CN108015288A - 一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法 - Google Patents

一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108015288A
CN108015288A CN201711170546.1A CN201711170546A CN108015288A CN 108015288 A CN108015288 A CN 108015288A CN 201711170546 A CN201711170546 A CN 201711170546A CN 108015288 A CN108015288 A CN 108015288A
Authority
CN
China
Prior art keywords
melting
low
point metal
metal parts
metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711170546.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108015288B (zh
Inventor
叶春生
赵火平
樊自田
施雨农
黄双君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN201711170546.1A priority Critical patent/CN108015288B/zh
Publication of CN108015288A publication Critical patent/CN108015288A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108015288B publication Critical patent/CN108015288B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/20—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by extruding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Abstract

本发明公开了一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，属于金属增材制造技术领域。包括：(1)采用软件对低熔点金属零件三维模型进行分层切片；(2)在可升降成形工作台铺设一层待成形的低熔点金属粉末；(3)采用可加热挤出头将低熔点金属粉末挤出为连续丝状材料，根据层面轮廓信息选择性熔接成形工作台中金属粉末，使之形成当前层轮廓；(4)成形工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；(5)依次重复步骤(2)至步骤(4)，直到低熔点金属零件成形。本发明解决了低熔点金属零部件采用激光熔覆快速制造的高成本问题，同时解决了现有熔丝沉积成形工艺不能成形大倾斜角和长悬臂结构低熔点金属零部件的问题。

Description

一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种低熔点金属零件的熔融挤出成形方法。
背景技术
低熔点金属零部件通常采用铸造方法成形，由于铸造工艺通常需要先加工零件模样再制造铸型，其成形效率低、成本高。而当成形内腔狭窄、形状复杂的低熔点金属铸件时，通常需借助铸造型芯来完成，但用于成形铸造型芯的芯盒加工难易程度受制于型芯本身的复杂程度，导致复杂型芯的加工效率更低，成本更高。因此，低熔点金属零部件实现无模化快速直接成形是当前铸造业的发展趋势。
增材制造技术是将三维实体离散为二维层面进行分层加工而叠加成形。该技术首先通过三维建模软件在计算机中绘制金属零部件的三维模型，然后把模型转化为标准的STL格式文件。STL格式文件经切片软件按成形方向切片处理后得到一系列二维层面轮廓数据信息，再由层面数据信息生成数控加工指令，控制成形头按照层面轮廓信息逐层选择性固化原材料并叠加成形。增材制造成形过程由计算机全程控制，无需专用夹具、工具和模具。它们与传统的加工成形工艺相比，具有设计制造一体化、成形过程高度柔性化和快速化、劳动强度低、材料利用率高、操作简便等优势。
目前，用于低熔点金属零部件成形的增材制造技术主要有：基于粉末材料成形的选区激光熔覆(SLM)、基于粉末材料成形的微喷射粘结成形(3DP)、基于丝材成形的熔丝沉积成形(FDM)。选区激光熔覆采用高能束激光加热金属粉末而使其熔接成形。由于激光器的成本和环境要求较高，在民品制造业中难以应用；微喷射粘结成形采用喷墨技术喷射粘结剂粘结粉末成形，成形的金属零件坯体疏松多孔，还需进行脱脂烧结，只适用于成形多孔金属材料；熔丝沉积成形的成形材料为丝材，由于没有支撑结构，成形的金属零部件不能有长悬臂结构。
