[发明专利]一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法

摘要

本发明涉及一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，该制备方法包括如下步骤确定仿生耐磨增阻表面的分级结构；仿生表面的结构参数及其优化；仿生表面结构的三维数模设计；成形件数模合成及切片分层处理；成形件的激光增材制造；具有仿生表面的成形件无损检测；后处理获得最终成形件。该制备方法具有表面的仿生效果好、操作方便、性能可靠，综合成本低、成形件表面耐磨增阻性能好，能够满足使用要求、提高其使用寿命、能够广泛被推广应用等优点。

主权项

一种具有仿生表面结构的金属3D打印制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：1)根据金属零件耐磨增阻性能的要求，确定仿生表面结构，其中，该仿生表面结构为一种能够采用激光增材制造成形技术制备的分级结构，具体包括：第一级宏观结构，其表面变化是机械零件设计时已经确定的；第二级细观结构，其中通过本发明下述步骤中的激光增材制造即可完成；第三级微观结构，其具有最小尺度在10‑90μm的结构；2)利用模拟仿真技术，在金属零件的模拟工况下，比较不同的表面仿生结构的摩擦、磨损与润滑状况，从而优选出适宜的表面仿生结构，基于单元模块的设计准则，采用适宜的表面区设计方法，设计出表面仿生结构，得到这种仿生表面的结构参数，并且通过正交试验与神经网络模拟实验方法进行参数优化；3)采用上述方法获得的仿生表面结构，是一种三维结构，利用CAD软件构建仿生表面结构的三维数模，其中，在X、Y、Z轴三维坐标系中，垂直于仿生表面结构的Z轴方向数模的精度要高于X、Y轴方向的数模的精度，由于利用CAD软件构建的三维数模的上述Z轴方向数模的精度与一般的实体零件的三维数模在精度上是不匹配的，因而需校核上述Z轴方向数模的精度是否达到设计精度；4)利用与步骤3)相同的CAD软件，将成形件原来的三维数模与仿生表面的三维数模进行合成，验证两个数模确实达到了无缝连接之后，获得合成的三维模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维数模进行切片分层处理，层厚为0.3‑3mm；5)将切片分层处理数据导入工控机，控制3D打印机的喷头在X、Y、Z三轴上运动，运动轨迹与每个切片分层图形一致；选用粒径为10‑50微米的金属粉末放置在100‑200℃的烘干箱中进行烘干1‑1.5小时处理；将烘干处理后的金属粉末放置在3D打印机送粉器的粉筒中留作备用，再 进行成形件的激光增材制造：激光选区熔化或激光选区烧结，激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，其中该激光器的具体参数为：功率P＝1000‑5000W，光斑直径D＝2‑8mm，扫描速度V＝2‑3m/min，搭接率为30‑40％，同时置入随炉标准试件，其中随炉标准试件具有与成形件表面同样的仿生表面结构；6)对于上述步骤5)获得的具有仿生表面的成形件和随炉标准试件进行轻度酸洗，酸洗时间为1‑3min，根据成形件的金属种类选择相配的轻度酸洗用酸洗液；将经过酸洗后的具有仿生表面的成形件进行无损检测，并与随炉标准试件的仿生表面进行比较，当两者的比较结果一致或者在容许误差范围内时，进行下述步骤；其中无损检测包括：典型区域的三维形貌观测、随炉标准试件的摩擦、磨损与润滑实验；7)将上述步骤6)处理后的成形件进行后处理获得最终成形件，其中后处理包括热处理和/或抛光。