CN103212695A

CN103212695A - 基于金属3d打印的新型异种材料复合铸造方法

Info

Publication number: CN103212695A
Application number: CN2013101326901A
Authority: CN
Inventors: 杨永强; 宋长辉; 叶梓恒; 王迪
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，包括以下步骤：S1、通过金属3D打印技术成型复杂形状的薄壁零件；S2、通过铸造方法向薄壁零件填充浇铸材料，所述浇铸材料的熔点低于薄壁零件的熔点；S3、冷却后成型复杂实体零件。本发明可操作性强，生产效率高，一方面利用金属3D打印成型具有任意复杂几何形状的薄壁零件，另一方面利用铸造快速填充大面积区域，通过溶液的流动填充相对复杂内部区域，充分结合金属3D打印和铸造各自的优势，实现复杂零件的快速制造，而且金属3D打印成型薄壁零件，可减少成型残余应力，提高了零件的机械性能，适用范围广。

Description

基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法

技术领域

本发明涉及复杂实体零件成型制造技术，特别涉及基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法。

背景技术

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇注进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。它是比较经济的毛坯成形方法，对于外部形状复杂的零件更能显示出它的经济性，如汽车发动机的缸体和缸盖，船舶螺旋桨以及精致的艺术品等。有些难以切削的零件，如燃汽轮机的镍基合金零件不用铸造方法无法成形。另外，铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成形方法如锻、轧、焊、冲等所做不到的。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的，降低了成本，并在一定程度上减少了制作时间。铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。

然而，对于具有复杂内部结构的零件，传统制造无法实现成型。传统的铸造方法必须取出内腔形模，而内腔形模往往需要通过分层等方式安放以及取出，这就对内部结构形成极大的限制。

相对于车铣刨磨等传统机加工，金属3D打印作为一种材料堆积制造方式，可以制造各种复杂结构，充分发挥材料的效能比，是未来绿色制造的主要方式之一。其优势在于拓展产品创意创新空间，设计人员不在受传统工艺和制造资源约束，并降低产品研发创新成本，缩短研发周期，增强工艺制造能力，因而在航空航天、生物医疗、工业模具、汽车制造等工业领域都有独具特色的应用前景，尤其是在小批量多品种的航空航天应用中，优势更为明显。

金属3D打印技术是集CAD/CAM、数字控制技术、快速成型于一体的先进制造技术，成为了传统加工成形方法的重要补充，目前主要有激光/电子束选区熔化、激光选区烧结以及激光近净成形技术。金属3D打印可以根据三维模型来直接生产出各种复杂的金属零件，能使加工成本和时间得到有效的降低，从而大大地缩短了新产品的研发周期，非常适应现代制造业快速化，个性化，柔性化发展的需求，在生物医疗，航空航天，模具量具和国防工业等制造领域具有十分广阔的应用前景。

虽然金属3D打印技术可以成型任意复杂的金属零件，但是如果成型大面积实心区域，成型时间会很长，30-50小时都有可能。过低成型效率的将大大地约束选区激光熔化优势的发挥。结合铸造现有的技术以及金属3D打印技术优缺点，本专利提出了“基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法”

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，该方法能克服传统制造无法成型具有复杂内部结构零件的缺点，一方面利用金属3D打印成型具有任意复杂几何形状的薄壁零件，另一方面利用铸造快速填充大面积区域，通过溶液的流动填充相对复杂内部区域，充分结合金属3D打印和铸造各自的优势，协同完成任意复杂结构(外表面不规则或者内部结构复杂或两者兼具)加工，实现复杂零件的快速制造。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过金属3D打印技术成型复杂形状的薄壁零件；

