同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法论文和设计-孙中刚

全文摘要

本发明属于增材制造技术领域,提出一种同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法,其步骤为:在基板上,以基板的垂直方向为打印方向,逐层同步打印等高的金属零件和金属支撑,并逐层成型与金属零件等高的砂型,直至打印出完整的金属零件与金属支撑,并成型出完整砂型件,成型后的砂型件和间隔设置在砂型件之间的金属支撑构成支撑结构,所述支撑结构与所述的金属零件内壁贴合。本发明防止了送粉\/送丝打印阶段因无结构支撑导致熔池倒塌,从而导致打印失败的缺陷,同时,本发明避免了多余的机械加工,减少复杂结构金属零件的成型成本,满足了市场需求。

主设计要求

1.一种同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法,其特征在于,包括如下步骤:在基板上,以基板的垂直方向为打印方向,逐层同步打印等高的金属零件和金属支撑,并逐层成型与金属零件等高的砂型,直至打印出完整的金属零件与金属支撑,并成型出完整砂型件,成型后的砂型件和间隔设置在砂型件之间的金属支撑构成支撑结构,所述支撑结构与所述的金属零件内壁贴合。

设计方案

1.一种同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法,其特征在于,包括如下步骤:在基板上,以基板的垂直方向为打印方向,逐层同步打印等高的金属零件和金属支撑,并逐层成型与金属零件等高的砂型,直至打印出完整的金属零件与金属支撑,并成型出完整砂型件,成型后的砂型件和间隔设置在砂型件之间的金属支撑构成支撑结构,所述支撑结构与所述的金属零件内壁贴合。

2.如权利要求1所述的的方法,其特征在于,逐层成型与金属零件等高的砂型通过采用喷射器铺设型砂粉末与金属零件的打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平实现。

3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,型砂粉末为型砂和粘结剂的混合物。

4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,金属零件与金属支撑采用增材制造技术同步送粉打印。

5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,金属零件与金属支撑采用增材制造技术同步送丝打印。

6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,逐层送粉同步打印等高的金属零件和金属支撑,单层打印高度为0.6~0.8mm。

7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,逐层送丝同步打印等高的金属零件和金属支撑,单层打印高度为1~1.5mm。

8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,砂型件材质包括如下任意一种:二氧化硅、氧化铝、氮化硅、石墨,金属零件与金属支撑材质包括如下任意一种:不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金。

9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,砂型件和金属支撑构成的支撑结构中,砂型件的数量不小于1,且每间隔2~10mm设置一个金属支撑,优选间隔4~6mm设置一个金属支撑。

10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括打印结束后,通过溶解剂溶解的方式去除砂型件的步骤和通过机加工的方式去除金属支撑和基板的步骤。

设计说明书

技术领域

本发明涉及增材制造领域,具体而言提出增材制造中送材打印复杂金属零件的方法。

背景技术

3D打印现已用于铸造领域中,常用的技术有:熔融沉积快速成型技术(FDM)、光固化成型技术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)、无模铸型制造技术(PCM)、基于3D打印的直接壳型铸造技术(DSPC)、3D喷墨打印技术(3DP)。并且,3D打印技术在金属铸造领域中的应用目前主要集中在熔模铸造、砂型铸造、修补缺陷等方面。

砂型铸造对设计精度和表面质量要求较高,3D打印结合砂型铸造,所得到的产品精度远高于传统铸模方式。在此,3D打印相对于机械加工相比,成型复杂,成型周期减少,节约铸模成本。砂型铸造的增材制造现一般使用SLS,3DP技术。对此国内外有相关专家学者对增材制造与砂型打印的结合进行了一系列的研究。

Snelling等人(Snelling D,Li Q,Meisel N,et al.Lightweight metalcellular structures fabricated via 3D printing of sand cast molds[J],Adv.Eng.Mater.,2015(17):923-932.)研究了3D打印结合砂模铸造制造轻质蜂窝结构金属材料,成型出具有高比强度,冲击吸收能力,隔热隔音性能的材料;

张磊等人(张磊,武永亮,刘涛,等.3D打印砂芯(型)在铁路铸钢件中的应用研究[J].特种铸造及有色合金,2017,37(10):1071-1074.)采用3D喷墨打印技术和选择性激光烧结技术打印出铁路铸钢件砂样,并使用砂模铸造,得出3DP工艺铸件表面较SLS工艺铸件表面粗糙,但打印速度快且成本较低;

