阅读说明：本技术 3d打印方法及3d打印件 (3D printing method and 3D printed piece ) 是由 李长鹏 周忠娇 陈国锋 于 2018-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了3D打印方法及3D打印件,其中,包括如下步骤：S1,根据3D打印模型对打印材料进行激光扫描,使得所述打印材料自下而上地逐层开始烧结为预设形状的打印件；S2,在3D打印装置中通入处理气体,并且对所述打印件的局部区域执行激光扫描,使得所述处理气体与所述打印件的局部区域表面反应形成硬化层,其中,所述步骤S1和所述步骤S2交替执行,直至构成具有局部硬化层的打印件。本发明通过调整气体环境使得选择性激光熔化设备制造的元件具有耐磨耐腐蚀的表面氮化层,并保持中心区域的预期延展性。氮化层具有理想的晶格结构。本发明不需要设置额外的表面处理步骤,因此功耗更低,花费更少。本发明提供的原位氮化制程精确地控制了氮化梯度。(The invention provides a 3D printing method and a 3D printed product, wherein the method comprises the following steps: s1, performing laser scanning on the printing material according to the 3D printing model, so that the printing material starts to be sintered into a printing piece with a preset shape layer by layer from bottom to top; and S2, introducing a processing gas into the 3D printing device, and performing laser scanning on the local area of the printed material, so that the processing gas and the local area of the printed material are subjected to surface reaction to form a hardened layer, wherein the step S1 and the step S2 are alternately performed until the printed material with the locally hardened layer is formed. The invention enables the selective laser melting equipment to manufacture components with wear-resistant and corrosion-resistant surface nitrided layers by adjusting the gas environment and maintains the expected ductility of the central area. The nitride layer has an ideal lattice structure. The invention does not need to arrange an additional surface treatment step, thereby having lower power consumption and lower cost. The in-situ nitridation process provided by the present invention precisely controls the nitridation gradient.)

3D打印方法及3D打印件

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种3D打印方法及3D打印件。

背景技术

增材制造工艺(Additive Manufacturing)如今是世界上发展迅速的高级制造技术之一，其显示出了宽广的应用前景。选择性激光熔化(Selected Laser Melting,SLM)工艺是增材制造(Additive manufacturing)技术的一种，其通过激光烧结的方式可快速地将与CAD模型相同的零部件制造出来。目前选择性激光熔化工艺得到了广泛的应用。和传统材料去除机制不同，增材制造是基于完全相反的材料增加制造原理(materials incrementalmanufacturing philosophy)，其中，选择性激光熔化利用高功率激光熔化金属粉末，并通过3D CAD输入来一层一层地建立部件/元件，这样可以成功制造出具有复杂内部沟道的元件。增材制造技术能够提供一种任意制造复杂结构元件的独特潜力，这样的复杂元件通常不能轻易由传统制程来制造。

除了增材制造工艺的上述优点，较高的资金投入和较低的打印速率阻碍了其广泛应用。基于费用考虑，定制设计、低生产量和复杂结构的元件都会比传统制造技术更加适合利用增材制造工艺。其中一个典型应用是密封元件。

然而，增材制造技术仍然还具有一些技术瓶颈，例如相对较低的耐腐蚀性和耐磨性。为了解决上述问题，现有技术会选择高损耗材料，例如碳化物材料作为密封元件。然而，碳化物材料通常较难用于增材制造工艺，这是由于材料对于激光快速加热和冷却容易导致裂纹等缺陷。粘合剂喷射技术(Binder Jetting Technology)之后执行烧结制程能用于制造硬质金属元件(hard metal components)。然而，烧结过程中导致的高收缩率并不容易预测和控制，阻碍了其在尺寸精确性要求高的密封元件的应用。

发明内容

本发明第一方面提供了3D打印方法，其中，包括如下步骤：S1，根据3D打印模型对打印材料进行激光扫描，使得所述打印材料自下而上地逐层开始烧结为预设形状的打印件；S2，在3D打印装置中通入处理气体，并且对所述打印件的局部区域执行激光扫描，使得所述处理气体与所述打印件的局部区域表面反应形成硬化层，其中，所述步骤S1和所述步骤S2交替执行，直至构成具有局部硬化层的打印件。