因此，需要开发一种新型的低熔点金属零部件快速成形方法，以克服现有激光熔覆成形技术成本高、熔丝沉积成形技术难制造大倾斜角和长悬臂结构金属零部件的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，其目的在于，采用低成本的机械挤出头替代激光熔覆成形的激光器，可显著降低低熔点金属零部件增材制造的设备和维护成本；或者采用可铺粉的成形工作台替代熔丝沉积成形的工作台，挤出头所用材料由丝材变为粉末材料，则通过挤出头挤出的熔融金属丝材成形长悬臂结构时，成形工作台中的粉层既是成形材料也是支撑材料。由此解决低熔点金属零部件激光熔覆成形的高成本问题和熔丝沉积成形不能成形大倾斜角和长悬臂结构的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)采用切片软件对低熔点金属零件三维模型进行分层切片，将各个层片信息转换为G代码加工指令；
(2)根据加工指令，在可升降成形工作台表面铺设一定层厚的待成形金属粉末并预热至最低固相线温度以下的某一温度，使待成形金属粉末被加热至尽量高但是不熔化的温度，以保证后续待成形金属粉末的连续丝状材料与工作台中的待成形金属粉末间的温差尽量小；
(3)采用挤出头将待成形金属粉末加热至熔融状态并将其挤出为连续丝状材料，根据层面轮廓信息选择性熔接成形台中金属粉末使之形成当前层轮廓；
(4)待当前层轮廓成形后，成形工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)依次重复步骤(2)至步骤(4)，直到低熔点金属零部件成形；
(6)将低熔点金属零部件从成形台中取出，对其表面进行清理。
以上发明构思中，分别用于铺粉和熔融挤出的低熔点金属粉末材料的组分视待成形的低熔点金属零部件的材料组分及性能而定，用于铺粉的金属粉末可为单一组分也可为多组分混合的金属粉末，用于熔融挤出的金属粉末可为单一组分也可为多组分混合的金属粉末。步骤(3)中，所述将低熔点金属粉末加热至熔融状态是指加热温度在固相线温度和液相线温度之间的某一温度，使金属粉末材料达到固液混合状态，具有一定的粘塑性而保证挤出为连续丝状。
进一步的，步骤(2)和(3)中，所述待成形金属粉末是金属零部件同质粉末，或者是按金属零部件成分配比的粉末，或者是金属零部件组分中的一种或几种配比粉末。
进一步的，步骤(3)中，所述挤出头为陶瓷材料的螺杆式挤出头，具有加热保温功能，加热温度范围为40—700℃。
进一步的，步骤(4)中，所述层厚为0.05mm～0.2mm之间。
进一步的，步骤(2)中，在成形工作台中首层铺设的粉层厚度应小于步骤(4)中的分层厚度，且该层厚应小于或等于挤出金属丝材的固化高度。
进一步的，所成形的低熔点金属零件包括锌及锌合金零部件、锡及锡合金零部件、铝及铝合金零部件、镁及镁合金零部件。
本发明结合了激光熔覆成形可成形任意复杂结构金属零部件和熔丝沉积成形低成本制造的优势，采用激光熔覆成形的成形工作台和铺粉机构替代熔丝沉积成形的工作台，可使熔丝沉积成形实现任意复杂结构低熔点金属零部件的低成本快速直接成形。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、以待成形低熔点金属粉末为挤出材料，通过可加热的机械挤出头挤出熔融的连续金属丝材进行熔接工作台中的金属粉层，可实现任意复杂结构低熔点金属零部件的低成本快速制造。该方法的运行成本显著低于激光熔覆成形，且其能制造任意复杂结构低熔点金属零部件的特性比传统熔丝沉积成形的应用范围更广。
2、通过调节分别用于铺设和挤出的低熔点金属粉末材料的组分及配比，可实现任意物相组分或具有梯度结构的低熔点金属零部件的快速成形。
附图说明
图1是本发明方法的工艺流程图；
图2是本发明实施例中低熔点金属零部件外形结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，图1是本发明方法的工艺流程图，由图可知，其包括如下步骤：
(1)根据待成形的低熔点金属零部件外形尺寸，通过三维制图软件对其进行建模，获得三维模型，采用切片软件对所述三维模型沿成形方向进行分层切片，将各个层面信息转换为设备可读的G代码加工指令。三维制图软件和切片软件选用常用的譬如AutoCAD、Solidworks、UG、Pro/E、Slic3r、SKeinforge等。
(2)根据所述分层切片的加工指令，铺粉装置在成形工作台中铺设一层待成形低熔点金属粉末材料，并对成形工作台中的粉末层进行预热。所述金属粉末材料组分为待成形低熔点金属零部件同质粉末，或一种或几种按组分配比的混合粉末，颗粒为近球形，其粒径范围优选为300目～500目，铺粉装置的铺粉速度优选为0.2m/s～1m/s，铺设第一层粉末的厚度小于分层厚度，预热温度低于粉层中某一组分粉末的最低熔点或固相线温度。
