一种在线内置功能器件的增材制造方法技术

一种在线内置功能器件的增材制造方法，本发明专利技术基于增材制造技术和在线安装实现具有内置功能器件零件的增材制造。通过规划好需要安放器件的区域，建立三维CAD模型，采用逐层堆积的方式成形出预留空间后，将功能器件放入其中，然后再完成后续成形，最终获得包含内置功能器件的零件。本发明专利技术实现功能器件在线安装，因而简化了传统的后续安装器件方式的零件结构设计，避免了后续安装工序的空间需求，增强了结构紧凑性，减少制造流程和制造周期，同时激光束与材料相互作用时的快速熔化和凝固过程，可以获得细小、均匀、致密的组织，消除成分偏析的不利影响，从而提高材料的力学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及装备制造、机械制造、材料成形领域，尤其是一种在线内置功能器件的增材制造方法。
技术介绍
增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓。增材制造的概念是以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等。增材制造技术的原理是：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在计算机的控制下，采用同步粉末或丝材送进、铺粉等高能束沉积、熔融沉积等方法，按照二维轮廓信息逐层堆积，最终形成三维实体零件。所谓高能束包括等离子束、电子束、激光束等。功能器件是现代智能设备运行的基础，如用传感器将非电量信号转换成电量信号，从而对原始信息进行精确可靠地捕获和转换。然而，为了实现功能器件的安装，通常会增加结构的体积。目前很多传感器或功能部件都是在构件制造结束后再行安装的。由于安装工序的需求，许多零部件结构都会考虑预留空间的设计，这势必会增加了整体结构的体积，降低结构的紧凑性，不利于系统结构设计的小型化。随着我国工业的发展，器件小型化功能集成化已是趋势所在，然而由于制造技术的限制，为这一目标的实现增加了难度。因此，迫切需要新的设计思路和制造方法解决这一问题。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的结构的紧凑性差，整体结构体积较大的不足，本专利技术提出了一种在线内置功能器件的增材制造方法。本专利技术的具体过程是：步骤1，材料的预处理。所述的材料预处理包括对合金粉末的烘干和对基板的表面处理。步骤2，加工室中充入保护气。给加工室中冲入惰性气体氩气，使工作室中的气氛氧含量低于50ppm。步骤3，输入零件CAD模型程序。步骤4，调整堆积成形工艺参数。所述的成形工艺参数包括激光器功率、光斑直径、扫描速度、送粉量和搭接率。当所采用的成形材料为粉末时，激光器功率为2300W，光斑直径为2mm，扫描速度为15mm/s，送粉量13g/min，搭接率为40％。当所采用的成形材料为丝材时，所述的激光器功率为1200W，光斑直径为3.8mm，扫描速度为10mm/s，送丝速度为15mm/s，丝的倾角为25°，搭接率为40％。步骤5，堆积零件的基础部分。根据设定的堆积成形工艺参数通过逐层堆积的方式实施零件基础部分的堆积；堆积中：当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔池交互作用。在堆积成形零件基础部分第一层时，首先在基板上堆积出零件基础部分的底层外形轮廓；在所述堆积出的零件基础部分的底层外形轮廓内填充堆积零件的底层，在填充时，激光束沿45°方向往复扫描，直至完成所述零件基础部分底层的堆积；堆积零件基础部分第二层。堆积时，首先堆积出零件基础部分的第二层外形轮廓。调整激光的扫描方向，开始填充零件基础部分第二层。所述的激光扫描方向是垂直于填充堆积前一层时的扫描方向。重复上述堆积出零件基础部分零件的外形轮廓――调整激光扫描方向――填充堆积的过程，直至将零件堆积至设计的有预留空间的高度，完成了零件基础部分的堆积。步骤6，堆积有预留空间部分。所述的预留空间是为安放功能器件所预留的空间。在完成了零件基础部分的堆积后，根据设定的参数通过逐层堆积的方式实施预留空间部分的堆积；当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔池交互作用；在堆积成形预留空间部分第一层时，首先堆积出零件预留空间部分的第一层外形轮廓；在所述堆积出的零件预留空间的第一层外形轮廓内填充堆积零件预留空间部分的第一层，在填充时，激光束沿45°方向往复扫描，直至完成所述零件预留空间部分的第一层的堆积。在到达图中所示预留空间的位置时，停止送粉或送丝，并关闭激光；当激光头通过预留空间后，开始送粉或送丝，并打开激光。堆积零件预留空间部分第二层。堆积时，首先堆积出零件预留空间部分的第二层外形轮廓。调整激光的扫描方向，开始填充零件预留空间部分的第二层。所述的激光扫描方向是垂直于填充堆积前一层时的扫描方向。在所述堆积出的零件预留空间部分的第二层外形轮廓内填充堆积零件预留空间部分第二层。在到达所示预留空间的位置时，停止送粉或送丝，并关闭激光；当激光头通过预留空间后，开始送粉或送丝，并打开激光。重复上述堆积出零件预留空间部分零件的外形轮廓――调整激光扫描方向――填充堆积的过程――留出预留空间的过程，直至将零件堆积至设计的有预留空间的高度，完成了零件预留空间部分的堆积。步骤7，安放功能器件。本实施例中所述的功能器件是传感器。在完成所述预留空间的堆积成形后，按设计要求将功能器件安放到预留空间中。步骤8，零件的最终堆积成形。根据设定的参数通过逐层堆积的方式实施零件的最终堆积成形。堆积中：当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔池交互作用。所述堆积成形中，所堆积的各层填充线之间均成45°夹角。首先堆积出零件最终堆积成形的第一层外形轮廓；在所述堆积出的零件最终堆积成形的外形轮廓内填充堆积零件的第一层，在填充时，激光束沿45°方向往复扫描，直至完成所述零件最终堆积成形的第一层的堆积。堆积最终成形的零件的第二层，首先堆积出零件最终成形的第二层外形轮廓。调整激光束的扫描方向，开始填充最终成形零件的第二层。所述的激光扫描方向是垂直于填充堆积前一层时的扫描方向。在所述堆积出的第二层外形轮廓内填充堆积零件最终堆积部分的第二层。重复上述堆积出零件最终堆积成形的外形轮廓――调整激光扫描方向――填充堆积的过程，直至完成零件的最终堆积成形。实现内置功能器件结构的一次整体制造。至此，完成在线内置功能器件的增材制造。在封闭预留空间时，若功能器件为易损器件，在该功能器件表面放置基板，并在该基板上堆积成形，直至封闭预留空间。本专利技术基于增材制造技术。由于增材成形技术采用逐层堆积来实现工程结构的三维打印，对零件的形状和复杂性几乎没有要求，因此，在产品设计之初就将需要安放器件的区域规划好，建立三维CAD模型，在零部件成形到预留空间，且未闭合时，将功能器件放入，然后继续成形过程。在实现功能器件在线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在线内置功能器件的增材制造方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，材料的预处理：所述的材料预处理是对基板的表面处理；步骤2，充入保护气：给加工室中冲入惰性气体氩气，使工作室中的气氛氧含量低于50ppm；步骤3，输入零件CAD模型程序；步骤4，调整堆积成形的工艺参数：所述的成形工艺参数包括激光器功率、光斑直径、扫描速度、送粉量或送丝速度和搭接率；当所采用的成形材料为粉末时，激光器功率为2300W，光斑直径为2mm，扫描速度为15mm/s，送粉量13g/min，搭接率为40％；当所采用的成形材料为丝材时，所述的激光器功率为1200W，光斑直径为3.8mm，扫描速度为10mm/s，送丝速度为15mm/s，丝的倾角为25°，搭接率为40％；步骤5，堆积零件的基础部分：根据设定的堆积成形工艺参数通过逐层堆积的方式实施零件基础部分的堆积；堆积中：当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔池交互作用；步骤6，堆积有预留空间部分；在完成了零件基础部分的堆积后，根据设定的参数通过逐层堆积的方式实施预留空间部分的堆积；当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔池交互作用；步骤7，安放功能器件；在完成所述预留空间的堆积成形后，激光器停止运行，按设计要求将功能器件安放到预留空间中；步骤8，零件的最终堆积成形；根据设定的参数通过逐层堆积的方式实施零件的最终堆积成形；堆积中：当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔池交互作用；所述堆积成形中，所堆积的各层填充线之间均成45°夹角；至此，完成在线内置功能器件的增材制造。...

