阅读说明：本技术 一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法 (Method for selective laser melting forming of compact-loose integrated die part ) 是由 王小新 管航 马一恒 董志家 厉邵 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法,包括:1)选择零件部位并对其进行多孔结构设计；2)在镶件及模板上,设计点阵结构；3)将制作的三维模型导入切片软件中；4)设置参数；5)打印准备；6)开始打印；7)热成像仪进行温度信息采集,将采集的温度数据传递到PC控制中心,进行分析；8)对成形表面进行扫描表征计算成像,并进行信息比对；9)激光扫描成形；10)重复步骤6)至9),直至零件成形；11)分离成型样品；12)对成形样品热处理；本发明能合理地降低多孔结构区域的致密度,增加成形件的透气性,在保证模具零件的结构强度及产品的成形条件下,又能更好地解决复杂模具零件在工作中困气、真空吸附和嵌片定位的问题。(The invention discloses a method for forming a compact-loose integrated die part by selective laser melting, which comprises the following steps of 1) selecting a part and carrying out porous structure design on the part; 2) designing a lattice structure on the insert and the template; 3) importing the manufactured three-dimensional model into slicing software; 4) setting parameters; 5) preparing for printing; 6) starting printing; 7) the thermal imager collects temperature information and transmits the collected temperature data to a PC control center for analysis; 8) scanning, representing, calculating and imaging the forming surface, and comparing information; 9) laser scanning and forming; 10) repeating the steps 6) to 9) until the part is formed; 11) separating the molded sample; 12) carrying out heat treatment on the formed sample; the invention can reasonably reduce the density of the porous structure area, increase the air permeability of the formed part, and better solve the problems of air trapping, vacuum adsorption and insert positioning of the complex die part in the work under the condition of ensuring the structural strength of the die part and the forming condition of the product.)

一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种基于选区激光熔化技术的透气不致密模具零件成形和附有点阵多孔结构的注塑模具零件设计相结合的方法，即一种选区激光熔化成形致密- 疏松一体化模具零件的方法。

背景技术

3D打印技术凭借其较于传统工艺的优势，近几年在制造业中发展的突飞猛进。选区激光熔化技术是金属3D打印主要技术手段之一，其逐层增材成形的工艺手段针对复杂零件的成形具有无与伦比的优势，目前已在航空航天、军事、医疗、汽车领域广泛应用。

金属多孔材料由金属骨架和内部孔隙组成，其结构比表面积大、比重小、抗震性优良，当孔隙率达到一定百分比时，也具有通气、换热的性能。点阵结构具有规则性的孔形和孔穴呈周期性排列，其相对密度低，质量小，能够在保证了结构强度的需求下，减小成本。目前两种结构在车辆制造、武器制备、医疗器械以及航空领域应用十分广泛。

CN201810959975.5公开一种透气模具钢和选区激光熔化制备透气模具钢的方法，包括以下步骤：S1、取欲成型粉体，所述欲成型粉体包括钢粉和氮化铬；S2、利用选区激光熔化设备对所述欲成型粉体进行成型。本发明利用选区激光熔化(SLM)成型技术，同时采用加入氮化铬(CrN)的方法，成功制备出了内部具有连通孔隙、孔径较小且可透气的模具钢，具有较好的应用前景。CN201410265403.9提供一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其步骤：(a)将该钛合金薄壁蜂窝结构模型按20～30μm层厚切片分层；(b)将该钛合金粉末均匀地铺设在钛合金基板上，激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，完成一层钛合金薄壁蜂窝结构加工；(c)在形成的一层钛合金薄壁蜂窝结构上再次铺设钛合金粉末，激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化；(d)逐层加工钛合金薄壁蜂窝结构，最终形成钛合金薄壁蜂窝结构。本发明方法减小成形过程中的应力累积及成形件的变形，柔性化程度高，能够制备变蜂窝距甚至具有三维点阵结构的薄壁蜂窝结构件。CN201320215534.7涉及按键模具技术领域，特别涉及一种用于柱状实心塑料按键的镶拼结构模具，其结构包括凹模和凸模，所述凹模开设有与柱状实心塑料按键形状相应的模腔，所述模腔包括直柱部分和圆弧倒角部分，所述凸模开设有注塑口，所述模腔与所述注塑口连通，所述凹模包括镶件和底板件，所述镶件与所述底板件间留有用于排气的缝隙，所述直柱部分设于所述镶件，所述圆弧倒角部分设于所述底板件；本发明提供一种在注塑成型过程中模腔底部不会形成困气的用于柱状实心塑料按键的镶拼结构模具。

