CN110303157A - 预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法 - Google Patents

预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法。以预制砂型件作为第一支撑，以沿着基板的水平方向，间隔设置在预制砂型件之间的金属支撑件作为第二支撑，在预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构表面，采用增材制造技术打印所述的金属零件：先将所有预制砂型件按照相应位置放置在基板上，并在金属支撑件的预留位置，在基板上送粉/送丝打印与预制砂型件贴合的金属支撑件，在打印金属零件之前，在预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件。本发明防止了送粉/送丝打印阶段因无结构支撑导致熔池倒塌，从而导致打印失败的缺陷，且本发明避免了多余的机械加工，减少复杂结构金属零件的成型成本。

Description

预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体而言提出增材制造中基于预制砂型送粉/送丝打印复杂金属零件的方法。
背景技术
3D打印现已较多用于铸造领域中，常用的技术有：熔融沉积快速成型技术(FDM)、光固化成型技术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)、无模铸型制造技术(PCM)、3D喷墨打印技术(3DP)。3DP是替代传统铸造用铸型和铸芯的理想成型方式，成型过程无需铸模和混砂等操作，完美的融合了传统产业和增材制造技术。利用3DP生产铸型、铸芯既推广了3D打印的发展，又是促进了铸造行业的技术革新。
砂型打印砂型原材料比较特殊，打印过程并不出现扬尘，砂型与粘合剂之间的作用均在相对封闭的箱体内进行，减少了对环境的污染，减少了对人体的伤害。其次，3D打印制造模具省去了制作模具的过程，节约成本的同时，提高了产品生产的灵活性。再次，3D打印提高了产品的精度和质量，成型复杂零件的能力大大加强。对此国内外有相关专家学者对增材制造与砂型打印的结合进行了一系列的研究：
清华大学颜永年教授团队(Lu Q,Du Z,YanY,et al.Study onmultifunctionalrapidprototyping manufacturing system[J].Integrated Manufacturing Systems,1998,9(4):236-241.)在3DP进行了深入的研究，这种技术是先铺一层粉末，然后将粘结剂用喷头喷在需要成型的地方，之后让粉末粘结在零件表面，再不断的铺粉，喷涂，粘结，一层一层的叠加之后成型出最终的零件。
杜延强等(杜延强.大型铸件砂芯3D打印难点浅析[J].金属加工(热加工),2016(15):17-19.)研究发现，3D打印出的砂芯容易排气，退让性和固定性差，芯骨、芯排气管难以放入。因此考虑将砂芯打印出带“外冷铁槽”的结构，但实验发现由于尺寸问题，仍需要有补砂填缝的工作量。
杨铁毅等(杨铁毅,郭为忠.3D打印砂模的结构优化设计方法研究[J].机械工程学报,2017(21):169-177.)针对砂型结构和浇注过程中的载荷分布的关系做优化设计，推导出三个方向上的砂型厚度设计的数学公式。如式(1)～式(3)所示。经过结构的仿真设计及计算优化，证实了此砂模结构优化设计能够有效控制浇道的载荷分布，提高了3D打印砂模的经济效益和科学性。
其中，T为优化厚度，σb为抗拉强度，k为机械变形许用系数，n为弯曲应力许用系数，m为剪切应力许用系数。
但同时，激光熔化沉积技术(送粉打印)因激光器光斑直径较大，存在打印精度不够，成型过程中热应力较大导致零件变形，打印过程中熔池无衬托作用导致成型复杂件能力较差的问题。且电弧增材制造技术(送丝打印)在电弧大热量的作用下熔池同样因没有支撑作用而发生塌陷。
以上研究均只针对了先3D打印砂型、砂芯再进行砂型铸造等方面，最终应用在铸造上。并没有在增材制造方面提高激光熔化沉积(送粉打印)和电弧增材制造技术(送丝打印)的复杂零件的成型能力，因此这个问题亟待解决。
发明内容
本发明目的在于提供一种预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明提出一种预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法，以预制砂型件作为第一支撑，以沿着基板的水平方向，间隔设置在预制砂型件之间的金属支撑件作为第二支撑，在预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构表面，采用增材制造技术打印所述的金属零件，具体的打印步骤为：先将所有预制砂型件按照相应位置放置在基板上，并在金属支撑件的预留位置，在基板上送粉/送丝打印与预制砂型件贴合的金属支撑件，在打印金属零件之前，在预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件。
