迹设计；5）使用有限元分析软件模拟加工过程温度场；6）划分加工区域；7）拟合特征点的温度‑时间曲线；8）设定温度梯度；9）求解平台上各电阻丝的控制信号；10）激光3D打印。本发明可以在加工过程中控制成形过程的温度梯度，获得低残余应力、力学性能好的金属材料，极大地节约了成本；还可以根据要求设定加工过程的温度梯度，从而定向地制备金属材料。

主权项

1.一种凝固过程温度梯度可控的3D打印金属材料的方法，其特征在于:所述的方法采取如下步骤：1)建模建立金属材料零件的CAD模型；2)选定加工工艺采用激光作为加工输入热源，选定粉末材料，确定加工时激光参数有功率P、光斑直径d、光斑移动速度v和送粉速度δ；3)单道熔覆实验采用铜板或不锈钢板作加工基板，使用步骤2)中的加工参数进行单道熔覆实验，并对熔覆的单道进行测量，其宽度为w和高度为h；4)模型切片和加工轨迹设计对模型进行切片分层，层厚由测量的高度h决定，层厚为(h‑0.2)～h；根据设定的20％～30％的搭接率以及加工时的熔道宽度b，通过切片软件分割图形，并生成加工轨迹线，相邻线距离为0.6*b～0.8*b，所述的切片软件采用开源软件slic 3；5)使用有限元分析软件模拟加工过程温度场使用有限元分析软件模拟加工过程的温度场，热源类型为高斯移动热源，热源移动轨迹与步骤4)中的轨迹线相同，热源参数为步骤2)中选定的激光参数；6)划分加工区域根据加工平台，划分加工区域，每个加工区域均为正方形，并选择每个加工区域的中心点作为特征点；7)拟合特征点的温度‑时间曲线根据步骤5)中所得的温度场数据，拟合出特征点的温度‑时间曲线，选择熔化‑凝固区间，把区间细分为10个小区间，根据温度‑时间曲线计算出每个小区间的温度梯度；8)设定温度梯度设计加工过程中各区域特征点温度‑时间曲线上10个小区间端点处的温度，计算出相邻特征点的温度梯度；9)求解平台上各电阻丝的控制信号建立平台上各电阻丝在加热时的热学方程，每个加工区域由该加工区域对应加工平台上的电阻丝控制，结合步骤8)中设定的温度梯度，使用有限元分析的方法求解电阻丝的控制信号；10)激光3D打印固定好加工基板，按照步骤2)中设定的加工工艺参数进行打印，平台中的电阻丝按照步骤9)中所求解出的控制信号进行工作；打印发生高温氧化的粉末材料时，需将加工平台移至充满氩气的气氛室中。