赵开发等人(赵开发,基于SLS覆膜锆砂砂型的钛合金快速铸造工艺研究[J].钛工业进展,2016,33(3):43-44)利用SLS技术直接成形砂型砂芯,此方法制造出的砂型和型芯制造周期短、成型灵活性强、成型稳定性强,并可以提升大型铸件的形状复杂性。

耿佩等人(耿佩.浅析3D打印技术在铸造成形中的应用[J].中国铸造装备与技术,2016(1):8-9.)利用3D打印技术制作拨叉原型,进行砂型铸造造型并进行浇铸,脱模后得到拨叉零件实体。相比传统的砂型铸造的方法,铸件表面质量良好,成本也得到降低。

但同时,激光熔化沉积技术(送粉打印)因激光器光斑直径较大,存在打印精度不够,成型热应力较大,导致成型复杂件能力较差的问题。且电弧增材制造技术(送丝打印)在电弧大热量的作用下熔池同样因没有支撑作用而发生塌陷。

以上研究均只针对了先3D打印砂型成形再进行砂模铸造等方面,但是没有真正在增材制造方面提高激光熔化沉积(送粉打印)和电弧增材制造技术(送丝打印)的复杂零件的成型能力,因此这个问题亟待解决。

发明内容

本发明目的在于提供一种同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法,旨在通过手动成型砂型,送粉\/送丝打印金属零件和支撑结构,打印结束后使用溶解剂溶解砂型,并机械加工去除支撑,最终达到送粉\/送丝打印复杂结构金属零件的目的。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现,从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的,本发明提出一种同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法,包括如下步骤:在基板上,以基板的垂直方向为打印方向,逐层同步打印等高的金属零件和金属支撑,并逐层成型与金属零件等高的砂型,直至打印出完整的金属零件与金属支撑,并成型出完整砂型件,成型后的砂型件和间隔设置在砂型件之间的金属支撑构成支撑结构,所述支撑结构与所述的金属零件内壁贴合。

进一步的,逐层成型与金属零件等高的砂型通过采用喷射器铺设型砂粉末与金属零件的打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平实现。

更进一步的,型砂粉末为型砂和粘结剂的混合物。

进一步的,金属零件与金属支撑采用激光增材制造技术同步送粉打印。

进一步的,金属零件与金属支撑采用电弧增材制造技术同步送丝打印。

进一步的,逐层同步送粉打印等高的金属零件和金属支撑时,单层打印高度为0.6~0.8mm,激光功率为900~1500w,扫描速度为480~720mm\/min,扫描间距为1.7mm。

进一步的,逐层同步送丝打印等高的金属零件和金属支撑时,单层打印高度为1~1.5mm,送丝打印采用CMT焊接技术,送丝速度7.5-8.5m\/min;焊接速度0.006-0.01m\/s;干伸长8mm;气流量25L\/min。

进一步的,砂型件材质包括如下任意一种:二氧化硅、氧化铝、氮化硅、石墨,金属零件与金属支撑材质相同,包括如下任意一种:不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金。

进一步的,砂型件和金属支撑构成的支撑结构中,砂型件的数量不小于1,且每间隔2~10mm设置一个金属支撑,优选间隔4~6mm设置一个金属支撑。

进一步的,打印结束后,砂型件通过溶解剂溶解的方式去除,金属支撑和基板通过机加工的方式去除。

本发明的同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法,其显著的优点在于:使用喷头铺设砂型,送粉\/送丝打印金属零件、金属支撑同步进行,送粉\/送丝打印出复杂结构的金属零件和金属支撑结构,在此打印的过程中,防止送粉\/送丝打印阶段因无结构支撑导致熔池倒塌,从而导致打印失败的缺陷。而是通过成型砂型并压实作为支撑模具,起到支撑熔池的作用。金属零件成型之后,使用溶解剂溶解砂型件中的粘结剂,只需去除少数的支撑,避免了多余的机械加工,提升了送粉\/送丝打印零件的复杂程度,减少复杂结构金属零件的成型成本,满足了市场需求。

应当理解,前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外,所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和\/或有益效果将在下面的描述中显见,或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中,在各个图中的相应操作步骤均用文字在图中进行标注。为了清晰起见,在每个图中,并非每个步骤部分均被描述。现在,将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例,其中:

图1是本发明的增材制造送粉\/送丝打印金属零件与铺设砂型的流程图。

图2是本发明实施例一和实施例二增材制造送粉打印金属零件与铺设砂型的过程剖面示意图。

图3是本发明实施例三增材制造送粉打印金属零件与铺设砂型的过程剖面示意图。

图4是本发明实施例四增材制造送粉打印金属零件与铺设砂型的过程剖面示意图。

图5是本发明实施例五增材制造送丝打印金属零件与铺设砂型的过程剖面示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面,附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解,上面介绍的多种构思和实施例,以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施,这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外,本发明公开的一些方面可以单独使用,或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