但现有技术中，注塑模具合模注射热熔性塑料时，部分复杂零件型腔内部气体可能不容易排出，热熔状的塑料在型腔内流动挤压压缩型腔内的空气，形成“困气”现象，影响产品的成形，甚至减少模具使用寿命。传统工艺的解决方法是改变产品及模具设计或在困气区域设加透气镶件，前者延长了工作周期，而后者成本昂贵，并且致使模具更加复杂，增加水路的布局难度，影响模具散热效率。

模内装饰技术将已印刷好图案的嵌片放入金属模具内，在注塑过程的同时完成产品装饰的工艺。注塑过程中，嵌片的固定是重要的一环，嵌片滑落或者位置不稳定都将导致产品出现缺陷。现有的技术主要有油缸滑块斜推固定、弹针固定以及静电吸附，具有结构设计复杂、加工周期长且成本高等缺点。

封闭盒装产品脱模时，往往塑件与型芯间容易出现真空吸附，导致脱模困难甚至无法脱模。现有的解决办法是设置进气口、优化注射参数以及工艺，加工周期延长且成本增高。

发明内容

有鉴于此，本发明针对以上问题，提出一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法，使以上问题得到解决。

本发明利用选区激光熔化成形透气模具零件以及附有点阵多孔结构的模具零件设计相结合的方法，创新性地提出了一种基于选区激光熔化技术的致密-疏松一体化的零件成形方法，并利用反馈系统调控成型精度。

一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法，具体步骤如下：

步骤一，根据致密-疏松一体化零件的具体应用以及产品具体特征和成型工艺的前提下，合理地选择零件部位并对其进行多孔结构设计；

步骤二，在具有多孔结构的模具零件或相配合的镶件及模板上，设计点阵结构，作为排气及支撑结构；

步骤三，将制作的三维模型保存完STL格式，并导入切片软件中，将多孔结构零件部分与非多孔结构零件部分分开进行切片处理，设置层厚及扫描路径；将程序文件导入SLM设备并对两部分分别赋予不同参数；

步骤四，设置参数；对非多孔结构的零件部分赋予成形性能良好的工艺参数，成形致密结构。对多孔结构的零件部分赋予成形致密度较低的工艺参数，成形疏松结构；

步骤五，打印准备；安放金属粉末及金属基板，抽真空并通入惰性保护气体，预热基板准备打印；

步骤六，开始打印；工作平台下降一个铺粉厚度，供粉腔上升，利用刮刀在成形基板上铺粉，激光扫描成形；

步骤七，热成像仪进行温度信息采集，将采集的温度数据传递到PC控制中心，分析由于参数不同而产生的热应力是否会导致成形试样产生较大的变形，并且根据分析结果动态调整参数；

步骤八，表面形貌扫描装置对成形表面进行扫描表征，采集的数据传递到PC控制中心进行计算成像，并根据切片模型进行信息比对，了解实际成形的情况，根据分析结果动态调整参数；

步骤九，激光扫描完毕，工作台下降一个铺粉厚度，供粉腔上升，继续铺粉，进行激光扫描成形；

步骤十，重复步骤六至步骤九，直至零件成形完毕，停止设备；

步骤十一，待成型样品冷却至室温取出，利用线切割工艺将成形样品从成形基板上分离；

步骤十二，对成形样品进行热处理。

优选的，步骤一中，所述模具零件材质为不锈钢或马氏体时效钢；

优选的，步骤一中，多孔结构的设计需根据模具零件材料和形状、产品材料和形状、注塑工艺参数以及SLM技术和设备参数等方面设计调整结构单元的尺寸，以得到能够完全满足使用需求的设计，避免影响产品质量；