进一步地，所述处理气体包括氨气。

进一步地，所述3D打印方法还包括如下步骤：所述步骤S1和所述步骤S2交替执行，直至构成具有间隔设置的硬化层的打印件，以使得所述打印件具有预期硬度。

进一步地，所述3D打印方法还包括如下步骤：通过调整所述打印件的材料层和硬化层的体积比例，来调整所述打印件的内部弹性模量和表面硬度。

进一步地，所述3D打印方法还包括如下步骤：通过调整所述处理气体和保护气体的量以及输送时间来调整材料层和硬化层的厚度，从而调整所述打印件的内部弹性模量和表面硬度。

进一步地，所述激光扫描步骤包括旋转激光扫描或者局部激光扫描。

进一步地，在执行所述步骤S1时，在所述3D打印装置中通入保护气体，其中，所述保护气体为惰性气体。

进一步地，所述保护气体包括氮气或者氩气。

进一步地，所述3D打印方法还包括如下步骤：将形成所述材料的打印材料从所述3D装置的成型缸送入回收缸进行回收。

本发明第二方面提供了一种3D打印件，其中，所述3D打印件是本发明第一方面所提供的3D打印方法制造的。

本发明通过调整气体环境使得选择性激光熔化设备制造的元件具有耐磨耐腐蚀的表面氮化层，还可以保持中心区域的预期延展性。其中，氮化层具有理想的晶格结构。并且本发明不需要设置额外的表面处理步骤，因此功耗更低，花费更少。本发明提供的原位氮化制程精确地控制了氮化梯度。

附图说明

图1是选择性激光熔化设备的示意图；

图2a是根据本发明一个具体实施例在选择性激光熔化设备中执行本发明提供的3D打印方法构成具有3D打印件的剖面图，其中，所述3D打印件在上下表面分别具有硬化层；

图2b是根据本发明又一具体实施例在选择性激光熔化设备中执行本发明提供的3D打印方法构成具有3D打印件的剖面图，其中，所述3D打印件具有多层间隔的硬化层；

图2c是根据本发明另一具体实施例在选择性激光熔化设备中执行本发明提供的3D打印方法构成具有3D打印件的剖面图，其中，所述3D打印件在中心区域具有硬化区域。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明提供了一种3D打印方法，其在同一个3D打印设备中同时执行激光扫描步骤和所述硬化步骤，形成具有任意局部硬化层的3D打印件。并且，比起单独渗氮处理，本发明形成的硬化层可以准确调节硬度梯度和硬化深度，而不致于因为达到足够的硬化深度而形成表面过硬层，因此不需要设置过硬层去除步骤，并且局部硬化层不易开裂，硬化程度还可根据需要进行调节。

其中，本发明优选地是在选择性激光熔化设备中执行。其中，选择性激光熔化设备内设置有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料。下面以金属粉末作为打印材料对本发明进行说明。

本发明通过调整气体环境使得选择性激光熔化设备制造的元件具有耐磨耐腐蚀的表面氮化层，还可以保持中心区域的预期延展性。其中，氮化层具有理想的晶格结构。并且本发明不需要设置额外的表面处理步骤，因此功耗更低，花费更少。本发明提供的原位氮化制程精确地控制了氮化梯度。

图1是选择性激光熔化设备的示意图。如图1所示，选择性激光熔化设备100包括一个激光源110、一个镜面扫描器120、一个棱镜130、一个送粉缸140、一成型缸150和一个回收缸160。其中，激光源110设置于选择性激光融化设备100上方，充当金属粉末的加热源，即融化金属粉末来进行3D打印。

其中，送粉缸140下部有一个能够上下移动的第一活塞(未示出)，在送粉缸140的第一活塞上面的腔体空间放置了备用的金属粉末，并随着第一活塞的上下移动从送粉缸140将金属粉末送入成型缸150。在成型缸150中设置有一个3D打印件放置台154，放置台154上方夹持有一个3D打印件C，放置台154下方固定有一个第二活塞152,其中，第二活塞152和放置台154垂直设置。在3D打印过程中，第二活塞152自上而下移动，以在成型缸220中形成打印空间。激光扫描的激光源110应设置于选择性激光融化设备的成型缸150的上方，镜面扫描器120通过调整一个棱镜130的角度调整激光的位置，通过棱镜130的调节来决定激光融化哪个区域的金属粉末。送粉缸140还包括一个滚轮(未示出)，金属粉末P堆设于第一活塞的上表面，第一活塞垂直地自下而上移动传递金属粉末至送粉缸140上部。滚轮可在金属粉末P上滚动，以将金属粉末P送至成型缸150中。从而持续对金属粉末执行激光扫描，将金属粉末分解为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地烧结为预设形状的打印件C。

