CN109047769A - 金属零件增材精密成型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属零件增材精密成型的方法，包括以下步骤：包括以下步骤：步骤1、将金属零件表面分为待加工表面和非加工表面，制作与所述非加工表面相符的铸模，所述铸模的制作采用3D打印成型；步骤2、采用均匀金属微滴喷射技术，通过喷头向铸模底板逐层喷射金属液滴，直至喷射完成；步骤3、成型、静置冷却，出模，清理成型件。本发明通过将3D打印铸模与均匀金属微滴喷射成型技术结合起来实现直接精密成型金属零部件，成型后的金属零件的尺寸精度、表面质量、内部质量以及质量的稳定性均高于传统铸造方法。

Description

金属零件增材精密成型的方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种金属零件增材精密成型的方法。

背景技术

高性能金属部件的铸造工艺设计，通常以建立顺序凝固为基本设计原则。但受工艺方法的限制，对各区域凝固过程的补缩能力有差异。浇道、冷铁的设置对铸件的凝固过程同样有很大影响。对于一些容易出现偏析的合金，由于流程过长，局部温差大，还容易出现偏析缺陷。因此，铸件各处的凝固条件无可避免地存在很大差异，相应地各处力学性能差异很大，难以使部件所有部位均达到高性能。对于一些复杂金属部件，内部质量、尺寸需要进行多次工艺实验才能得到有效控制。一些铸造性能差的合金，要获得高质量、高性能的部件，对铸造工艺、铸造条件的要求非常高，造成成本很高。

均匀微滴喷射沉积技术是快速成形技术的新兴分支之一，具有制造周期短、加工柔性高、适用材料广泛等优点。相比焊接、激光熔覆等方法，能实现更快速度的材料堆积。目前对该技术的研究较少，多以直接成型毛坯为目标。为获得尺寸精确的零件，该方法喷射的金属液滴过热度不能太高，太高会导致尺寸精度下降，组织粗大。同时为获得高的致密度，需要保证喷射的金属液滴温度较高。两者妥协的结果是做出的部件表面粗糙。液滴之间的交接位置容易出现孔洞、冷隔、裂纹等缺陷。故该技术目前只用于坯料制造，不能实现精密成型。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种金属零件增材精密成型的方法，本发明通过将3D打印铸模与均匀金属微滴喷射成型技术结合起来实现直接精密成型金属零部件，成型后的金属零件的尺寸精度、表面质量、内部质量以及质量的稳定性均高于传统铸造方法。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种金属零件增材精密成型的方法，包括以下步骤：

步骤1、将金属零件表面分为待加工表面和非加工表面，制作与所述非加工表面相符的铸模，所述铸模的制作采用3D打印成型。

步骤2、采用均匀金属微滴喷射技术，通过喷头向铸模底板逐层喷射金属液滴，直至喷射完成。

步骤3、成型、静置冷却，出模，清理成型件。

优选的是，步骤1中所述待加工表面在所述金属零件成型后再进行精加工。

优选的是，步骤2喷射过程中，通过尺寸检测装置实时对已凝固的金属层进行尺寸测量，并与所述已凝固的金属层预定的尺寸进行比对，根据差值大小，通过控制器修正所述喷头的运行速度，同时调整所述喷头喷射的金属量，以减小实时测量的尺寸与所述预定的尺寸之间的差值。

优选的是，步骤2中在所述已凝固的金属层处添加冷却介质，并根据工艺条件以及熔池附近所述已凝固的金属层的温度场，实时调整所述冷却介质的添加量和添加的部位。

优选的是，所述尺寸检测装置包括区域探测模块以及区域尺寸生成模块，所述区域探测模块用于探测所需测量的区域，并生成所述区域实体图形传输至所述区域尺寸生成模块，所述区域尺寸生成模块根据所述实体图形生成所述区域的尺寸数据信息。

优选的是，步骤2中所述已凝固的金属层的温度场由测温装置监控，所述测温装置包括温度测量模块和温度监控模块，所述温度测量模块用于获取测量区域内的已凝固的金属层内的不同点的温度，并集合生成温度场数据信息；所述温度监控模块根据所述温度场数据信息控制所述冷却介质的添加量以及添加部位。