优选的，步骤一中，多孔结构的设计及优化，在满足使用强度和不出现较大缺陷的前提下，要尽可能提高结构的孔隙率；

进一步的，步骤二中，点阵结构的设计需建立数学模型，如图3所示，并对点阵结构的静态力学分析。力学分析主要内容如下：

假设结构具有连续均匀性；假设结构只有细长梁；假设点阵结构在载荷作用下，仅发生小的弯曲变形，而对剪切变形是为完全刚性的；

BCC主要变形为弯曲变形，根据Euler-Bernoulli梁理论，得知

EIw＝M，

其中F₁是作用在杆AB上的力，l是杆AB长度，联立并两段同时积分可得

其中E_s是材料的弹性模量，I是杆AB的惯性矩，w是杆AB的挠度。杆的固定端转角和挠度都为零，故C₁和C₂均为零，原式为：

求垂直方向发生的变形位移h，

设计杆为圆柱体，则

带入上式，

则应变其中

单元结构边长L＝2lcosθ，则

BCC各向同性，故上式即为BCC弹性模量公式，其中

故

BCC结构相对密度

联立上式：

E＝0.092E_sρ²

杆AB两段的最大弯矩M_max即杆边缘屈服的弯矩，即

得出

联立相对密度公式得，

σ＝0.148σ_sρ^1.5。

根据BCC静态力学分析结果可知，点阵结构的弹性模量、屈服强度仅与成形材料以及结构杆的长径比有关。

优选的，步骤二中，点阵结构的设计之后，利用有限元分析软件进行静力态仿真分析，根据分析结果调整结构尺寸；

优选的，步骤四中，多孔结构的零件部分更改的工艺参数，需要通过合理地改变激光能量输入密度和参数，从而降低零件的致密度，使这部分具有适当的透气性；于此同时要保证结构材料的力学性能，不能影响零件成形和最终产品质量；

优选的，步骤七中，利用有限元分析软件进行温度场、热应力及热应力引起的形变的分析，若热度梯度较大从而可能出现较大的形变，应尽量减小两部分的激光能量输入密度之差；

优选的，步骤八中，表面形貌扫描设备可选择激光扫描成像装置、电子扫描成像装置或光学成像装置的一种或多种的组合；

优选的，步骤八中，分析结果若成形的实际尺寸与模型的理论尺寸偏差较大，应结合步骤七分析原因，调整参数；保证成形的孔隙尺寸和成形零件的尺寸及力学性能满足使用需求；

优选的，所述多孔结构、点阵结构及致密零件结构均为一体成形。

本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1)本发明通过对模具零件部分区域进行点阵多孔结构设计，并基于选区激光熔化技术成形，控制工艺参数合理地降低多孔结构区域的致密度，增加成形件的透气性，既能保证模具零件的结构强度以及产品的成形，又能解决复杂模具零件在工作中排气困难的问题；

2)本发明通过对模具零件部分区域进行点阵多孔结构设计，并基于选区激光熔化技术成形，控制工艺参数合理地降低多孔结构区域的致密度，增加成形件的透气性，可以解决模具零件对透气钢镶件的刚性需求，避免因安装透气钢镶件而致使模具更加复杂难以布局水路以及成本昂贵等问题；

3)本发明通过对模具零件部分区域进行点阵多孔结构设计，并基于选区激光熔化技术成形，控制工艺参数合理地降低多孔结构区域的致密度，增加成形件的透气性，可以更好地解决模具嵌片注塑时嵌片易滑落或不稳定的问题。

4)本发明通过对模具零件部分区域进行点阵多孔结构设计，并基于选区激光熔化技术成形，控制工艺参数合理地降低多孔结构区域的致密度，增加成形件的透气性，可以更好地解决产品脱模时出现真空吸附的现象。