其中，所述选择性激光熔化设备100还包括一个气体供应装置170。所述气体供应装置170包括第一进气管道172和第二进气管道174，以及一个出气管道176。其中，在所述第一进气管道172上还设置有第一阀门173，在所述第二进气管道174上设置有第二阀门175。控制装置171连接于所述第一阀门173和第二阀门175，用于控制所述第一进气管道172和第二进气管道174的开启和关闭。

本发明提供的3D打印方法包括如下步骤：

步骤S1，根据3D打印模型对打印材料进行激光扫描，使得所述打印材料自下而上地逐层开始烧结为预设形状的打印件。其中，根据本发明一个优选实施例，所述3D打印模型为数字模型，打印材料为金属粉末。具体地，持续对金属粉末执行激光扫描，将金属粉末分解为粉末基体，继续对所述粉末基体进行激光扫描直至使所述粉末基体自下而上地逐层烧结为预设形状。在激光扫描时，打开第一进气管道172的第一阀门173，以输送保护气体输入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第二进气管道174的第二阀门175，切断处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100，从而构成激光扫描的保护气体环境。

步骤S2，在3D打印装置中通入处理气体，并且对所述打印件的局部区域执行激光扫描，使得所述处理气体与所述打印件的局部区域表面反应形成硬化层。其中，根据本发明一个优选实施例，3D打印装置为如图1所示的选择性激光熔化设备100。具体地，如图1所示，第一进气管道172用于输送保护气体，所述第二进气管道174用于输送处理气体。特别地，所述保护气体特别地为惰性气体，例如氮气或者氩气。所述处理气体为氨气NH₃。基于3D打印模型，需要形成局部硬化层或者局部硬化区域时，关闭第一进气管道172的第一阀门173，以切断保护气体输入选择性激光熔化设备100。并且开启第二进气管道174的第二阀门175，开启处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。临近成型缸150的氨气NH₃会分解为离子并与金属材料(metallic material)反应，氨气NH₃分解的离子扩散和打印件的金属材料产生薄的硬化层。

其中，所述步骤S1和所述步骤S2交替执行，直至构成具有局部硬化层的3D打印件。下面结合不同的打印件形状/构造对本发明提供的3D打印方法进行具体说明。

如图2a所示，按照数字模型，第一3D打印件200应当具有金属主体220，并且在所述金属主体220的上下表面都分别需要设置一层硬化层，分别为设置于金属主体220上表面的第一硬化层210和设置于金属主体220下表面的第二硬化层230。图2a中的箭头方向示出了打印方向，即由下至上垂直打印方向。具体地，首先执行硬化步骤S2以打印第二硬化层230，此时，开启第二进气管道174的第二阀门175，开启处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第一进气管道172的第一阀门173，以切断保护气体输入选择性激光熔化设备100。待第二硬化层230构成完毕，则开始执行激光扫描步骤S1，具体地，打开第一进气管道172的第一阀门173，以输送保护气体输入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第二进气管道174的第二阀门175，切断处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。待所述金属主体220构成完毕，则开始执行硬化步骤S2以打印第一硬化层210，此时，开启第二进气管道174的第二阀门175，开启处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第一进气管道172的第一阀门173，以切断保护气体输入选择性激光熔化设备100。如此交替执行所述激光扫描步骤S1和所述硬化步骤S2，直至形成第一3D打印件200。

进一步地，本发明还包括如下步骤：所述步骤S1和所述步骤S2交替执行，直至构成具有间隔设置的硬化层的打印件，以使得所述打印件具有预期硬度。

如图2b所示，按照数字模型，第二3D打印件300具有间隔设置的硬化层。具体地，第二3D打印件300从下而上依次设置有第一硬化层310、第一材料层360、第二硬化层320、第二材料层370、第三硬化层330、第三材料层380、第四硬化层340、第四材料层390、第五硬化层350。根据如图2a所示的具体实施例的一个变化例，重复交替分别多次执行所述激光扫描步骤S1和所述硬化步骤S2。图2b中的箭头方向示出了打印方向，即由下至上垂直打印方向。具体地，首先执行硬化步骤S2以打印第一硬化层310，此时，开启第二进气管道174的第二阀门175，开启处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第一进气管道172的第一阀门173，以切断保护气体输入选择性激光熔化设备100。待第一硬化层310构成完毕，则开始执行激光扫描步骤S1，具体地，打开第一进气管道172的第一阀门173，以输送保护气体输入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第二进气管道174的第二阀门175，切断处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。同理，再重复执行硬化步骤S2和激光扫描步骤S1多次，从而依次分别形成第二硬化层320、第二材料层370、第三硬化层330、第三材料层380、第四硬化层340、第四材料层390、第五硬化层350，直至形成第二3D打印件300。