进一步的，预制砂型件采用3D喷墨打印技术(3DP)打印。
更进一步的，预制砂型件以型砂和粘结剂采用3D喷墨打印技术(3DP)打印。
进一步的，金属零件或/和金属支撑件采用激光增材制造技术送粉打印。
进一步的，金属零件或/和金属支撑件采用电弧增材制造技术送丝打印。
进一步的，送粉打印金属零件和金属支撑件时，打印高度为0.6～0.8mm，激光功率为900～1500w，扫描速度为480～720mm/min，扫描间距为1.7mm。
进一步的，送丝打印金属零件和金属支撑件时，打印高度为1～1.5mm，送丝打印采用CMT焊接技术，送丝速度7.5-8.5m/min；焊接速度0.006-0.01m/s；干伸长8mm；气流量25L/min。
进一步的，预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构中，预制砂型件材质包括如下任意一种：二氧化硅、氧化铝、氮化硅、石墨等，金属支撑件材质包括如下任意一种：不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金等。
进一步的，所述金属粉末的材质与金属零件的材质一致。
进一步的，预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构中，预制砂型件的数量不小于1，且每间隔2～10mm设置一个金属支撑件，优选间隔4～6mm设置一个金属支撑件。
进一步的，打印结束后，金属支撑件通过机加工的方式去除。
进一步的，打印结束后，预制砂型件通过溶解剂溶解的方式去除。
本发明的预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法，其显著的优点在于：使用预制砂型送粉/送丝打印出复杂结构的金属零件和金属支撑结构，在此打印的过程中，防止送粉/送丝打印阶段因无结构支撑导致熔池倒塌，从而导致打印失败的缺陷。而是通过预制砂型和金属支撑件，起到支撑熔池的作用。金属零件成型之后，使用溶解剂溶解预制砂型件，之后只需去除少数的支撑，避免了多余的机械加工，减少复杂结构金属零件的成型成本，满足了市场需求。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中的相应操作步骤均用文字在图中进行标注。为了清晰起见，在每个图中，并非每个步骤部分均被描述。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明的预制砂型支撑增材制造送粉/送丝打印金属零件的流程图。
图2是本发明的预制砂型支撑增材制造送粉打印金属零件的剖面示意图。
图3是本发明的预制砂型支撑增材制造送粉打印金属零件的剖面示意图。
图4是本发明的预制砂型支撑增材制造送粉打印金属零件的剖面示意图。
图5是本发明的预制砂型支撑增材制造送丝打印金属零件的剖面示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
根据本发明的公开一种旨在预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法。首先通过3D喷墨打印技术(3DP)制备若干预制砂型件，接着将所有预制砂型件放置在基板的相应位置上，并在预制砂型件之间即金属支撑件的预留位置，采用增材制造打印与预制砂型件贴合的金属支撑件，以预制砂型件和金属支撑件构成的结构作为支撑，再在预制砂型件的打印位置进行送粉/送丝打印金属零件，且每次打印前在预制砂型件的打印位置喷洒金属粉末作表面处理，打印结束后，将预制砂型件使用溶解剂溶解后，最后使用机械加工去除金属支撑和基板得到金属零件。
结合图1所示，作为本发明的示例性实施，前述具体的实施过程包括：
步骤1、首先按照待打印的金属零件的形状，设计出预制砂型件的形状和数量，并预留出沿着基板的水平方向间隔设置在预制砂型件间的金属支撑件的位置和数量，在基板上，每间隔2～10mm设置一个金属支撑件，且所有预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构与待打印的金属零件的内壁贴合。
步骤2、运用3D喷墨打印技术(3DP)打印出设计好的预制砂型件，打印材料为型砂和树脂粘结剂(粘结剂的加入量为1.8％～2％)。
步骤3、先将所有预制砂型件按照相应位置放置在基板上，并预留出金属支撑件的位置。
步骤4、在基板上，在金属支撑件的预留位置，采用激光熔融沉积(送粉打印)或电弧增材制造技术(送丝打印)打印金属支撑件。
步骤5、待金属支撑件全部打印结束之后，在预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理。
步骤6、以预制砂型件和金属支撑件构成的结构作为支撑，再在预制砂型件的打印位置进行送粉/送丝打印金属零件。
步骤7、采用溶解剂溶解掉预制砂型件中的树脂粘结剂从而使粘结的型砂分散化，从而达到去除预制砂型件的目的。
步骤8、使用机械加工将金属支撑件去除，得到所需的金属零件。