(3)对机械挤出头中的低熔点金属粉末进行加热，采用螺杆挤出头实现对挤出头腔体中的低熔点金属粉末进行连续丝状挤出，并选择性熔接成形工作台中的粉末使之成为当前层轮廓。所述挤出头中的金属粉末材料组分为待成形低熔点金属零部件同质粉末，或一种或几种按组分配比的混合粉末，挤出头扫描速度优选为0.2m/s～0.5m/s。所述对挤出头中金属粉末进行加热的温度应高于粉末中的最低熔点或固相线。
(4)待当前层轮廓成型后，成形工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度。层厚高度为0.05mm～0.2mm；
(5)依次重复步骤(2)至步骤(4)，直到低熔点金属零部件成形；
(6)待其冷却后将其从成形工作台中取出，对其表面进行清理。所成形的低熔点金属零部件包括锌及锌合金零部件、锡及锡合金零部件、铝及铝合金零部件、镁及镁合金零部件。
在上述低熔点金属零部件熔融挤出成形方法中，成形工作台置于常温常压气体保护环境下，并且具有按照低熔点金属零部件成形需求对成形工作台和挤出头进行加热、保温等实时控温功能。
为了进一步说明本方法，下面给出具体的实施例。实施例是利用本发明方法成形一个Zn-30Sn金属叶片，叶片最大外形尺寸为其具体的结构形状如图2所示，图2是本发明实施例中低熔点金属零部件外形结构示意图。
实施例1：
(1)根据待成形的低熔点金属零件外形轮廓尺寸，通过三维制图软件建立三维模型并转换为STL文件格式，采用切片软件对所述三维模型的STL格式文件沿成形方向进行分层切片，切片厚度为0.08mm，共275层，获得各层面轮廓信息，并转换为设备可执行的加工指令。
(2)根据所述层面轮廓的加工指令，铺粉器在成形工作台中铺设第一层Zn-30Sn合金粉末，层厚为0.05mm，并预热至180℃(该温度低于Zn-30Sn合金固相线温度196.5℃)。所述金属粉末材料颗粒为近球形，粒径范围优选为300目～500目，陶瓷粉末基体材料的休止角为28°，粉末床的铺粉速度优选为0.5m/s。
(3)将挤出头温度加热至230℃(该温度在Zn-30Sn合金的固液温度区间)使Zn-30Sn合金粉末处于固液混合的熔融状态，采用螺杆将熔融的金属材料挤出为连续丝状材料，在成形工作台上方选择性沉积到粉层表面熔接金属粉末使之形成当前层轮廓。挤出头扫描速度优选为0.2m/s。
(4)待当前层轮廓成型后，成形工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度。层厚高度为0.08mm；
(5)依次重复步骤(2)至步骤(4)，直到Zn-30Sn合金叶轮零件成形。
(6)待叶轮零件冷却后，将其从成形工作台中取出，对其表面进行清理。
实施例2：
(1)根据待成形的低熔点金属零件外形轮廓尺寸，通过三维制图软件建立三维模型并转换为STL文件格式，采用切片软件对所述三维模型的STL格式文件沿成形方向进行分层切片，切片厚度为0.2mm，共110层，获得各层面轮廓信息，并转换为设备可执行的加工指令。
(2)根据所述层面轮廓的加工指令，铺粉器在成形工作台中铺设第一层锌粉和锡粉的混合粉末，层厚为0.1mm，并预热至200℃(该温度低于锡金属的熔点231.9℃)。所述金属粉末材料颗粒为近球形，粒径范围优选为300目～500目，陶瓷粉末基体材料的休止角为28°，粉末床的铺粉速度优选为0.3m/s。
(3)将挤出头温度加热至250℃(该温度高于锡金属的熔点231.9℃)使锌金属粉末和锡金属粉末处于固液混合的熔融状态，采用螺杆将熔融的金属材料挤出为连续丝状材料，在成形工作台上方选择性沉积到粉层表面熔接金属粉末使之形成当前层轮廓。挤出头扫描速度优选为0.2m/s。
(4)待当前层轮廓成型后，成形工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度。层厚高度为0.2mm；
(5)依次重复步骤(2)至步骤(4)，直到Zn-30Sn合金叶轮零件成形。
(6)待叶轮零件冷却后，将其从成形工作台中取出，对其表面进行清理。
上述实施例中，以Zn-30Sn金属叶片的成形工艺说明了本方法工艺过程。实施例1和实施例2说明了成形的金属粉末材料组分和配比不同时，则成形工作台和挤出头的加热温度就随之改变。同样，锡及锡合金零部件、铝及铝合金零部件、镁及镁合金零部件也可按上述工艺方法成形，只要相对改变成形粉末材料以及相应的工艺参数便可实现，根据实际工程需要灵活调整即可。
本发明的方法采用螺杆式挤出头把金属粉末加热至固液混合的熔融状态以挤出连续丝状，选择性熔接成形工作台中的粉末试制形成当前层轮廓，成形工作台中的粉末既是成形粉末也是支撑结构，可成形任意复杂结构的低熔点金属零部件。本发明解决了当前激光熔覆成形低熔点金属零部件高成本问题和熔丝沉积成形不能成形大倾斜角和长悬臂结构的低熔点金属零部件。本发明也为直接快速制造低熔点金属零部件提供了新的工艺方法，能够实现基于粉末材料成形的任意复杂低熔点金属或复合材料零件的快速制造。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)采用软件对低熔点金属零件三维模型进行分层切片，将各个层片信息转换为G代码加工指令；