根据本发明的公开一种同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法,通过同步打印金属零件、金属支撑和逐层成型砂型的方法,首层打印时,先打印金属零件和金属支撑结构,再手动铺设粘结剂和型砂混合后的型砂粉末构成砂型进行填充,并使用刮板将砂型压实固化并使用刮板刮平,接着使用刷子清理金属零件表面的残余型砂粉末。以基板的垂直方向为打印方向,层层打印,直至以增材制造技术打印出完整的金属零件和金属支撑,并成型出完整的砂型件。打印结束之后,使用溶解剂将砂型件溶解,再机械加工去除多余金属支撑和基板得到所需金属零件。

结合图1所示,作为本发明的示例性实施,前述具体的实施过程包括:

步骤1、把型砂和粘结剂混合形成型砂粉末备用。

步骤2、采用激光增材制造技术,同步送粉\/送丝打印金属零件和金属支撑,在首层打印时,首先使用金属粉末同步打印等高的金属零件和金属支撑结构,或者,采用电弧增材制造技术,同步送丝打印金属零件和金属支撑,在首层打印时,首先使用金属焊丝同步打印等高的金属零件和金属支撑结构,再将型砂粉末使用喷射器铺设与打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平,并使用刷子清理金属零件表面的残余型砂粉末。

步骤3、重复步骤2,直至打印出完整的金属零件和金属支撑,并成型出完整砂型件。

步骤4、打印结束后,使用溶解剂将成型后的砂型件中的粘结剂溶解,从而去除成型后的砂型件。

步骤5、使用机械加工将金属支撑和基板依次去除,得到所需的金属零件。

由此,在通过上述过程通过同步打印金属零件和金属支撑,并逐层成型出完整砂型件,最后使用溶解剂溶解砂型件中的粘结剂除去砂型件,并机械加工去金属支撑和基板,实现了增材制造送粉\/送丝打印复杂结构零件的可能性。

为了便于更好的理解,下面结合具体以下5种增材实例对本发明进行进一步说明,在实施例中,金属支撑和砂型件可以选取配对的合金粉末\/合金丝材、型砂材料包括如钢和二氧化硅的组合,钛合金和氧化铝的组合,铜合金和氮化硅的组合,铝合金和石墨的组合。但合金粉末\/合金丝材、型砂材料种类不限于实施例中的所列举的各种合金粉末\/合金丝材与型砂材料成分,且本发明内容包含而不限于实施例中的材质组合搭配。

【实施例一】

(1)、将二氧化硅和1.8%~2wt%黏土粘结剂按比例混合形成型砂粉末。

(2)、在进行首层(第一层)打印时,在基板上,送粉打印等高的301不锈钢金属零件和金属支撑,再将型砂粉末使用喷射器铺设与打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平,并使用刷子清理金属零件表面的残余型砂粉末。单层打印高度为0.7mm,激光功率为900W,扫描速度为500mm\/min,扫描间距为1.7mm。

(3)、重复打印,打印第二层,第三层……第n层,直至打印出完整的301不锈钢金属零件和金属支撑,并成型出完整的二氧化硅砂型件。

(4)、使用酒精溶解二氧化硅砂型件。

(5)、使用机械加工将金属支撑和基板依次去除得到所需的金属零件。

打印成型过程见图2(a)~图2(d),单层打印过程为图2(a)~图2(c),打印结果为图2(d)。

本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。

【实施例二】

(1)、将氧化铝和1.8%~2wt%粘土粘结剂按比例混合形成型砂粉末。

(2)、在进行首层(第一层)打印时,在基板上,先送粉打印等高的TC4钛合金金属零件和金属支撑结构,接着将型砂粉末使用喷射器铺设与打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平,并使用刷子清理金属零件表面的残余型砂粉末。单层打印高度为0.7mm,激光功率为1000W,扫描速度为560mm\/min,扫描点距为1.7mm。

