[发明专利]一种结合激光清洗的三维打印方法

说明书

本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及一种结合激光清洗的三维打印方法，属于增材制造技术领域。本发明可以在不使用任何保护气体的前提下直接在大气环境中打印出高强度金属零件，可以省去惰性保护气体的成本；由于可以在开放的大气环境中打印，可以打印大型金属部件，可以一体化制造传统技术难以制造的一体化高强度大型金属构件，具有重大社会价值；由于可以在开放的大气环境中打印，有利于降低三维打印设备的制造难度，具有灵活地与其它生产线整合的优点，有利于三维打印技术的普及，还具有良好的用户友好性。本发明的有益效果显著，具有实质性进步。

技术领域

本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及一种结合激光清洗的三维打印方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

三维打印技术最早起源于美国。现在常见的主流三维打印技术，例如立体光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、熔融沉积制造(Fused DepositionModeling，FDM)、选择性激光烧结(Selecting Laser Sintering，SLS)、三维粉末粘接(Three Dimensional Printing and Gluing，3DP)，于20世纪八九十年代在美国和欧洲实现商业化。在以金属为打印原料的金属三维打印技术中，常见的有选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、激光近成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)、电子束熔化(Electron Beam Melting,EBM)、金属丝电弧熔化成型(Wire and ArcAdditive Manufacture,WAAM)，都需要在三维成型过程中将固态的金属原料熔化，并且同时需要对打印体(打印体是由熔融原料在沉积后冷却形成)的正在沉积熔融金属原料的区域加热熔化，以使打印体与熔融原料之间通过熔融的方式结合在一起。这些常见的金属三维打印技术在三维成型过程中都需要保护气氛或者真空隔离空气，保护熔融原料和熔池等高温部位，以避免高温条件下生成的金属氧化物或金属氮化物影响三维成型及影响材料性能。例如，在打印钛合金时一般使用氩气或真空保护。隔离空气的方式有多种，例如：使用密闭的箱体将三维打印的成型环境包裹起来并在箱体内建立高纯度氩气氛围或者将箱体内空间抽成高真空环境，但这类使用箱体隔离的方式存在成型空间小(能打印的零件较小)、使用成本高等局限性；又如：不使用密闭的箱体，在开放的环境下打印，但在打印过程中需要往正在沉积熔融金属原料的区域喷射保护气体，保护气体将熔融金属原料和熔池周围区域内的空气排除或吹走，但这类喷射保护气体的方式也存在气体消耗量大的问题，尤其是在打印大型金属部件的时候消耗的气体量巨大、气体成本高昂，并且通过喷射保护气体的方式也无法彻底保护高温部位不被氧化，因为高温金属冷却至不发生氧化的温度是需要时间的，喷射保护气体的喷嘴始终跟随当前沉积熔融金属原料的区域的移动而移动，喷射的保护气体只能保护熔融金属原料和熔池，无法覆盖已经完成沉积的熔融金属原料但尚未冷却的区域，况且喷射保护气体这种方式是无法将熔融金属原料和熔池周围区域内的空气彻底排除掉的，只是将空气浓度降低到不导致显著氧化的程度并且浓度是不稳定的。通过喷射保护气体以在熔融金属原料和熔池周围区域内建立小型动态保护气氛，在金属丝电弧熔化成型和金属丝激光熔化成型等金属三维打印技术中常用，也在钨极惰性气体保护电弧焊(Tungsten Inert Gas Arc Welding,TIG)中使用，例如常见的氩弧焊。

因此，如何克服上述采用箱体隔离空气的方式和采用喷射保护气体的方式进行三维打印存在的缺陷，是目前三维打印技术领域亟待解决的技术问题。

发明内容

发明人经过实践发现：在三维打印过程中，如果将熔融金属原料的即将与熔池发生融合的表层清除，以及将熔池的即将与熔融金属原料融合的表层清除，是可以在不使用任何保护气体的前提下直接在大气环境中打印出较高强度金属零件的。发明人进一步研究发现，采用激光清洗技术能够可靠且有效地将熔融金属原料的即将与熔池发生融合的表层清除，也能够可靠且有效地将熔池的即将与熔融金属原料融合的表层清除。所述的激光清洗(Laser ablation)也叫激光烧蚀或光烧蚀，是通过用激光束照射以将固体(或有时为液体)表面材料去除的过程，表面材料被所吸收的激光能量加热并蒸发或升华。