S2、通过铸造方法向薄壁零件填充浇铸材料，所述浇铸材料的熔点低于薄壁零件的熔点；

S3、冷却后成型复杂实体零件。

进一步地，所述薄壁零件为表面是复杂不规则形状的、且内部有可容纳浇铸材料的空腔的薄壁外壳。

进一步地，所述薄壁零件为复杂形状的薄壁通道结构。

进一步地，所述通过铸造方法向薄壁零件填充浇铸材料的步骤为直接向薄壁外壳的空腔内填充浇铸材料。

进一步地，所述通过铸造方法向薄壁零件填充浇铸材料的步骤具体包括：

S20、翻砂制作砂模，所述砂模的内部具有容纳浇铸材料的空腔；

S21、将成型的薄壁通道结构置于所述砂模内部空腔的预定位置；

S22、向砂模内部空腔填充浇铸材料；

S23、去除砂模。

进一步地，所述通过金属3D打印技术成型复杂形状的薄壁零件的材料为镍基合金、不锈钢，钛合金，所述浇铸材料为铝合金、铜合金等低熔点金属材料。进一步的，所述浇铸材料不限于低熔点金属材料，低熔点非金属材料也应包含在此方法内，如ABS树脂或聚酰胺纤维。进一步地，所述薄壁零件的材料与浇铸材料不发生反应，或者两者物理或化学反应后，性能不削弱整体预期性能。

当零件内部复杂，表面复杂不规则时，通过金属3D打印技术(如：激光/电子束选区熔化)成型金属外形薄壁零件，内部形状薄壁以及局部微小特征区域，然后在真空环境下浇铸异种材料，浇铸的材料的熔点一定要低于金属3D打印成型的金属材料的熔点，且不发生反应，或者两者物理或化学反应后的性能不削弱或影响到整体的性能。

当零件内部复杂，表面规则简单时，只成型内部复杂结构的薄壁，外腔体则通过翻砂完成，通过外部砂模具和金属3D打印成型内部复杂金属零部件组成的腔体，通过浇铸完成。浇铸后浇铸材料与薄壁零件结合，薄壁零件不需要取回，获取最终的零件。

所述金属3D打印成型的薄壁零件的材料以高温合金材料为主，如镍基合金、不锈钢，或者钛合金等具有高熔点的材料。

所述铸造材料以低熔点金属材料为主，如铝合金、铜合金，但这不限于低熔点金属材料，低熔点非金属材料也应包含在此方法内。另外，铸造材料熔点一定要低于金属3D打印成型的金属材料的熔点，且不发生反应，或者两者物理或化学反应后的性能不削弱或影响到整体的性能。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)、本发明采用基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法成型，可以制造具有任意复杂内部结构的零件。

(2)、可操作性强，生产效率高，一方面利用金属3D打印成型具有任意复杂几何形状的薄壁零件，另一方面利用铸造快速填充大面积区域，通过溶液的流动填充相对复杂内部区域，充分结合金属3D打印和铸造各自的优势，实现复杂零件的快速制造，而且金属3D打印成型薄壁零件，可减少成型残余应力，提高了零件的机械性能。

(3)、本发明中金属3D打印成型的薄壁零件材料以高温合金材料为主，如镍基合金、不锈钢，或者钛合金等具有高熔点的材料。而所述铸造材料以低熔点金属材料为主，如铝合金、铜合金，但这不限于低熔点金属材料，低熔点非金属材料也应包含在此方法内。另外，铸造材料熔点低于金属3D打印成型的金属材料的熔点，且不发生反应，或者两者物理或化学反应后的性能不削弱或影响到整体的性能即可，因而适用范围广。

