CN101607312B - 一种节省材料的金属零件整体快速制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种节省材料的金属零件整体快速制造方法，步骤为：①在三维软件中建模出无内部结构的金属零件的模型，将文件导出为STL格式；②将STL格式文件导入处理STL格式文件的软件中，对STL格式文件进行处理，包括镂空和添加内部结构；将处理后的STL文件的数据信息传送到快速成形系统；③对成形腔抽真空后通保护气，再由快速成形系统成形三维金属零件；④按照最终零件性能要求对成形的三维金属零件进行后处理。该方法在满足零件力学性能要求的前提下，可以节省大量的材料，降低金属零件的重量，制造时无需任何工模，不受内部结构复杂程度的影响，一次整体成形出致密度可以达到使用要求的高性能金属零件，非常适于要求质量轻的金属零件的加工。
Description
技术领域
本发明属于先进制造领域，具体涉及一种节省材料的金属零件整体快速制造方法。
背景技术
在现代先进制造领域，随形冷却模具、整体涡轮盘、内流道器件、支撑网装零件、复杂工艺品零件等，利用机加工和锻造方法无法整体成形，只能逐步加工出局部结构，最后通过焊接等方法拼接成整体，不但工艺复杂，工序多，每一步增加了零件的废品率，而且降低了零件的整体性能可能使零件在某个部位缺陷集中。传统铸造方法不能成形复杂零件，熔模铸造和消失模铸造方法虽然可以整体成形，但对于具有内部复杂结构的零件，采用这些铸造方法也很困难，且铸件缺陷多，难以满足高性能高精度的技术要求。
许多金属比较贵重，制作零件成本较高，且许多内部结构的传统加工方法材料浪费严重，并且具有复杂内部结构零件的复杂模具制作周期长、成本高，或者根本用传统加工无法完成等原因严重制约了各种结构材料和功能材料的应用。另外，在航空零件、人造生物组织等方面要求零件轻量化，这就要求采用新的加工方法，在满足应用的情况下尽量减轻零件的重量，节省材料。
金属零件快速成形直接制造方法如选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)，电子束熔融技术(Electron Beam Melting，EBM)，激光工程化净成形技术(Laser Engineered Net Shnaping，LENS)等快速成形工艺采用各种纯金属粉末、混合粉末、预制合金粉末等为材料，将其按一定厚度分解成一系列二维截面，即把原来的三维立体信息变成二维平面信息的数据，根据这些数据，用高能束将金属粉末逐层选择性地熔化出零件的各层形状，逐层叠加起来形成实体零件，高能量密度的激光束或电子束可以使已凝固金属重熔，故可以牢固地层层熔合在一起形成致密的金属零件。成形用装备见“一种直接制造金属零件的快速成形系统”(公开号为：CN1631582A，公开日为：2005年06月29日)。
金属零件的整体快速制造工艺如下：先由CAD三维造型软件设计出所需零件的整体计算机三维实体模型，然后根据零件的结构和功能要求对其内部进行镂空或镂空后加支撑，以达到降低零件重量、减少材料利用的目的，同时零件的各项力学性能又不会损失太多，零件比强度等(不清楚)大幅上升，并能够实现零件特殊功能如内置冷却流道等的制造。对零件内部结构的各种要求可以进行自主设计，也可以通关软件对零件内部结构进行镂空或施加支撑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节省材料的金属零件整体快速制造方法，该方法在满足零件性能要求的前提下，可以节省大量的材料，降低金属零件的重量，制造时无需任何工模，不受内部结构复杂程度的影响，一次整体成形出致密度可以达到使用要求的高性能金属零件。
本发明提供的节省材料的金属零件整体快速制造方法，其步骤包括：
(1)在三维软件中建模出无内部结构的金属零件的模型，将文件导出为STL格式；
(2)将STL格式文件导入处理STL格式文件的软件中，对STL格式文件进行处理，包括镂空和添加内部结构；将处理后的STL文件的数据信息传送到快速成形系统；
(3)对成形腔抽真空后通保护气，再由快速成形系统成形三维金属零件；
(4)按照最终零件性能要求对成形的三维金属零件进行后处理。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，首先按下述要求进行镂空：中空零件壁厚大于等于1.5mm，且在零件截面外接圆半径的1/6-1/4之间，中空零件壁厚小于外接圆半径的1/4；制作网状零件壁厚设为零；然后再添加支架。
作为上述技术方案的进一步改进，支架的结构为十字架型，支架截面边长在零件截面外接圆半径1/6-1/4之间，支架节点间距为零件截面外接圆半径的1/3-1/2之间。
本发明是一种利用零件内部镂空并添加支撑结构，减少材料利用，不牺牲金属零件性能的整体快速制造方法。具体而言，本发明方法与现有的方法相比具有以下优点：
(1)利用CAD软件进行镂空处理方便快捷，既可以自主设计零件的内部结构，也可以从结构库(如图1中的网状支撑)中提取添加，缩短了设计周期。
(2)金属零件快速成形直接制造方法不需要模具，一体化加工，成形不受零件结构限制，这相对于传统方法优势明显。相比于不镂空的零件可以节省大量的材料，同时零件重量大大减轻，在航空、人造骨组织、机械等领域实现轻量化。
