CN108723368A - 一种slm成形316l构件消除支撑结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，包括以下步骤：将SLM金属构件安装于金属基座上，且在SLM金属构件上设置支撑结构；将打印好的具有支撑结构的SLM金属构件采用井式气体渗碳炉进行渗碳；将渗碳后的SLM金属构件放入到电溶解设备中进行腐蚀；将零件基座与SLM金属构件通过机加工分离，再用砂纸及有机溶剂进行局部的打磨清洗，使用NaOH溶液去除油污；处理好的SLM金属构件放入电抛光机中进行抛光。本发明使构件减少或避免多次机加工对构件造成损伤，电化学腐蚀方法缩短了处理时间，提高了构件后处理的效率。

Description

一种SLM成形316L构件消除支撑结构的方法
技术领域
本发明涉及快速成型领域，具体是一种SLM成形316L构件消除支撑结构的方法。
背景技术
快速成型是通过计算机辅助设计、制造、控制，将三维构件模型离散成二维层片，在二维层片上选择性成型，最终叠加成为三维构件的方法。SLM技术是快速成型领域极具发展前景的一种成型技术，SLM技术是一种在激光束的热作用下，金属粉末完全熔化、经冷却凝固而成型的技术。通过SLM技术成型具有薄层多孔结构、尖角结构、复杂异型曲面等构件时，易产生悬面结构，且由于热应力也易发生翘曲，对构件的精度产生影响，甚至导致构件无法使用。因此，在打印金属构件的同时，有必要对构件外部支撑结构进行设计，以保证构件的精度。采用合理的支撑结构设计可以有效地解决构件的变形，同时节省材料，提高打印效率。
在现有的消除金属构件支撑结构的方法中，多采用机加工，如铣削、电火花加工等，但很多复杂结构的构件不易机加工，甚至需要特制的加工设备，因此限制了SLM打印构件的使用范围。如果解决了复杂SLM打印复杂构件的消除支撑结构问题，这将使SLM在打印复杂构件上的优点得以发挥，有助于一次成型构件的使用。因此，针对以上现状，迫切需要开发一种SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，以克服当前实际应用中的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，包括以下步骤：
1）将SLM金属构件安装于金属基座上，且在SLM金属构件上设置支撑结构；
2）将打印好的具有支撑结构的SLM金属构件采用井式气体渗碳炉进行渗碳；
3）将渗碳后的SLM金属构件对其零件基座的底面进行线切割，去除掉表面碳钢后放入到电溶解设备中进行腐蚀，通过液氮控温装置控制腐蚀时的温度，腐蚀时间0.6h；腐蚀即将结束时逐渐减小电流，待电流变成0A或接近0A不再变化时将SLM金属构件取出；
4）将零件基座与SLM金属构件通过机加工分离，再用砂纸及有机溶剂进行局部的打磨清洗，使用NaOH溶液去除油污；
5）处理好的SLM金属构件放入电抛光机中进行抛光。
进一步的，在步骤1）中，支撑结构包括若干等边三棱空心柱和与空心柱相配合的梯形接头，支撑结构厚度为100μm，梯形接头的梯形下底长度为1mm，梯形接头的梯形腰与梯形上底外夹角80°，梯形接头的梯形高为500μm，在支撑结构中，各个空心柱的中心的距离为1.2mm。
进一步的，在步骤2）中，井式气体渗碳炉的功率为35KW，工作温度为950℃，渗碳时间为2.5h，气体渗碳炉内侧下部设置有具有散热功能的炉架，将SLM金属构件放置于具有散热功能的炉架上，气体渗碳炉内还设有热辐射设备，气体渗碳炉的底部设置有换气风扇，换气风扇通过管路连接过滤器。
进一步的，在步骤3）中，零件基座与防腐蚀、防漏的硅胶层密封连接，即零件基座的底面完全且只与连接第一可控电源阴极的第一电极接触，第一电极的另一面与腐蚀液接触，电溶解设备的内壁设置多个连接第一可控电源阳极的第二电极。
进一步的，在步骤3）中，所用腐蚀液为质量分数70wt% 的硝酸溶液，第一电极和第二电极为铂电极，第一可控电源的电压为100mV，电压监测设备的监测电压在10mv-50mv，电流监测设备的监测电流在45mA-55mA。
