CN105109040B - 三维结构成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维结构成形方法，可用于三维结构件的制造，包括以下步骤：步骤一、根据结构件结构设计模具。步骤二、使用以下四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形：a)使用快速成形工艺制备模具，但不填充结构件材料；b)不制备模具，但填充结构件材料；c)使用快速成形工艺制备模具，且填充结构件材料；d)不制备模具，且不填充结构件材料。在完成模具的制备前，至少实施过一次b项操作或者c项操作。步骤三、待填充的结构件材料凝固后，去除模具，将结构件坯块释放出来。本三维结构成形方法具有成形效果好、加工效率高、应用范围广以及成本低下等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维结构成形方法。
背景技术
凝胶注模成形技术是实现坯块成形的重要方法，可用来成形复杂形状、大型尺寸的结构件，其成形胚体组分均匀、密度均匀，缺陷少，强度高，并且该工艺所需模具成本低廉，不需专门的脱脂工序，能适用于多种金属粉末、陶瓷材料的成形。由于具备这些独特优势，凝胶注模成形技术在粉末冶金机械零件、磁性材料、多孔材料、金属陶瓷材料等领域具有广阔的应用前景。
美国Stanford大学学者Jurgen Stampfl等人将凝胶注模成形技术与Mold DF（mold shape deposition manufacturing）工艺相结合，提出了一种三维结构成形方法（见美国专利，专利号：US6375880）。使用该方法，他们成功制备出形状复杂的不锈钢叶轮，该叶轮的微观结构及力学性能优良，可媲美传统工艺所制备的粉末冶金件（参见：JurgenStampfl et al. Rapid prototyping and manufacturing by gelcasting of metallicand ceramic slurries, Materials Science and Engineering A[J], 2002, 334(1-2):187 一文）。
专利US6375880提出的加工工艺已成为凝胶注模成形技术与Mold DF技术的组合加工工艺领域中最为基础、典型和普遍的工艺技术，该工艺过程简单描述如下：首先制备模具，然后向模具中填充结构件材料，最后将模具去除实现坯块的释放。其中，模具的制备方法为：逐层制备模具结构以及填充腔牺牲层结构，待完成整个模具结构以及填充腔牺牲层结构的制备后，将填充腔牺牲层结构腐蚀掉，形成填充空腔，最终形成模具。
专利US6375880所述加工工艺的一个重要不足在于，由于填充工序设置在整个模具制备完成后，因此填充材料对模具的填充效果显得非常关键。结构件，尤其是存在细长结构和薄长结构的结构件，可能会出现填充不完整的情况，从而造成坯块的缺陷，影响结构件的形状尺寸质量和物理化学性能。
发明内容
为了克服上述工艺技术的不足，提高填充材料对模具的填充，进而提高结构件的形状尺寸质量和物理化学性能，本发明提供了一种改进的三维结构成形工艺，该工艺通过在制备模具过程中填充结构件材料，从而更好地实现结构件材料对模具的填充。
具体来说，本发明所述的三维结构成形方法包括以下步骤：
步骤一、根据结构件结构设计模具。
步骤二、使用以下四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形：a)使用快速成形工艺制备模具，但不填充结构件材料；b)不制备模具，但填充结构件材料；c)使用快速成形工艺制备模具，且填充结构件材料；d)不制备模具，且不填充结构件材料。在完成模具的制备前，至少实施过一次b项操作或者c项操作。
步骤三、待填充的结构件材料凝固后，去除模具，将结构件坯块释放出来。
进一步地，步骤一中所述模具设计是使用计算机软件程序（包括CAD软件程序）完成。
进一步地，步骤二中所述四种操作的组合操作包括以下三种形式。Ⅰ）单独使用所述四项操作中的某一项操作；Ⅱ）至少使用所述四项操作中的两项操作，且使用的操作只实施一次；Ⅲ）至少使用所述四项操作中的两项操作，且使用的操作中至少有一项操作实施了两次或两次以上。
进一步地，步骤二中所述快速成形工艺为熔融沉积成形或三维打印技术或上述两种方法的组合。
进一步地，步骤二中用于形成所述模具的材料为塑料或石蜡或塑料与石蜡的组合。
进一步地，步骤二中所述填充方法为人工填充或计算机程序控制下的机械填充或上述两种方法的组合。