(3)、重复打印,打印第二层,第三层……第n层,直至打印出完整的TC4钛合金金属零件和金属支撑,并成型出完整的氧化铝砂型件。

(4)、使用酒精溶解氧化铝砂型件。

(5)、使用机械加工将金属支撑和基板依次去除,得到所需的金属零件。

打印成型过程见图2(a)~图2(d),单层打印过程为图2(a)~图2(c),打印结果为图2(d)。

本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。

【实施例三】

(1)、将氮化硅和1.8%~2wt%硅酸钠粘结剂按比例混合形成型砂粉末。

(2)、在进行首层(第一层)打印时,在基板上,先送粉打印等高的CuSn10铜合金金属零件和金属支撑结构,接着将型砂粉末使用喷射器铺设与打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平,并使用刷子清理金属零件表面的残余型砂粉末。单层打印高度为0.6mm,激光功率为1100W,扫描速度为600mm\/min,扫描点距为1.7mm。

(3)、重复打印,打印第二层,第三层……第n层,直至打印出完整的CuSn10铜合金金属零件和金属支撑,并成型出完整的氮化硅砂型件。

(4)、使用酒精溶解氮化硅砂型件。

(5)、使用机械加工将金属支撑和基板依次去除,得到所需的金属零件。

打印成型过程见图3(a)~图2(d),单层打印过程为图3(a)~图2(c),打印结果为图3(d)。

本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。

【实施例四】

(1)、将石墨和1.8%~2wt%酚醛树脂粘结剂按比例混合形成型砂粉末。

(2)、在进行首层(第一层)打印时,在基板上,先送粉打印等高的AlSi10Mg铝合金金属零件和金属支撑结构,接着将型砂粉末使用喷射器铺设与打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平,并使用刷子清理金属零件表面的残余型砂粉末。单层打印高度为0.8mm,激光功率为1500W,扫描速度为720mm\/min,扫描点距为1.7mm。

(3)、重复打印,打印第二层,第三层……第n层,直至打印出完整的AlSi10Mg铝合金金属零件和金属支撑,并成型出完整的二氧化硅砂型件。

(4)、使用酒精溶解二氧化硅砂型件。

(5)、使用机械加工将金属支撑和基板依次去除,得到所需的金属零件。

打印成型过程见图4(a)~图4(d),单层打印过程为图4(a)~图2(c),打印结果为图4(d)。

本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。

【实施例五】

(1)、将氧化锆和1.8%~2wt%呋喃树脂粘结剂按比例混合形成型砂粉末。

(2)、在进行首层(第一层)打印时,在基板上,先送丝打印等高的TC4钛合金金属零件和金属支撑结构,接着将型砂粉末使用喷射器铺设与打印表面等高,再使用刮板将型砂粉末压实固化并刮平,并使用刷子清理金属零件表面的残余型砂粉末。单层打印高度为1mm,CMT打印工艺参数为:送丝速度7.5m\/min;焊接速度0.006m\/s;干伸长8mm;气流量25L\/min;

(3)、重复打印,打印第二层,第三层……第n层,直至打印出完整的TC4钛合金金属零件和金属支撑,并成型出完整的氧化锆砂型件。

(4)、使用酒精溶解氧化锆砂型件。

(5)、使用机械加工将金属支撑和基板依次去除,得到所需的金属零件。

打印成型过程见图5(a)~图5(d),单层打印过程为图5(a)~图5(c),打印结果为图5(d)。

本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。在增材制造领域,激光熔化沉积(送粉打印)和电弧增材制造技术(送丝打印)因不像激光选区熔化(铺粉打印)具有粉末为熔池起到衬托作用,成型复杂零件时容易导致熔池倒塌,从而复杂结构零件成型失败。在本发明前述的实施例中,在打印过程中引入型砂可以起到衬托送粉\/送丝打印熔池的作用,不至于在打印过程中熔池倒塌导致打印失败,同时通过打印金属支撑减少送粉\/送丝打印过程中热应力对成型的影响,提高了送粉\/送丝打印复杂结构零件的能力。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

设计图

同步打印砂型支撑辅助增材制造金属零件的方法论文和设计

相关信息详情

申请码:申请号:CN201910564302.4

申请日:2019-06-27

公开号:CN110202146A

公开日:2019-09-06

国家:CN

国家/省市:84(南京)

授权编号:授权时间:主分类号:B22F 3/105

专利分类号:B22F3/105;B33Y10/00

范畴分类:25D;

申请人:南京工业大学

第一申请人:南京工业大学

申请人地址:211816 江苏省南京市浦口区浦珠南路30号

发明人:孙中刚;嵇书伟;陈小龙;常辉

第一发明人:孙中刚

当前权利人:南京工业大学

代理人:肖念

代理机构:32362

代理机构编号:南京德铭知识产权代理事务所(普通合伙) 32362

优先权:关键词:当前状态:审核中

类型名称:外观设计

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