5)本发明利用选区激光熔化技术，可以有效解决传统工艺对复杂模具零件成形难度高的问题，从而节省人力物力，缩短加工周期；

6)本发明将选区激光熔化成形技术与点阵多孔结构模具零件设计相结合，在技术上具有较好的创新性和应用价值。

附图说明

图1是附有点阵多孔结构的模具零件基于选区激光熔化技术成形的工艺流程图。

图2是多孔结构和点阵结构的示意图。

图3是BCC点阵结构的数学模型示意图。

图4是实施例一中的产品及模具的分析报告。(a)为产品模流分析的充填时间报告截图； (b)为因困气产生缺陷的实际产品；(c)为实施例一中成形的模具零件的三维模型截图；(d) 为(c)中带有点阵结构和多孔结构的二维局部剖视图；

图5是实施例一中多孔结构的单元结构。

图6是实施例一中的体心立方结构示意图。

图7是实施例一中的激光扫描成像设备的结构组成。

图8是实施例二中型芯上点阵多孔结构的示意图。

图9是实施例三中注塑零件的示意图。(a)模内装饰注塑过程中嵌片滑落的示意图；(b) 为点阵多孔结构吸附嵌片的示意图；

图10是实施例三中多孔结构的单元结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“背面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。这类术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-10所示，本发明的一种选区激光熔化成形致密-疏松一体化模具零件的方法有三个应用上的实施例：

应用实施例一：

本实施例是本发明在注塑产品注射过程中的应用，可以更好地解决注塑模具零件在工作中排气困难的问题，即一种解决注塑模具零件在工作中透气的方法，具体步骤如下：

步骤一，确定产品的注塑工艺，对产品进行模流分析。图四(a)是某产品的模具零件的模流分析报告截图，在示意处出现困气现象；

步骤二，在模具零件困气部位，设计多孔结构。选择产品材料为ABS，溢边值为0.03mm，注塑压力30MPa，SLM激光光斑直径为0.05mm。选择单元结构为边长为1mm的正方体结构，单元结构孔形选择边长为0.03mm的正方形，孔隙节点间距为0.07mm；

步骤三，在具有多孔结构的模具零件及相配合的模板上，设计点阵结构。选择体心立方结构BCC，选区激光熔化技术成形尺寸一般为1～8mm。选择材料马氏体时效钢，弹性模量 180GPa，SLM成形件的屈服强度为900MPa，，设计BCC单元结构杆的长径比为4，则

ρ＝0.255，计算得出，E＝1076.8MPa，σ＝17.15MPa。选择单元结构边长L为8mm，杆径d为

杆长l为

步骤四，将制作的三维模型保存完STL格式，并导入切片软件中，将多孔结构零件部分与非多孔结构零件部分分开进行切片处理，设置扫描路径，设置层厚为0.03mm。将程序文件导入SLM设备并对两部分分别赋予不同参数；

步骤五，设置参数。对非多孔结构的零件部分赋予成形性能良好的工艺参数，其中参数包括：激光功率260W、扫描速度1000mm/s、扫描间距0.1mm、扫描策略S形正交扫描；改变扫描策略、增大扫描速度和扫描间距，适当降低激光能量输入密度，并将参数赋予多孔结构的零件部分，目的是通过成型工艺适当降低结构致密度以提高透气性。其中参数包括：激光功率260W、扫描速度1800mm/s、扫描间距0.15mm、扫描测量XY扫描；

步骤六，打印准备。选择粉末粒度分布范围为15～53μm的18Ni300马氏体时效钢金属粉末作为成形材料，将金属粉末备入SLM设备供粉腔内，安装材质为P20模具钢、厚度为20mm 的金属基板，将其预热到150～200℃，关闭工作仓，抽真空并充入浓度为99.9％的高纯氩气；

步骤七，开始打印。工作平台下降一个铺粉厚度，供粉腔上升，其中，供粉腔上升高度与工作台下降高度比为4：1。利用橡胶刮刀在成形基板上铺粉，激光扫描成形；

步骤八，利用红外热成像仪进行温度信息采集，将采集的温度数据传递到PC控制中心，利用有限元软件分析由于参数不同而产生的热应力是否会导致成形试样产生较大的变形，并且根据分析结果动态调整参数，热度梯度较大时，会放置冷却一段时间并适当提高多孔部分的激光能量输入密度；

步骤九，选择激光扫描成像设备对成形表面进行扫描，通过接收器采集的数据，传递到 PC控制中心进行计算成像，并根据切片模型进行成形尺寸形状比对，根据分析结果动态调整参数。孔隙尺寸出现不符时，及时停下设备，根据温度场的反馈结果分析原因、调整参数。激光扫描成像工作速度较慢，因此选择每成形5层进行一次表面形貌成像；

步骤十，激光扫描完毕，工作台下降一个铺粉厚度，供粉腔上升，继续铺粉，进行激光扫描成形；

步骤十一，重复步骤七和步骤十，零件成形完毕，停止设备；

步骤十二，待成型样品冷却至室温取出，利用线切割工艺将成形样品从成形基板上分离；

步骤十三，对成形样品进行热处理，其中热处理为850℃固溶+480℃×5h时效热处理。

作为本发明一个优选的实施例，在步骤二中，产品材料为ABS、PS、PP、PE等塑料，溢边值为0.015～0.03mm，注塑压力30～100MPa，SLM激光光斑直径为0.05～0.1mm；选择单元结构为边长为1～8mm的正方体结构，单元结构孔形选择边长为0.015～0.03mm的正方形或圆形；

作为本发明一个优选的实施例，在步骤三中，选择材料马氏体时效钢，选择体心立方结构BCC，选区激光熔化技术成形点阵结构的单元尺寸一般为1～8mm，设计的BCC单元结构杆长径比范围为4～10，则

选择单元结构边长L范围为1～8mm；

作为本发明一个优选的实施例，在步骤四中，设置层厚为0.03～0.05mm；

作为本发明一个优选的实施例，在步骤五中，激光功率220～280W、扫描速度 1000～1500mm/s、扫描间距0.07～0.12mm、激光功率180～220W、扫描速度1500～1800mm/s、扫描间距0.12～0.15mm；

作为本发明一个优选的实施例，在步骤六中，安装金属基板；

作为本发明一个优选的实施例，步骤四及步骤五中，为保证结构强度，不改变多孔结构成形部分的SLM工艺参数。

应用实施例二：

本实施例是本发明在注塑产品脱模方面的应用，可以更好地解决注塑产品脱模时出现真空吸附的现象。

如图9所示，作为本发明一个优选的实施例，在型芯上选择合适部位设计多孔结构，单元结构尺寸参数同实施例一；

作为本发明一个优选的实施例，在型芯及配合模板上设计点阵结构，与多孔结构相连，保证进气通畅，多孔结构和点阵结构的单元结构尺寸参数同实施例一；

作为本发明一个优选的实施例，必要时在点阵结构之外设置吹气装置并与点阵结构相连；

作为本发明一个优选的实施例，其余步骤均与实施例一相同。

应用实施例三：

本实施例是本发明在注塑产品模内装饰工艺方面的应用，可以更好地解决模内装饰注塑时嵌片易滑落或不稳定的问题。

作为本发明一个优选的实施例，在零件上选择对称的多个部位进行多孔结构设计；

进一步的，所述对称的多个部位为四个。

如图10所示，作为本发明一个优选的实施例，多孔结构的设计与其力学性能以及对嵌片吸附力有关系，无需考虑材料溢流值，故选择多孔结构结构单元边长L为1mm正方体，孔隙单元直径为0.3mm圆形通孔，孔隙节点距离为1mm；

进一步的，多孔结构结构单元边长L为1-8mm正方体；孔隙单元直径为0.3L圆形通孔，孔隙节点距离为1L；点阵结构的单元结构尺寸参数同实施例一；

作为本发明一个优选的实施例，必要时在点阵结构之外设置吸气装置并与点阵结构相连，调整吸气压力，避免影响产品注塑；

作为本发明一个优选的实施例，为保证结构强度，不改变多孔结构成形部分的SLM工艺参数；

作为本发明一个优选的实施例，其余步骤均与实施例一相同。

作为本发明一个优选的实施例，实施例一，二，三中，所述点阵多孔结构与致密结构均为一体成形；即所述多孔结构,点阵结构,还有零件本身的致密结构为一体成形。

以上实施方案仅用于说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。