【技术特征摘要】
1.一种在线内置功能器件的增材制造方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，材料的预处理：所述的材料预处理是对基板的表面处理；
步骤2，充入保护气：给加工室中冲入惰性气体氩气，使工作室中的气氛氧含量低
于50ppm；
步骤3，输入零件CAD模型程序；
步骤4，调整堆积成形的工艺参数：所述的成形工艺参数包括激光器功率、光斑直
径、扫描速度、送粉量或送丝速度和搭接率；
当所采用的成形材料为粉末时，激光器功率为2300W，光斑直径为2mm，扫描速度
为15mm/s，送粉量13g/min，搭接率为40％；
当所采用的成形材料为丝材时，所述的激光器功率为1200W，光斑直径为3.8mm，扫描
速度为10mm/s，送丝速度为15mm/s，丝的倾角为25°，搭接率为40％；
步骤5，堆积零件的基础部分：根据设定的堆积成形工艺参数通过逐层堆积的方式
实施零件基础部分的堆积；堆积中：当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与
激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔
池交互作用；
步骤6，堆积有预留空间部分；在完成了零件基础部分的堆积后，根据设定的参数
通过逐层堆积的方式实施预留空间部分的堆积；当所采用的成形材料为粉末时，粉末
同步送进与激光束和熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与
激光束和熔池交互作用；
步骤7，安放功能器件；在完成所述预留空间的堆积成形后，激光器停止运行，按
设计要求将功能器件安放到预留空间中；
步骤8，零件的最终堆积成形；根据设定的参数通过逐层堆积的方式实施零件的最
终堆积成形；堆积中：当所采用的成形材料为粉末时，粉末同步送进与激光束和
熔池交互作用；当所采用的成形材料为丝材时，丝材同步送进与激光束和熔池交
互作用；
所述堆积成形中，所堆积的各层填充线之间均成45°夹角；
至此，完成在线内置功能器件的增材制造。
2.如权利要求1所述在线内置功能器件的增材制造方法，其特征在于，在堆积成形零
件基础部分第一层时，首先在基板上堆积出零件基础部分的底层外形轮廓；在所述堆积出

\t的零件基础部分的底层外形轮廓内填充堆积零件的底层，在填充时，激光束沿45°方向
往复扫描，直至完成所述零件基础部分底层的堆积；堆积零件基础部分第二层；堆积时，
首先堆积出零件基础部分的第二层外形轮廓；调整激光的扫描方向，开始填充零件基础部
分第二层；所述的激光扫描方向是垂直于填充堆积前一层时的扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭华，胡广，陈静，林鑫，黄卫东，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61