(3)几乎不需要后处理或者后处理工艺简单。
总之，用本发明方法成形的零件可以突破以往零件设计时因为传统加工不能实现而造成的思维定势，对以后具有内部结构金属零件的加工优势明显。
附图说明
图1为圆柱筒状零件内部网状支撑；
图2利用本发明方法制造的内部镂空的叶轮；
图3为利用本发明方法制造的空间结构网；
图4为利用本发明方法制造的国际象棋子。
具体实施方式
本发明提供的金属零件整体快速制造方法，其具体步骤如下：
(1)在三维软件中建模出无内部结构的金属零件的模型；将文件导出为STL格式；即将三维模型切片转换为片层信息，此时可控制STL切片的精度；
(2)将STL格式文件导入专门的处理STL文件的软件(快速成形工艺规划软件)中，对其进行处理。快速成形工艺规划软件将添加相关功能模块，使其可以按照零件的外形、要求达到的性能、以及模拟及试验得出的规则，进行内部结构添加和镂空操作。这些既可以由软件自动生成，或可以从库文件中提取具有一定性能的特定结构，也可以根据实际情况自己定义。这样可以使零件在达到使用标准的情况下减轻重量，节省材料。将处理后的STL文件的数据信息传送到快速成形系统。
①中空零件壁厚要大于等于1.5mm而且在零件截面外接圆半径的1/6-1/4之间；制作网状零件壁厚设为零。②支架结构形式可以多种多样，十字架型效果最好。③支架截面边长最好在零件截面外接圆半径1/6-1/4之间，支架节点距离在零件截面外接圆半径1/3-1/2之间。
(3)要求原料为粉末材料，对成形腔抽真空后通保护气。
(4)根据不同的粉末材料，选择对应的最优工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描方式、单层厚度等)加工出所需要的零件。利用快速成形系统可以无模快速成形结构复杂的三维实体零件，尤其是传统方法无法加工的具有内部复杂结构的零件。
(5)按照最终零件性能要求对其进行后处理，如清粉和喷砂。
实例1
在UG4.0中建模出无内部结构的发动机叶轮金属零件的模型。将文件导出为STL格式。即将三维模型切片转换为片层信息。将STL格式文件导入快速成形工艺规划软件2008(武汉奥略软件有限公司开发)中，对其进行处理，在叶轮轴处进行添加内部结构和镂空等操作。将STL文件的数据信息传送到SLM快速成形系统。
以304L不锈钢粉末为原料，对SLM成形腔抽真空后通氩气保护气，每层铺粉层厚为0.11mm，粉末粒径为-300目，采用的激光器为光纤激光器，功率为98W，扫描间距为0.1mm，扫描速度为40mm/s，铺粉延时3s，扫描延时2s，边框次数1次，扫描方式为交替螺旋。
抽真空后通氩气保护，加工出零件。
实例2
在UG4.0中建模出无内部结构的立方体金属零件的模型。将文件导出为STL格式。即将三维模型切片转换为片层信息。将STL格式文件导入快速成形工艺规划软件2008中，对其进行处理，镂空壁厚为0，进行添加内部结构和镂空等操作。将STL文件的数据信息传送到SLM快速成形系统。
以Fe粉末为原料，对SLM成形腔抽真空后通氩气保护，每层铺粉层厚为0.08mm，粉末粒径为-200目，采用的激光器为光纤激光器，功率为95W，扫描间距为0.08mm，扫描速度为70mm/s，铺粉延时3s，扫描延时2s，边框次数1次，扫描方式为逐行扫描。
抽真空后通氩气保护，加工出零件。
实例3
在UG4.0中建模出无内部结构的国际象棋子金属零件的模型。将文件导出为STL格式。即将三维模型切片转换为片层信息。将STL格式文件导入快速成形工艺规划软件2008中，对其进行处理，手动进行镂空、添加旋转扶梯等操作。将STL文件的数据信息传送到SLM快速成形系统。
以316不锈钢粉末为原料，对SLM成形腔抽真空后通氩气保护，每层铺粉层厚为0.1mm，粉末粒径为-300目，采用的激光器为光纤激光器，功率为98W，扫描间距为0.1mm，扫描速度为45mm/s，铺粉延时3s，扫描延时2s，边框次数1次，扫描方式为分区变向扫描。
抽真空后通氩气保护，加工出零件。
实例1-4的最终零件分别如图1至图4所示。
以上所述为本发明的较佳实施实例而已，但本发明不应该局限于该实施实例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种节省材料的金属零件整体快速制造方法，其步骤包括
（1）在三维软件中建模出无内部结构的金属零件的模型，将文件导出为STL格式；
（2）将STL格式文件导入处理STL格式文件的软件中，对STL格式文件进行处理，包括镂空和添加内部结构；将处理后的STL文件的数据信息传送到快速成形系统；
所述镂空按下述要求进行：中空零件壁厚大于等于1.5mm，且在零件截面外接圆半径的1/6-1/4之间，中空零件壁厚小于外接圆半径的1/4；制作网状零件壁厚设为零；然后再添加支架；
所述支架的结构为十字架型，支架截面边长在零件截面外接圆半径1/6-1/4之间，支架节点间距为零件截面外接圆半径的1/3-1/2之间；
（3）对成形腔抽真空后通保护气，再由SLM快速成形系统成形三维金属零件；
（4）按照最终零件性能要求对成形的三维金属零件进行后处理。
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