进一步地，步骤三中所述的去除模具的方法为机械去除法或热熔去除法或溶剂溶解法或化学腐蚀法或上述四种方法的任意组合。
使用上述方法完成结构件成形后，可根据应用场合对结构件尺寸精度、表面精度和物理化学性能等方面的要求，对结构件坯块进行后处理，后处理方法包括但不局限于机械加工、高温烧结、表面处理等方法。
本发明的有益效果是：
1.由于本发明所述加工材料填充不需要在模具制备完成后进行，因此可实现坯块的分层填充，进而提升填充材料对模具腔体的填充效果，使结构件拥有更好形状尺寸质量和物理化学性能。
2.本发明采用快速成形工艺制备模具，模具制备简便，制备成本低。
3.本发明可在制备模具的过程中，同时填充结构件材料，提高了三维结构成形效率。
附图说明
图1为本发明所述三维结构成形方法。
图2为本发明实施例1中结构件的结构示意图。
图3为本发明实施例1中结构件加工过程示意图。
图4为本发明实施例2中结构件的结构示意图。
图5为本发明实施例2中结构件加工过程示意图。
图6为本发明实施例3、实施例4以及实施例5中结构件的结构示意图。
图7为本发明实施例3中结构件加工过程示意图。
图8为本发明实施例4中结构件加工过程示意图。
图9为本发明实施例5中结构件加工过程示意图。
具体实施方式
图1是本发明所述三维结构成形方法，包括三个基本步骤。步骤一、根据结构件结构设计模具。步骤二、使用以下四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形：a)使用快速成形工艺制备模具，但不填充结构件材料；b)不制备模具，但填充结构件材料；c)使用快速成形工艺制备模具，且填充结构件材料；d)不制备模具，且不填充结构件材料。其中，在完成模具的制备前，至少实施过一次b项操作或者c项操作。步骤三、待填充的结构件材料凝固后，去除模具，将结构件坯块释放出来。所述填充材料包括但不局限于金属基材料、陶瓷材料以及金属陶瓷混合材料等。后续还可根据应用场合对结构件尺寸精度、表面精度和物理化学性能等方面的要求，对结构件坯块进行后处理，后处理方法包括但不局限于机械加工、高温烧结、表面处理等方法。
下面结合附图对本发明具体实施例做进一步的说明。
实施例1：
本实施例中结构件有由三部分组成：1）下圆盘，该圆盘中间开有同心的圆孔；2）与下圆盘形状尺寸一致的上圆盘；3）八块中间肋板，连接下圆盘与上圆盘。图2（a）为结构件的外观图；图2（b）为结构件的剖视图，剖面为一竖直平面；图2（c）为结构件的另一剖视图，剖面为一水平平面。
下面，结合图3,具体描述采用本发明加工该结构件的过程。
步骤一、首先根据结构件结构尺寸设计模具，设计的模具结构形状如图3（a）所示。
步骤二、使用上文所述的四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形。本实施例中采用的组合操作为：a项操作→b项操作→a项操作→b项操作→a项操作→b项操作→a项操作→b项操作。具体来说：首先使用熔融沉积成形技术制备模具层1，直至形成结构件下圆盘的填充腔体，如图3（b）所示，用于制备模具的材料为塑料；然后暂停模具层的制备，使用人工方法向模具腔体内填充结构件材料，形成结构件坯块2的一部分，如图3（c）所示；再次，暂停结构件材料的填充，使用熔融沉积成形技术制备模具层1，直至形成结构件肋板下半部分的填充腔体，如图3（d）所示，用于制备模具的材料为塑料；再次，暂停模具层的制备，使用人工方法向模具腔体内填充结构件材料，形成结构件坯块2的一部分，如图3（e）所示；再次，暂停结构件材料的填充，使用熔融沉积成形技术制备模具层1，直至形成结构件肋板上半部分的填充腔体，如图3（f）所示，用于制备模具的材料为塑料；再次，暂停模具层的制备，使用人工方法向模具腔体内填充结构件材料，形成结构件坯块2的一部分，如图3（g）所示；再次，暂停结构件材料的填充，使用熔融沉积成形技术制备模具层1，直至形成结构件上圆盘的填充腔体，如图3（h）所示，用于制备模具的材料为塑料；最后，暂停模具层的制备，使用人工方法向模具腔体内填充结构件材料，形成结构件坯块2的一部分，如图3（i）所示。
步骤三，待填充的结构件材料凝固后，使用机械方法将塑料模具1切割成多块，同时使用机械力将切割后的模具1从结构件坯块2上分离开来，实现结构件坯块2的释放，如图3（j）。
实施例2：
本实施例中结构件有由三部分组成：1）下圆盘，该圆盘中间开有同心的圆孔；2）与下圆盘形状尺寸一致的上圆盘；3）中间环形壳体，连接下圆盘与上圆盘。图4（a）为结构件的外观图；图4（b）为结构件的剖视图，剖面为一竖直平面。
下面，结合图4,具体描述采用本发明加工该结构件的过程。
步骤一、首先根据结构件结构尺寸设计模具，设计的模具结构形状如图5（a）所示，模具由模具内层1a和模具外层1b两部分构成。
步骤二、使用上文所述的四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形。本实施例中采用的组合操作为：a项操作→b项操作→a项操作→b项操作。具体来说：首先使用三维打印技术制备模具外层1b，使用熔融沉积成形技术制备模具内层1a直至形成结构件下圆盘的填充腔体，如图5（b）所示，用于制备模具外层1b的材料为塑料，用于制备模具内层1a的材料为石蜡；然后暂停模具层的制备，使用人工方法向模具腔体内填充结构件材料，形成结构件坯块2的一部分，如图5（c）所示；再次，暂停结构件材料的填充，用三维打印技术制备模具外层1b，使用熔融沉积成形技术制备模具内层1a直至形成结构件中间环形壳体和上圆盘的填充腔体，如图5（d）所示，用于制备模具外层1b的材料为塑料，用于制备模具内层1a的材料为石蜡；最后，暂停模具层的制备，使用机械方法向模具腔体内填充结构件材料，形成结构件坯块2，如图5（e）所示。
步骤三，待填充的结构件材料凝固后，使用有机溶剂将模具外层1b的塑料溶解，如图5（f）所示。然后使用热熔法，加热去除模具内层1a的石蜡，实现结构件坯块2的释放，如图5（g）所示。
最后，将结构件坯块2放入烧结炉内烧结，烧结完成后，对其表面进行渗氮处理，使结构件性能达到需要状况。
实施例3：
本实施例中结构件结构为一圆柱体，图6为结构件的外形图。
下面，结合图7,具体描述采用本发明加工该结构件的过程。
步骤一、首先根据结构件结构尺寸设计模具，设计的模具结构形状如图7（a）所示，模具由模具内层1a和模具外层1b两部分构成。
步骤二、使用上文所述的四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形。本实施例中采用的组合操作为：a项操作→c项操作→b项操作。具体来说：首先使用熔融沉积成形技术制备模具外层1b，使用三维打印技术制备模具内层1a直至形成模具的底部结构，如图7（b）所示，用于制备模具外层1b的材料为石蜡，用于制备模具内层1a的材料为塑料；然后继续使用熔融沉积成形技术制备模具外层1b，使用三维打印技术制备模具内层1a，同时使用机械方法向模具内填充结构件材料，如图7（c）所示，t1时刻模具和结构件坯块的成形状况如图7（c）中实线所示，t2时刻模具和结构件坯块的成形状况如图7（c）中从下数第一组虚线所示，t3时刻模具和结构件坯块的成形状况如图7（c）中从下数第二组虚线所示，t4时刻模具和结构件坯块的成形状况如图7（c）中从下数第三组虚线所示（t1<t2<t3<t4），该项操作直至模具成形为止；最后，停止模具制备，使用机械方法向模具内部填充结构件材料，完成结构件坯块2的填充，如图7（d）所示。
步骤三，使用热熔法，加热去除模具外层1b的石蜡，如图7（e）所示，待填充的结构件材料凝固后，使用腐蚀液将模具内层1a的塑料腐蚀，实现结构件坯块2的释放，如图7（f）所示。
最后，使用机械加工方法对结构件坯块2进行加工，使其形状尺寸符合使用要求。
实施例4：
本实施例中结构件结构与实施例3相同，为一圆柱体，图6为结构件的外形图。
下面，结合图8,具体描述采用本发明加工该结构件的过程。
步骤一、首先根据结构件结构尺寸设计模具1，设计的模具1结构形状如图8（a）所示。
步骤二、使用上文所述的四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形。本实施例中采用的组合操作为：a项操作→b项操作→d项操作→a项操作→b项操作→d项操作→a项操作→b项操作。具体来说：首先使用熔融沉积成形技术在工作台3上制备模具1，直至形成模具的底部结构（模具整体结构的下面1/3），如图8（b）所示，用于制备模具1的材料为石蜡；然后停止模具的制备，向模具内填充结构件材料，如图8（c）所示；再次，停止填充结构件材料，同时继续停止模具的制备，等待填充材料固化；再次，使用熔融沉积成形技术继续制备模具1，直至形成模具的中部结构（模具整体结构的中间1/3），如图8（d）所示，用于制备模具1的材料为石蜡；再次，停止模具的制备，向模具内填充结构件材料，如图8（e）所示；再次，停止填充结构件材料，同时继续停止模具的制备，使用电吹风设备对填充材料加热以加速其固化；再次，使用熔融沉积成形技术继续制备模具1，直至完成模具制备，如图8（f）所示，用于制备模具1的材料为石蜡；最后，停止模具的制备，向模具内填充结构件材料，完成结构件坯块2的填充，如图8（g）所示。
步骤三、待填充的结构件材料凝固后，使用热熔法，加热去除模具1的石蜡，使用使用机械方法将结构件坯块2与操作台3分离，实现结构件坯块2的释放，如图8（h）所述。
最后，将结构件坯块2放入烧结炉内烧结，使结构件性能达到需要状况。
实施例5：
本实施例中结构件结构与实施例3相同，为一圆柱体，图6为结构件的外形图。
下面，结合图9,具体描述采用本发明加工该结构件的过程。
步骤一、首先根据结构件结构尺寸设计模具1，设计的模具1结构形状如图9（a）所示，。
步骤二、使用上文所述的四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形。本实施例中采用的组合操作为：c项操作。具体来说：使用熔融沉积成形技术在工作台3上制备模具1，同时填充结构件材料，直至完成完成模具1的制备以及结构件坯块2的成形，如图9（b）所示，t1时刻模具和结构件坯块的成形状况如图9（b）中从下数第一组虚线所示，t2时刻模具和结构件坯块的成形状况如图9（b）中从下数第二组虚线所示，t3时刻模具和结构件坯块的成形状况如图9（b）中从下数第三组虚线所示（t1<t2<t3）。
步骤三、待填充的结构件材料凝固后，使用热熔法，加热去除模具1的石蜡，如图9（c）所示，使用使用机械方法将结构件坯块2与操作台3分离，实现结构件坯块2的释放，如图9（d）。
最后，将结构件坯块2放入烧结炉内烧结，使结构件性能达到需要状况。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解本发明不受上述使用方法的限制，上述使用方法和说明书中描述的只是说本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护本发明范围内本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种三维结构成形方法，使用凝胶注模工艺制备三维结构，其特征在于：所述三维结构成形方法包含以下步骤：步骤一、根据结构件结构设计模具；步骤二、使用以下四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形，且在完成模具的制备前，至少实施过一次b项操作或者c项操作：a)使用快速成形工艺制备模具，但不填充结构件材料；b)不制备模具，但填充结构件材料；c)使用快速成形工艺制备模具，且填充结构件材料；d)不制备模具，且不填充结构件材料；步骤三、待填充的结构件材料凝固后，去除模具，将结构件坯块释放出来；步骤二中所述四种操作的组合操作包括以下四种形式：Ⅰ）采用a项操作和b项操作：先使用a项操作，再使用b项操作，重复上述过程，直至结束；Ⅱ）依次采用a项操作、c项操作和b项操作；Ⅲ）依次采用a项操作、b项操作和d项操作，直至结束；Ⅳ）采用c项操作；在所述步骤二中，在某一高度对应的结构件上的任意一点都填充完成前，该高度所对应的模具的腔体已制备完成。
2.根据权利要求1所述的三维结构成形方法，其特征在于：步骤一中所述模具设计是使用计算机软件程序完成。
3.根据权利要求1所述的三维结构成形方法，其特征在于：步骤二中所述快速成形工艺为三维打印技术。
4.根据权利要求1所述的三维结构成形方法，其特征在于：步骤二中用于形成所述模具的材料为塑料或石蜡或塑料与石蜡的组合。
5.根据权利要求1所述的三维结构成形方法，其特征在于：所述填充方法为人工填充或计算机程序控制下的机械填充或上述两种方法的组合。
6.根据权利要求1所述的三维结构成形方法，其特征在于：步骤三中所述的去除模具的方法为机械去除法或热熔去除法或溶剂溶解法或化学腐蚀法或上述四种方法的任意组合。
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2014
- 2014-12-31 CN CN201410846367.5A patent/CN105109040B/zh not_active Expired - Fee Related
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|---|
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