[发明专利]用于增材制造的零件尺寸校准方法

说明书

本发明涉及一种用于增材制造的零件尺寸校准方法，用于改善因零件长度较长并由热胀冷缩引起的形位精度不足以及因激光光斑熔池大小而引起的壁厚不符合要求的问题。包括以下步骤：创建零件的校准模型；打印上述校准模型并进行所需的后处理；测量所打印的校准模型的相应尺寸并进行计算；根据上述计算的结果进行校准；重新打印校准后的校准模型并进行测量，验证关键尺寸是否符合要求。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体地涉及一种用于选区激光熔化增材制造的零件尺寸校准的模型和方法。

背景技术

选区激光熔化增材制造技术是增材制造领域的重要部分，其基本原理是由计算机设计出零件的三维实体模型，然后通过专用的软件对三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将这些数据输入导入选区激光熔化设备，设备按照这些轮廓数据，控制激光束选择性地熔化各层的金属粉末，逐步堆叠成三维金属零件。由于采用精细聚焦光斑快速熔化300～500目的预置粉末材料，因此可以获得很高的尺寸精度和表面粗糙度，其中尺寸精度可达20～50微米，表面粗糙度可达20～30微米。并且几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件，致密度可达到接近100％。

选区激光熔化增材制造技术是一种极具发展前景的快速成型技术，应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。与铸锻造方法相比，这种技术不需要模具，在小型定制化零部件的制备上，具有生产周期短、成本低、加工精度高等优势，因此非常适合于小型定制化零部件的生产。

牙冠(dental crown)是小型定制化零部件的一个例子。牙冠又名牙套，用于修复牙齿，当牙齿损坏后且难于通过补牙的方式修复时，可用不同的材料制成人造牙冠，套在改小了的天然牙冠上，达到修补牙齿的目的。附图的图1(a)是人的全口牙齿的示意图，图1(b)是3D打印出的牙冠的示意图。从图中可以看出，齿科牙冠明显具有小型化和定制化的特性，因此，选区激光熔化技术非常适合用于制备齿科牙冠。经过几年的发展，目前选区激光熔化技术制备钴铬钼材质的齿科牙冠已趋于成熟稳定，并形成了从原材料、建模软件、加工设备、制备工艺到后处理的完整产业链。

采用选区激光熔化技术制造定制牙冠虽然具有生产周期短、成本低、加工精度高等优势，但是也存在一些问题，主要是形位精度和牙冠壁厚达不到使用要求。其中，关于形位精度方面，当小于5颗牙冠相连接制造时，成形的形位精度较好，当5-7颗牙冠相连接制造时，成形的形位精度就会变差，而当7颗以上相连接的牙冠制造时，形位精度基本就没有保证。主要原因是由于选区激光熔化技术属于热成形方法，由于金属材料存在热胀冷缩现象，因此选区激光熔化增材制造过程中，粉末由激光加热熔化成液态而后凝固并冷却下来，必然存在一定的收缩行为，而在制备牙冠时，相连接的牙冠数量越多收缩就会越明显，收缩会导致牙冠尺寸不足而影响安装使用。另外，关于牙冠壁厚方面，齿科上要求金属牙冠壁厚需控制在一定范围内，一般要求金属牙冠的壁厚在0.5mm左右。采用选区激光熔化技术制造牙冠，当模型的厚度一定时，制备出的牙冠壁厚受收缩率的影响较小，主要受制造过程中熔池大小的影响，而熔池大小与激光光斑直径和使用的粉末以及工艺参数有直接关系。

图2(a)是表示激光光斑201与熔池202的示意图。目前市面上比较常见的选区激光熔化制造设备其光斑直径都在百微米级别，激光光斑需要与零件轮廓有合适的偏移量(称为光斑补偿，简称BO)，否则激光烧结时就会因为熔池大小的缘故而使牙冠壁厚偏大或偏小，这样都会影响最终的使用效果。图2(b)是激光没有光斑补偿时沿零件模型的轮廓扫描烧结的示意图，其中，203表示零件模型的轮廓，204表示实际激光烧结成形的零件轮廓。从图2(b)可看出，在没有光斑补偿的情况下，激光沿着模型轮廓扫描烧结，最终会使零件的外形变大。图2(c)是激光有光斑补偿时沿零件模型的轮廓扫描烧结的示意图，其中，203表示零件模型的轮廓，205表示激光扫描的路径，206表示激光光斑补偿。从图2(c)可看出，只有设置合适的光斑补偿，激光扫描烧结成的零件才能与模型吻合。因此，上述的形位精度和牙冠壁厚这两方面的问题制约了选区激光熔化技术在7颗以上乃至14颗全口牙冠上的制造与应用。