附图说明

图1是本发明实施例1的复合铸造方法的流程示意图。

图2是采用本发明实施例1的复合铸造方法的产品的主视示意图。

图3是采用本发明实施例1的复合铸造方法的产品的立体示意图。

图4是本发明实施例2的复合铸造方法的流程示意图。

图5是本发明实施例2的薄壁锥形螺旋通道结构示意图。

图6是本发明实施例2的翻砂铸造砂模结构示意图。

图7是本发明实施例2的薄壁零件与砂模组合，形成铸造型腔的结构示意图。

图8是本发明实施例2的成型产品结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

需要说明的是，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例一

如图1所示，本发明基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法的工艺流程图，包括以下步骤：

S101、通过金属3D打印技术成型复杂不规则形状的、且内部有可容纳浇铸材料的空腔的薄壁外壳；

S102、通过铸造方法向薄壁外壳的空腔内填充浇铸材料，所述浇铸材料的熔点低于薄壁零件的熔点；

5103、冷却后成型复杂实体零件。

如图2及图3所示，当零件内部复杂，表面复杂不规则时，通过金属3D打印可以成型包含内部形状薄壁以及局部微小特征区域的任意复杂形状金属薄壁零件，然后通过浇铸方式实现内部大区域材料填充。这种复合铸造的优势是，对于形状特别复杂，甚至铸造后机加工方式也难以完成的特征结构先行通过金属3D打印成型出来，对于剩余的结构简单的实体形成单连通或者多联通区，通过浇铸完成。

这种方式可以通过铸造一次成型出来复杂内腔结构的零件，不需要后续加工，同时形成异种金属材料的结合。但这也有一定限制，金属3D打印成型的薄壁零件的材料以高温合金材料为主，如镍基合金、不锈钢，或者钛合金等具有高熔点的材料，而铸造材料以低熔点金属材料为主，如铝合金、铜合金，当然这不限于低熔点金属材料，低熔点非金属材料也应包含在此方法内。然而，铸造材料熔点一定要低于金属3D打印成型的金属材料的熔点，且不发生反应，或者两者物理或化学反应后的性能不削弱或影响到整体的性能。

实施例二

如图4所示的复合铸造方法的流程示意图，包括以下步骤：

S201、通过金属3D打印技术成型复杂形状的薄壁通道结构；

S202、翻砂制作砂模，所述砂模的内部具有容纳浇铸材料的空腔；

S203、将成型的薄壁通道结构置于所述砂模内部空腔的预定位置；

S204、通过铸造方法向砂模内部空腔填充浇铸材料，所述浇铸材料的熔点低于薄壁零件的熔点；

S205、去除砂模；

S203、冷却后成型复杂实体零件。

当零件内部复杂，表面规则简单时，金属3D打印成型为图5所示的复杂薄壁锥形螺旋通道金属3D打印复杂薄壁锥形螺旋通道作为实体零件一部分。通过传统方法对零件外部形状翻模砂型，制作如图6所示的砂模，之后将薄壁锥形螺旋通道与砂模结合，见图7，通过铸造方法向砂模内部空腔填充浇铸材料，通过薄壁锥形螺旋通道保护实体零件内部通道结构不受浇铸溶液的浸入，浇铸完成待凝固后，去除砂模，即可得到如图8所示的具有复杂内部结构的实体零件。

该实施例相对比实施例一，对金属3D打印成型薄壁零件的材料和铸造材料的要求相同，但进一步减少了金属3D打印成型零件外形部分，而且其适用场合要求高于实施例一，只能在外形结构相对简单，可以通过翻模就可以获取外腔体结构的零件的情况下适用。

显然，附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过金属3D打印技术成型复杂形状的薄壁零件；

S3、冷却后成型复杂实体零件。

2.根据权利要求1所述的基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，其特征在于，所述薄壁零件为表面是复杂不规则形状的、且内部有可容纳浇铸材料的空腔的薄壁外壳。

3.根据权利要求1所述的基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，其特征在于，所述薄壁零件为复杂形状的薄壁通道结构。

4.根据权利要求2所述的基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，其特征在于，所述通过铸造方法向薄壁零件填充浇铸材料的步骤为直接向薄壁外壳的空腔内填充浇铸材料。

5.根据权利要求3所述的基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，其特征在于，所述通过铸造方法向薄壁零件填充浇铸材料的步骤具体包括：

S22、通过铸造方法向砂模内部空腔填充浇铸材料；

S23、去除砂模。

6.根据权利要求1所述的基于金属3D打印的新型异种材料复合铸造方法，其特征在于，所述的薄壁零件的材料为镍基合金、不锈钢、钛合金，所述浇铸材料为铝合金、铜合金、ABS树脂或聚酰胺纤维。