如图2c所示，按照数字模型，第三3D打印件400具有一材料区域420，在材料区域420的中心区域再设置硬化区域410。本实施例需要采用局部扫描策略，具体地，首先按照图2c箭头所示的打印方向由下至上垂直地进行激光扫描，即执行激光扫描步骤S1，形成预定厚度的材料区域420。然后在材料区域420的中心区域构成硬化区域410，即执行硬化步骤S2。其中，在执行扫描步骤S1时，打开第一进气管道172的第一阀门173，以输送保护气体输入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第二进气管道174的第二阀门175，切断处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。在执行硬化步骤S2时，此时，开启第二进气管道174的第二阀门175，开启处理气体氨气NH₃进入选择性激光熔化设备100。同时，关闭第一进气管道172的第一阀门173，以切断保护气体输入选择性激光熔化设备100。

此外，本发明还包括如下步骤：将形成所述材料的打印材料从所述3D装置的成型缸送入回收缸进行回收。在本实施例中，形成材料区域420的金属粉末可以回收并循环使用。具体地，如图1所示，在打印完毕以后，成型缸150的放置台154下方的第二活塞152垂直地自下往上移动，将使用完毕的金属粉末送入回收缸160。

其中，所述激光扫描步骤包括旋转激光扫描或者局部激光扫描。

本发明的优越性还在于可以调整打印件的内部弹性模量和表面硬度。可选地，本发明可以通过调整所述打印件的材料层和硬化层的体积比例，来调整所述打印件的内部弹性模量和表面硬度。可选地，本发明还通过调整所述处理气体和保护气体的量以及输送时间来调整材料层和硬化层的厚度，从而调整所述打印件的内部弹性模量和表面硬度。

具体地，在执行步骤S2时，激光扫描的热量使得氨气NH₃分解为原子状态N和H，原子状态N和H会对打印件表面材料进行渗氮处理。假设打印件的材料为钢，钢的表面就会产生耐磨耐腐蚀的化合物层。假如在执行步骤S2时在激光作用下，氨气NH₃分解为：

其中，渗入钢中的氮原子N一方面与材料钢中的铁形成不同含氮量的氮化铁，另一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。

此外，本发明还可以通入NH₃和CO₂的混合气体，使得NH₃和CO₂的混合气体和材料钢的表面发生热分解反应，产生活性碳、氮原子。活性碳、氮原子被打印件表面吸收，通过扩散渗入打印件表层，从而获得以氮为主的碳氮共渗层，实现碳氮共渗，得到更好的硬化质量和材料韧性。

其中，所述化合物层厚度约为0.05～1.0mm并且，化合物层性质极硬，硬度可达到1000～1200HV。

本发明第二方面还提供了一种3D打印件，所述3D打印件是由上文所提供的3D打印方法制造的。

对比于现有技术，现有技术渗氮处理和3D打印的结合。渗氮处理构成的硬化层会有较高的硬度梯度，相当于最外表面是过硬层，然后从过硬层开始往材料层有递减的硬度梯度。这时，外表面的过硬层会由于硬度过大而变裂变脆。因此往往需要在3D打印以后再做表面抛光等机械处理，以磨掉或者去除过硬层。现有技术渗氮处理构成的硬化层的梯度效应很难控制，并且表面抛光等机械处理使得工序繁复。3D打印的优势就在于一体成型，工序繁复就削弱了其优势。此外，有些3D打印件无法进行后续的表面抛光等机械处理，这些打印件具有复杂的内部构造或者具有表面空洞等，经过表面抛光以后尺寸就会改变。

而本发明在3D打印过程中执行氮化制程，并且通过精确控制惰性气体和NH₃处理气体的混合比例来控制氮化程度。其中，选择性激光熔化制造元件的氮化梯度可以被轻易控制来得到没有表面过度氮化的厚的氮化层。此外，氮化制程的执行能确保元件具有质地坚硬的表面层，同时保持易延展的中心区域。具有氮化夹层(nitrided interlayers)的不同晶格结构元件也能够保证高耐磨性，并同时达到满意的延展性。

本发明不仅适用于选择性激光熔化工艺过程中的原位氮化制程，但也适用于执行具有打印气体环境处理的其他处理。由于氮化制程仅仅在NH ₃处理气体具有足够高的分解温度时的成型缸附近才会发生，其他的金属粉末不会被影响到并且被很好地循环以保确未处理粉末材料的高利用率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。