(2)根据加工指令，在可升降成形工作台表面铺设设定厚度的待成形金属粉末并预热至最低固相线温度以下的设定温度；
(3)采用挤出头将待成形金属粉末加热至熔融状态并将其挤出以获得连续丝状材料，根据层面轮廓信息选择性熔接可升降成形工作台表面铺设的金属粉末，以形成当前层轮廓，
将低熔点金属粉末加热至熔融状态是指加热温度在固相线温度和液相线温度之间的某一温度，使金属粉末材料达到固液混合状态，具有一定的粘塑性而保证挤出为连续丝状；
(4)待当前层轮廓成形后，成形工作台沿Z轴方向下移一个层厚高度；
(5)依次重复步骤(2)至步骤(4)，直到低熔点金属零部件成形，
(6)将成形的低熔点金属零部件从成形台中取出，对其表面进行清理。
2.如权利要求1所述的一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，其特征在于，步骤(2)和(3)中，待成形金属粉末是金属零部件同质粉末，或者是按金属零部件成分配比的粉末，或者是金属零部件组分中的一种或几种配比粉末。
3.如权利要求2所述的一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，其特征在于，步骤(3)中，所述挤出头为陶瓷材料的螺杆式挤出头，具有加热保温功能，加热温度范围为40℃～700℃。
4.如权利要求3所述的一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，其特征在于，步骤(4)中，所述层厚为0.05mm～0.2mm之间。
5.如权利要求4所述的一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法，其特征在于，步骤(2)中，在成形工作台中首层铺设的粉层厚度应小于步骤(4)中的分层厚度，且该层厚应小于或等于挤出金属丝材的固化高度。
6.如权利要求5所述的一种低熔点金属零件熔融挤出成形方法，其特征在于，所成形的低熔点金属零件包括锌及锌合金零部件、锡及锡合金零部件、铝及铝合金零部件、镁及镁合金零部件。
CN201711170546.1A 2017-11-22 2017-11-22 一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法 Active CN108015288B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711170546.1A CN108015288B (zh) 2017-11-22 2017-11-22 一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711170546.1A CN108015288B (zh) 2017-11-22 2017-11-22 一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108015288A true CN108015288A (zh) 2018-05-11
CN108015288B CN108015288B (zh) 2019-06-07

Family

ID=62080837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711170546.1A Active CN108015288B (zh) 2017-11-22 2017-11-22 一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108015288B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114147224A (zh) * 2020-09-08 2022-03-08 中国科学院理化技术研究所 一种金属粉末的成形方法与应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130140278A1 (en) * 2011-01-13 2013-06-06 Gerald J. Bruck Deposition of superalloys using powdered flux and metal
CN104646670A (zh) * 2015-03-06 2015-05-27 沈湧 高频感应熔融的金属3d打印机
CN105599106A (zh) * 2015-12-31 2016-05-25 华中科技大学 一种陶瓷型芯坯体的微喷射粘结成形方法