进一步的，在步骤5）中，电抛光机采用电控螺杆、四个连接第二可控电源正极的第三电极实现阳极反应和搅拌功能，第二可控电源的负极连接第四电极；抛光用液为质量分数为94wt%的硫酸和丙醇混合物；第三电极和第四电极为钛合金电极，第二可控电源工作电压控制10V，抛光时间10min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为不适合机加工的SLM金属构件提供了一种去除支撑结构的电化学腐蚀方法，为实现上述目的，本发明采用井式气体渗碳炉对构件进行渗碳，以求对精确掌握构件的渗碳厚度；采用能够监控电流、电压、控制温度的电溶解设备以控制构件的腐蚀程度；最后采用阳极能够旋转的电抛光设备以抛光各种复杂的SLM构件，以使构件减少或避免多次机加工对构件造成损伤。同时，电化学腐蚀方法缩短了处理时间，提高了构件后处理的效率。附图说明
图1本发明SLM制造316L气动喷嘴剖面结构示意图。
图2本发明SLM制造316L气动喷嘴打印支撑结构示意图。
图3本发明SLM制造316L气动喷嘴支撑结构示意图。
图4本发明SLM制造316L气动喷嘴支撑结构接头示意图。
图5本发明SLM制造316L气动喷嘴零件进行气体渗碳示意图。
图6本发明SLM制造316L气动喷嘴零件进行电溶解支撑结构示意图。
图7本发明SLM制造316L气动喷嘴零件进行电解抛光示意图。
图中：1、与构件相连的金属基座；2、支撑结构；3、热辐射设备；4、具有散热功能的炉架；5、过滤器；6、换气风扇；7、液氮控温装置；8、第二电极；9、硝酸溶液；10、保温箱体；11、硅胶层；12、电压监测设备；13、第一电极；14、第一可控电源；15、电流监测设备；16、由电机控制的螺杆；17、第三电极；18、第四电极；19、第二可控电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
适用于SLM成形316L构件消除支撑结构的方法的金属有很多，不同的金属采用渗碳厚度、溶解液、抛光液，也略有不同，本发明以316LSS通过SLM方法成型的气动喷嘴为例说明，本实例结构示意图如图1所示。
航天发动机对气动喷嘴的精度、强度、耐高温及耐腐蚀能力具有很高要求，且能够显著提升燃烧室的燃烧效率。通过SLM成型、316LSS作为打印材料的喷嘴，能够符合这些方面的要求，但喷嘴的尺寸达到了100mm级别，具有复杂曲面和悬垂面，故需要添加支撑结构，其支撑结构2与零件结合的示意图如图2所示，特别的，本发明添加合理的与构件相连的316LSS金属基座1，以便于电溶解支撑结构。
本实例用等边三棱空心柱的结构和梯形接头的支撑结构2，如图3、4所示。本实例支撑结构2厚度设计为100μm、梯形下底长度为1mm、梯形腰与梯形上底外夹角80°、梯形高为500μm的结构，在支撑结构2中，各个空心柱的中心的距离为1.2mm，梯形接头使得支撑结构2更容易被腐蚀。
如图5所示，打印好的具有支撑结构2的316LSS气动喷嘴零件进行渗碳，采用井式气体渗碳炉对构件进行渗碳可以很好地控制渗碳厚度，采用功率35KW，温度950℃的参数，渗碳2.5h达到渗碳厚度100μm，进行渗碳时需要注意炉内温度的控制，以及保证气体均匀流动，以使构件均匀渗碳；具体的，气体渗碳炉内侧下部设置有具有散热功能的炉架4，将SLM金属构件放置于具有散热功能的炉架4上，气体渗碳炉内还设有热辐射设备3，气体渗碳炉的底部设置有换气风扇6，换气风扇6通过管路连接过滤器5。
完成表面渗碳的316LSS气动喷嘴零件表面的碳钢具有100μm，且厚度为100μm的支撑结构2也已经变成了碳钢，碳钢相对于不锈钢更易被腐蚀氧化，故表面及支撑结构2的碳钢与内部不锈钢零件在电解液环境中形成了原电池，牺牲阳极保护阴极，使用直流电源对此构件施加电流，实现可以监测电流变化的电解池，根据此原理本发明实现了可以控制腐蚀厚度的电溶解设备，如图6所示。
在将零件放入设备（保温箱体10）之前，需对零件基座1的底面进行线切割，将表面碳钢去除掉，可放入设备；在倒入腐蚀液之前，零件基座1需与防腐蚀、防漏的硅胶层11实现密封，即零件基座1的底面完全且只与连接第一可控电源14阴极的第一电极13接触，第一电极13的另一面与腐蚀液接触；考虑到316LSS的材质，本实例采用质量分数70wt%HNO3的腐蚀液，电溶解设备的内壁设置多个连接第一可控电源14阳极的第二电极8，第一电极13和第二电极8选用铂电极，考虑零件表面积大小，第一可控电源14的电压约100mV，以使电压监测设备12的监测电压在10mv-50mv，电流监测设备15的监测电流在50mA左右；同时通过液氮控温装置7控制腐蚀时的温度，减少温度对腐蚀的影响，腐蚀时间约0.6h；在腐蚀开始时电流会很大且变化很剧烈，待电流稳定后再做调整，腐蚀将要结束时电流减小，待电流变成0A时或接近0A不再变化时将零件取出。
零件腐蚀完毕后，将零件基座1与零件通过机加工分离，再用砂纸及有机溶剂进行局部的打磨清洗，使用NaOH溶液去除油污；处理好的零件放入电抛光机中进行抛光，如图7所示；考虑SLM成型构件的复杂曲面，本发明采用电控螺杆16、四个连接第二可控电源19正极的第三电极17实现阳极反应和搅拌功能，第二可控电源19的负极连接第四电极18，考虑316LSS的材质，选用质量分数94wt% H2SO4和丙醇混合物，第三电极17和第四电极18选用钛合金电极，第二可控电源19工作电压控制10V，抛光时间10min左右，同时控制好温度，完成加工。
本发明为不适合机加工的SLM构件提供了一种去除支撑结构的电化学腐蚀方法，为实现上述目的，本发明采用井式气体渗碳炉对构件进行渗碳，以求对精确掌握构件的渗碳厚度；采用能够监控电流、电压、控制温度的电溶解设备以控制构件的腐蚀程度；最后采用阳极能够旋转的电抛光设备以抛光各种复杂的SLM构件，以使构件减少或避免多次机加工对构件造成损伤。同时，电化学腐蚀方法缩短了处理时间，提高了构件后处理的效率。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.一种SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将SLM金属构件安装于金属基座上，且在SLM金属构件上设置支撑结构；
2）将打印好的具有支撑结构的SLM金属构件采用井式气体渗碳炉进行渗碳；
3）将渗碳后的SLM金属构件对其零件基座的底面进行线切割，去除掉表面碳钢后放入到电溶解设备中进行腐蚀，通过液氮控温装置控制腐蚀时的温度，腐蚀时间0.6h；腐蚀即将结束时逐渐减小电流，待电流变成0A或接近0A不再变化时将SLM金属构件取出；
4）将零件基座与SLM金属构件通过机加工分离，再用砂纸及有机溶剂进行局部的打磨清洗，使用NaOH溶液去除油污；
5）处理好的SLM金属构件放入电抛光机中进行抛光。
2.如权利要求1所述的SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，其特征在于，在步骤1）中，支撑结构包括若干等边三棱空心柱和与空心柱相配合的梯形接头，支撑结构厚度为100μm，梯形接头的梯形下底长度为1mm，梯形接头的梯形腰与梯形上底外夹角80°，梯形接头的梯形高为500μm，在支撑结构中，各个空心柱的中心的距离为1.2mm。
3.如权利要求1所述的SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，其特征在于，在步骤2）中，井式气体渗碳炉的功率为35KW，工作温度为950℃，渗碳时间为2.5h；气体渗碳炉内侧下部设置有具有散热功能的炉架，将SLM金属构件放置于具有散热功能的炉架上，气体渗碳炉内还设有热辐射设备，气体渗碳炉的底部设置有换气风扇，换气风扇通过管路连接过滤器。
4.如权利要求1所述的SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，其特征在于，在步骤3）中，零件基座与防腐蚀、防漏的硅胶层密封连接，即零件基座的底面完全且只与连接第一可控电源阴极的第一电极接触，第一电极的另一面与腐蚀液接触，电溶解设备的内壁设置多个连接第一可控电源阳极的第二电极。
5.如权利要求1或4所述的SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，其特征在于，在步骤3）中，所用腐蚀液为质量分数70wt% 的硝酸溶液，第一电极和第二电极为铂电极，第一可控电源的电压为100mV，电压监测设备的监测电压在10mv-50mv，电流监测设备的监测电流在45mA-55mA。
6.如权利要求1所述的SLM成形316L构件消除支撑结构的方法，其特征在于，在步骤5）中，电抛光机采用电控螺杆、四个连接第二可控电源正极的第三电极实现阳极反应和搅拌功能，第二可控电源的负极连接第四电极；抛光用液为质量分数为94wt%的硫酸和丙醇混合物；第三电极和第四电极为钛合金电极，第二可控电源工作电压控制10V，抛光时间10min。
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