优选的是，所述测量区域的范围为所述冷却介质冷却部位以上与熔池以下的部分。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明在传统铸造技术基础上，采用3D打印的方式制作铸模，避免了以往传统铸模涉及的模具制作周期长，工序繁琐以及制作成本高，以及复杂型腔难以制备等问题，通过3D打印的方式铸模不仅极大的缩短了铸模周期，同时打印过程中可实时修正数据以便提高打印效果，降低了成本以及劳动力的投入；在铸模完成的基础上，结合均匀金属微滴喷射的方式进行喷射成型，通过喷射的方式延长铸模充型的过程，便于后期边充型边凝固边冷却的工序的实现，以达到充型过程中各部位的补缩距离更短且更容易得到补缩，充型的金属层各部位的凝固差异更小的目的，从而使最终获得的成型的金属零件各部位力学性能差异更小，即力学性能的一致性更好，所述方法将3D打印铸模与均匀金属微滴喷射成型技术结合起来实现直接精密成型金属零部件，成型后的金属零件的尺寸精度、表面质量、内部质量以及质量的稳定性均高于传统铸造方法。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述金属零件增材精密成型的方法的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供一种金属零件增材精密成型的方法，包括以下步骤：

步骤1、将金属零件表面分为待加工表面和非加工表面，制作与所述非加工表面相符的铸模1，所述铸模1的制作采用3D打印成型。

步骤2、采用均匀金属微滴喷射技术，通过喷头2向铸模1底板3逐层喷射金属液滴4，直至喷射完成。

步骤3、成型、静置冷却，出模，清理成型件。

在上述方案中，在传统铸造技术基础上，采用3D打印的方式制作铸模1，避免了以往传统铸模1涉及的模具制作周期长，工序繁琐以及制作成本高等问题，通过3D打印的方式铸模1不仅极大的缩短了铸模1周期，同时打印过程中可实时修正数据以便提高打印效果，降低了成本以及劳动力的投入；在铸模1完成的基础上，结合均匀金属微滴喷射的方式进行喷射成型，通过喷射的方式延长铸模1充型的过程，便于后期边充型边凝固边冷却的工序的实现，以达到充型过程中各部位的补缩距离更短且更容易得到补缩，充型的金属层各部位的凝固差异更小的目的，从而使最终获得的成型的金属零件各部位力学性能差异更小，即力学性能的一致性更好，所述方法将3D打印铸模1与均匀金属微滴喷射成型技术结合起来实现直接精密成型金属零部件，成型后的金属零件的尺寸精度、表面质量、内部质量以及质量的稳定性均高于传统铸造方法。

一个优选方案中，步骤1中所述待加工表面在所述金属零件成型后再进行精加工。

在上述方案中，不加工的表面通过铸模1约束成型，无需再次进行精加工，而其他表面非铸模1接触约束面，制作过程中形成粗糙表面，或者是有装配要求的表面，需在成型后再次精加工，以达到表面粗糙度要求。

一个优选方案中，步骤2喷射过程中，通过尺寸检测装置6实时对已凝固的金属层9进行尺寸测量，并与所述已凝固的金属层9预定的尺寸进行比对，根据差值大小，通过控制器修正所述喷头2的运行速度，同时调整所述喷头2喷射的金属量，以减小实时测量的尺寸与所述预定的尺寸之间的差值。

在上述方案中，所述尺寸检测装置6实时测量初凝的金属层的尺寸，并与预设的尺寸进行比对，若比对出现差值，根据差值通过控制器控制喷头2的移动的速度，同时控制喷头2喷射的金属量，形成反馈系统，以逐步减小实际尺寸与预定尺寸之间的差值，根据实际成型部分及时修正相应的参数，保证凝固的金属层相关尺寸的精准性，从而保证成型后整个金属零件尺寸的精准性。

一个优选方案中，步骤2中在所述已凝固的金属层9处添加冷却介质5，并根据工艺条件以及熔池8附近所述已凝固的金属层9的温度场，实时调整所述冷却介质5的添加量和添加的部位。

在上述方案中，通过边凝固边冷却的方式，降低金属零件各部位的差异性；通过在刚凝固的金属层处设置冷却介质5，以保证冷却的及时性，为保证冷却效果最佳，需根据实际初凝的金属层的温度场，按需添加冷却介质5，从而使金属层内部的力学性能差异更小。

一个优选方案中，所述尺寸检测装置6包括区域探测模块以及区域尺寸生成模块，所述区域探测模块用于探测所需测量的区域，并生成所述区域实体图形传输至所述区域尺寸生成模块，所述区域尺寸生成模块根据所述实体图形生成所述区域的尺寸数据信息。

在上述方案中，在喷射过程中，熔池8的位置不定，随着已凝固的金属层9的高度逐渐升高，测量的区域也在不断的变动，通过所述区域探测模块实时准确探测需测量尺寸的区域，保证在区域变化时，区域探测模块随着区域变动，为区域尺寸生成模块提供准确的尺寸测量的基础，并通过区域探测模块将测量区域转换为直观的实体图形，所述区域尺寸生成模块通过实体图形(三维数据)直接生成尺寸数据信息，更加方便高效。

一个优选方案中，步骤2中所述已凝固的金属层9的温度场由测温装置7监控，所述测温装置7包括温度测量模块和温度监控模块，所述温度测量模块用于获取测量区域内的已凝固的金属层9内的不同点的温度，并集合生成温度场数据信息；所述温度监控模块根据所述温度场数据信息控制所述冷却介质5的添加量以及添加部位。

在上述方案中，通过所述温度测量模块可探知初凝的金属层内的不同点处的温度，以便准确了解冷却介质5的使用效果是否达到要求的冷却标准，并通过温度监控模块根据温度场信息，实时调整冷却介质5的使用量以及冷却介质5使用的位置，以保证金属层内的冷却尽可能的达到一致的冷却效果，以使各部位的凝固差异达到最小。

一个优选方案中，所述测量区域的范围为所述冷却介质5冷却部位以上与熔池8以下的部分。

在上述方案中，冷却介质5冷却部位以上是喷射后初凝部位，其内部不同点的温度受冷却介质5的影响最大，在金属层初凝的状态通过冷却介质5进行冷却，以减少金属层之间的力学性能差异，使得金属零件之间保持很好的一致性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种金属零件增材精密成型的方法，其中，包括以下步骤：

步骤1、将金属零件表面分为待加工表面和非加工表面，制作与所述非加工表面相符的铸模，所述铸模的制作采用3D打印成型；

步骤2、采用均匀金属微滴喷射技术，通过喷头向铸模底板逐层喷射金属液滴，直至喷射完成；

步骤3、成型、静置冷却，出模，清理成型件。

2.根据权利要求1所述的金属零件增材精密成型的方法，其中，步骤1中所述待加工表面在所述金属零件成型后再进行精加工。

3.根据权利要求1所述的金属零件增材精密成型的方法，其中，步骤2喷射过程中，通过尺寸检测装置实时对已凝固的金属层进行尺寸测量，并与所述已凝固的金属层预定的尺寸进行比对，根据差值大小，通过控制器修正所述喷头的运行速度，同时调整所述喷头喷射的金属量，以减小实时测量的尺寸与所述预定的尺寸之间的差值。

4.根据权利要求3所述的金属零件增材精密成型的方法，其中，步骤2中在所述已凝固的金属层处添加冷却介质，并根据工艺条件以及熔池附近所述已凝固的金属层的温度场，实时调整所述冷却介质的添加量和添加的部位。

5.根据权利要求3所述的金属零件增材精密成型的方法，其中，所述尺寸检测装置包括区域探测模块以及区域尺寸生成模块，所述区域探测模块用于探测所需测量的区域，并生成所述区域实体图形传输至所述区域尺寸生成模块，所述区域尺寸生成模块根据所述实体图形生成所述区域的尺寸数据信息。

6.根据权利要求4所述的金属零件增材精密成型的方法，其中，步骤2中所述已凝固的金属层的温度场由测温装置监控，所述测温装置包括温度测量模块和温度监控模块，所述温度测量模块用于获取测量区域内的已凝固的金属层内的不同点的温度，并集合生成温度场数据信息；所述温度监控模块根据所述温度场数据信息控制所述冷却介质的添加量以及添加部位。

7.根据权利要求6所述的金属零件增材精密成型的方法，其中，所述测量区域的范围为所述冷却介质冷却部位以上与熔池以下的部分。