CN106381489A (zh) * 2016-11-29 2017-02-08 中国矿业大学 激光熔覆挤压涂层制备装置及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130140278A1 (en) * 2011-01-13 2013-06-06 Gerald J. Bruck Deposition of superalloys using powdered flux and metal
CN104646670A (zh) * 2015-03-06 2015-05-27 沈湧 高频感应熔融的金属3d打印机
CN105599106A (zh) * 2015-12-31 2016-05-25 华中科技大学 一种陶瓷型芯坯体的微喷射粘结成形方法
CN106381489A (zh) * 2016-11-29 2017-02-08 中国矿业大学 激光熔覆挤压涂层制备装置及方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114147224A (zh) * 2020-09-08 2022-03-08 中国科学院理化技术研究所 一种金属粉末的成形方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN108015288B (zh) 2019-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106001568B (zh) 一种梯度材料金属模具3d打印一体化制备方法
Prakash et al. Additive manufacturing techniques in manufacturing-an overview
US20210205888A1 (en) Feedstock for 3d printing, preparation method and application thereof
JP7064878B2 (ja) ベリリウムを含有する物品の付加製造
Kumar et al. Review on the evolution and technology of State-of-the-Art metal additive manufacturing processes
CN107774996B (zh) 一种多材料梯度点阵结构的零件的一体化成形方法
CN101780544A (zh) 一种采用激光成形难熔金属零件的方法
CN102941343B (zh) 一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法
Xinhong et al. Hybrid plasma deposition and milling for an aeroengine double helix integral impeller made of superalloy
CN103407296A (zh) 一种激光熔融辅助纳米墨水实现高熔点材料3d打印的方法
US11053567B2 (en) Method for the fabrication of architected 3D high entropy alloy structures
CN107649681A (zh) 一种制备耐热铝合金的方法
CN109759579A (zh) 一种金属基复合材料粉末的三维印刷快速成型方法
CN103949639A (zh) 一种激光选区熔化技术制备Nb-Si基超高温合金的方法
CN104388849A (zh) 一种金属基复合材料零部件的快速成形方法
CN109317675A (zh) 一种高致密度纯钼选区激光熔化制备方法
CN103480845A (zh) 一种3d打印方法及其送粉刷机构
CN105312570A (zh) 一种用于零件或模具的增量制造方法
CN102773479A (zh) 一种难熔金属零部件的近净成形方法
Parenti et al. Shape deposition manufacturing of 316L parts via feedstock extrusion and green-state milling
CN105772712A (zh) 一种基于差异化粒径的多材质增材制造粉末分离方法
US20180290194A1 (en) Additive manufacturing apparatus using a semi-solid extrusion of wire
CN108015288B (zh) 一种低熔点金属零部件熔融挤出成形方法
Mahamood et al. Additive manufacturing of funtionally graded materials
CN105798294A (zh) 一种难熔材料的快速零件成形方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant