[發明專利]一種具有仿生表面結構的金屬3D打印制備方法

有效

• 申請號: 201610552467.6
• 申請日: 2016-07-14
• 公開（公告）號: CN105935772B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 顧德陽
• 申請（專利權）人: 四川天塬增材制造材料有限公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00
• 代理公司: 北京東方昭陽知識產權代理事務所(普通合伙)11599
• 代理人: 陳世明

技術領域

本發明涉及一種金屬增材制造技術領域，尤其涉及一種具有仿生表面結構的金屬3D打印制備方法。

背景技術

機械零件的磨損失效是其損壞的主要形式，而根據摩擦學的觀點，零件的表面通常都要分布著高低不同的微凸體，機加工或者精加工的表面，其微凸體的形狀、大小以及密布的情況是各不相同的。而仿生學表明，動物的體表其實是具有表面結構的。例如，動物正因為其具有足墊結構，在其行走甚至狂奔時，一方面可以耐磨減摩，跑起來非常輕捷靈活，另一方面，它們又有腳下不打滑，保持身體平衡的本領，即具有增阻的本領。又如，蚯蚓表皮具有網紋狀的多孔結構，同時還不斷分泌體液作為潤滑劑。這樣，它在打地洞時，不僅可以達到正常的液體潤滑，而且可以使得表皮耐磨減摩。因此，仿生表面的制造具有很大的意義。目前，產生仿生耐磨減摩增阻表面結構有許多新方法，例如：對成形件進行化學處理(例如酸處理)，腐蝕產生凹凸形仿生非光滑表面；制作聚甲基丙烯酸甲酯負向模板結構，獲得厚度為1-4mm的薄膜仿生微納結構表面等方法。但是，這些方法獲得的仿生表面，規則性和可重復性非常差，從而影響了其耐磨減摩增阻的效果，金屬增材制造技術可以直接制造出具有仿生表面結構的機械零件。此種表面可以達到耐磨、減摩、增阻的效果。本發明就是基于此而提出的。

發明內容

針對現有技術中制備仿生結構表面方法存在的上述不足，本發明的目的在于：提供一種具有仿生結構表面的金屬3D打印制備方法，該方法具有表面的仿生效果好、操作方便、性能可靠，綜合成本低、成形件表面耐磨增阻性能好，能夠滿足使用要求、提高其使用壽命、能夠廣泛被推廣應用等優點。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案實現：

一種具有仿生表面結構的金屬3D打印制備方法，該制備方法包括如下步驟：

1)根據金屬零件耐磨增阻性能的要求，確定仿生表面結構，其中，該仿生表面結構為一種能夠采用激光增材制造成形技術制備的分級結構，具體包括：第一級宏觀結構，其表面變化是機械零件設計時已經確定的；第二級細觀結構，其實通過本發明下述步驟中的激光增材制造即可完成；第三級微觀結構，其具有最小尺度在10-90μm的結構；

2)利用模擬仿真技術，在金屬零件的模擬工況下，比較不同的表面仿生結構的摩擦、磨損與潤滑狀況，從而優選出適宜的表面仿生結構，基于單元模塊的設計準則，采用適宜的表面區設計方法，設計出表面仿生結構，得到這種仿生表面的結構參數，并且通過正交試驗與神經網絡模擬實驗方法進行參數優化；

3)采用上述方法獲得的仿生表面結構，是一種三維結構，利用CAD軟件構建仿生表面結構的三維數模，其中，在X、Y、Z軸三維坐標系中，垂直于仿生表面結構的Z軸方向數模的精度要高于X、Y軸方向的數模，由于利用CAD軟件構建的三維數模的上述Z軸方向數模的精度與一般的實體零件的三維數模在精度上是不匹配的，因而需校核上述Z軸方向數模的精度是否達到設計精度；

4)利用與步驟3)相同的CAD軟件，將成形件原來的三維數模與仿生表面的三維數模進行合成，驗證兩個數模確實達到了無縫連接之后，獲得合成的三維模型STL文件，在3D打印設備的工控機上對所述STL文件的三維數模進行切片分層處理，層厚為0.3-3mm；

5)將切片分層處理數據導入工控機，控制3D打印機的噴頭在X、Y、Z三軸上運動，運動軌跡與每個切片分層圖形一致；選用粒徑為10-50微米的金屬粉末放置在100-200℃的烘干箱中進行烘干1-1.5小時處理；將烘干處理后的金屬粉末放置在3D打印機送粉器的粉筒中留作備用，在進行成形件的激光增材制造(包括激光選區熔化和激光選區燒結)時，激光器采用CO₂激光器或者光纖激光器，其中該激光器的具體參數為：功率P＝1000-5000W，光斑直徑D＝2-8mm，掃描速度V＝2-3m/min，搭接率為30-40％，同時置入隨爐標準試件，其中隨爐標準試件具有與成形件表面同樣的仿生表面結構；

6)對于上述步驟5)獲得的具有仿生表面的成形件和隨爐標準試件進行輕度酸洗，酸洗時間為1-3min，根據成形件的金屬種類選擇相配的輕度酸洗用酸洗液；將經過酸洗后的具有仿生表面的成形件進行無損檢測，并與隨爐標準試件的仿生表面進行比較，當兩者的比較結果一致或者在容許誤差范圍內時，進行下述步驟；其中無損檢測包括：典型區域的三維形貌觀測、隨爐標準試件的摩擦、磨損與潤滑實驗；

7)將上述步驟6)處理后的成形件進行后處理獲得最終成形件，其中后處理包括熱處理和/或拋光。