由此，在通过上述过程通过预制砂型打印金属零件，最后采用溶解剂溶解预制砂型件并机械加工去除金属支撑件结构，实现了增材制造送粉/送丝打印复杂结构零件的可能性。
为了便于更好的理解，下面结合具体以下5种增材实例对本发明进行进一步说明，在实施例中，金属支撑件和预制砂型件可以选取配对的合金粉末/丝材和型砂材料，包括如钢和二氧化硅的组合，钛合金和氧化铝的组合，铜合金和氮化硅的组合，铝合金和石墨的组合。但合金粉末/丝材、型砂材料种类不限于实施例中的所列举的各种粉末/丝材与型砂材料成分，且本发明内容包含而不限于实施例中的材质组合搭配。
【实施一】
(1)、结合图2所述金属零件的结构，设计出预制砂型件(即预制砂型散件)的形状，并确定其数量为4个，并预留出间隔纵向设置在预制砂型件间的金属支撑件(即金属支撑)的位置和数量，需满足4个预制砂型件和3个金属支撑件构成的支撑结构与待打印的金属零件的内壁贴合，每间隔5mm设置一个金属支撑件。
(2)、运用3D喷墨打印技术(3DP)打印出二氧化硅的预制砂型件备用，粘结剂为1.8％～2wt％黏土。(3)、结合图2(a)～图2(d)，将所有预制砂型件按照相应位置摆放在基板(即金属基板)上，并预留出金属支撑件的位置。运用激光熔融沉积(送粉打印)打印出301不锈钢金属支撑件备用。
(4)、待301不锈钢金属支撑件全部打印结束之后，在预制砂型件打印位置上先喷射301不锈钢金属粉末作表面处理。
(5)以预制砂型件和金属支撑件构成的结构作为支撑，再在预制砂型件上进行送粉打印金属零件。
金属支撑件与金属零件打印参数如下：单层打印高度为0.6mm，激光功率为900W，扫描速度为500mm/min，扫描间距为1.7mm。
(6)、将打印成型的金属零件与金属支撑件和预制砂型件浸泡于酒精溶解剂中，溶解掉粘结剂黏土后，去除预制砂型件。
(7)、使用机械加工将金属支撑件和基板去除，得到所需的301不锈钢金属零件。
本实施具体的工艺参数可根据砂型材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施二】
(1)、结合图2所述金属零件的结构，设计出预制砂型件(即预制砂型散件)的形状，并确定其数量为4个，并预留出间隔纵向设置在预制砂型件间的金属支撑件(即金属支撑)的位置和数量，需满足4个预制砂型件和3个金属支撑件构成的支撑结构与待打印的金属零件的内壁贴合，每间隔5mm设置一个金属支撑件。
(2)、运用3D喷墨打印技术(3DP)打印出氧化铝的预制砂型件备用，粘结剂为1.8％～2wt％黏土。
(3)、结合图2(a)～图2(d)，将所有预制砂型件按照相应位置摆放在基板上，并预留出金属支撑件的位置。运用激光熔融沉积(送粉打印)打印出TC4钛合金金属支撑件备用。
(4)、待TC4钛合金金属支撑件全部打印结束之后，在预制砂型件打印位置上先喷射TC4钛合金粉末作表面处理。
(5)以预制砂型件和金属支撑件构成的结构作为支撑，再在预制砂型件上进行送粉打印金属零件。
金属支撑件与金属零件打印参数如下：单层打印高度为0.7mm，激光功率为1000W，扫描速度为560mm/min，扫描间距为1.7mm。
(5)、将打印成型的金属零件与金属支撑件和预制砂型件浸泡于酒精溶解剂中，溶解掉粘结剂黏土后，去除预制砂型件。
(6)、使用机械加工将金属支撑件和基板去除，得到所需的TC4钛合金金属零件。
本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施三】
(1)、结合图3所述金属零件的结构，设计出预制砂型件(即预制砂型散件)的形状，并确定其数量为4个，并预留出间隔纵向设置在预制砂型件间的金属支撑件(即金属支撑)的位置和数量，需满足4个预制砂型件和3个金属支撑件构成的支撑结构与待打印的金属零件的内壁贴合，每间隔6mm设置一个金属支撑件。
(2)、运用3D喷墨打印技术(3DP)打印出氮化硅的预制砂型件备用，粘结剂为1.8％～2wt％硅酸钠。
(3)、结合图3(a)～图3(d)，将所有预制砂型件按照相应位置摆放在基板上，并预留出金属支撑件的位置。运用激光熔融沉积(送粉打印)打印出CuSn10铜合金金属支撑件备用。
(4)、待CuSn10铜合金金属支撑件全部打印结束之后，在预制砂型件打印位置上先喷射CuSn10铜合金粉末作表面处理。
(5)以预制砂型件和金属支撑件构成的结构作为支撑，再在预制砂型件上进行送粉打印金属零件。
金属支撑件与金属零件打印参数如下：单层打印高度为0.8mm，激光功率为1100W，扫描速度为600mm/min，扫描间距为1.7mm。
(6)、将打印成型的金属零件与金属支撑件和预制砂型件浸泡于酒精溶解剂中，溶解掉粘结剂硅酸钠后，去除预制砂型件。
(7)、使用机械加工将金属支撑件和基板去除，得到所需的CuSn10铜合金金属零件。
本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施四】
(1)、结合图4所述金属零件的结构，设计出预制砂型件(即预制砂型散件)的形状，并确定其数量为4个，并预留出间隔纵向设置在预制砂型件间的金属支撑件(即金属支撑)的位置和数量，需满足4个预制砂型件和3个金属支撑件构成的支撑结构与待打印的金属零件的内壁贴合。
(2)、运用3D喷墨打印技术(3DP)打印出石墨的预制砂型件备用，粘结剂为1.8％～2wt％酚醛树脂。
(3)、结合图4(a)～图4(d)，将所有预制砂型件按照相应位置摆放在基板上，并预留出金属支撑件的位置。运用激光熔融沉积(送粉打印)打印出AlSi10Mg铝合金金属支撑件备用。
(4)、待AlSi10Mg铝合金金属支撑件全部打印结束之后，在预制砂型件打印位置上先喷射AlSi10Mg铝合金粉末作表面处理。
(5)以预制砂型件和金属支撑件构成的结构作为支撑，再在预制砂型件上进行送粉打印金属零件。
金属支撑件与金属零件打印参数如下：单层打印高度为0.8mm，激光功率为1500W，扫描速度为720mm/min，扫描间距为1.7mm。
(6)、将打印成型的金属零件与金属支撑件和预制砂型件浸泡于酒精溶解剂中，溶解掉粘结剂酚醛树脂后，去除预制砂型件。
(7)、使用机械加工将金属支撑件和基板去除，得到所需的AlSi10Mg铝合金金属零件。
本实施具体的工艺参数可根据砂型材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。
【实施五】
(1)、结合图5所述金属零件的结构，设计出预制砂型件(即预制砂型散件)的形状，并确定其数量为5个，并预留出间隔纵向设置在预制砂型件间的金属支撑件(即金属支撑)的位置和数量，需满足5个预制砂型件和4个金属支撑件构成的支撑结构与待打印的金属零件的内壁贴合。
(2)、运用3D喷墨打印技术(3DP)打印出二氧化硅的预制砂型件备用，粘结剂为1.8％～2wt％呋喃树脂。
(3)、结合图5(a)～图5(d)，将所有预制砂型件按照相应位置摆放在基板上，并预留出金属支撑件的位置。运用电弧增材制造技术(送丝打印)打印出TC4钛合金金属支撑件备用。
(4)、待TC4钛合金金属支撑件全部打印结束之后，在预制砂型件打印位置上先喷射TC4钛合金粉末作表面处理。
(5)以预制砂型件和金属支撑件构成的结构作为支撑，再在预制砂型件上进行送丝打印金属零件。
金属支撑件与金属零件的CMT打印参数如下：送丝速度7.5m/min；焊接速度0.006m/s；干伸长8mm；气流量25L/min；
(6)、将打印成型的金属零件与金属支撑件和预制砂型件浸泡于酒精溶解剂中，溶解掉粘结剂呋喃树脂后，去除预制砂型件。
(7)、使用机械加工将金属支撑件和基板去除，得到所需的TC4钛合金金属零件。
本实施具体的工艺参数可根据砂型材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。
本实施具体的工艺参数可根据型砂材料和金属种类的不同采用相应的工艺参数。在增材制造领域，激光熔化沉积(送粉打印)和电弧增材制造技术(送丝打印)因不像激光选区熔化(铺粉打印)具有粉末为熔池起到衬托作用，成型复杂零件时容易导致熔池倒塌，从而复杂结构零件成型失败。在本发明前述的实施例中，在打印过程中引入预制砂型可以起到衬托送粉/送丝打印熔池的作用，不至于在打印过程中熔池倒塌导致打印失败，同时通过打印金属支撑减少送粉/送丝打印过程中热应力对成型的影响，提高了送粉/送丝打印复杂结构零件的能力。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种预制砂型支撑增材制造打印金属零件的方法，其特征在于，以预制砂型件作为第一支撑，以沿着基板的水平方向，间隔设置在预制砂型件之间的金属支撑件作为第二支撑，在预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构表面，采用增材制造技术打印所述的金属零件，具体的打印步骤为：
先将所有预制砂型件按照相应位置放置在基板上，并在金属支撑件的预留位置，在基板上送粉/送丝打印与预制砂型件贴合的金属支撑件，在打印金属零件之前，在预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属粉末的材质与金属零件的材质一致。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预制砂型件采用3D喷墨打印技术打印。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属零件或/和金属支撑件采用增材制造技术送粉打印。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，送粉打印金属零件和金属支撑件时，打印高度为0.6～0.8mm，激光功率为900～1500w，扫描速度为480～720mm/min，扫描间距为1.7mm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属零件或/和金属支撑件采用增材制造技术送丝打印。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，送丝打印金属零件和金属支撑件时，打印高度为1～1.5mm，送丝打印采用CMT焊接技术，送丝速度7.5-8.5m/min；焊接速度0.006-0.01m/s；干伸长8mm；气流量25L/min。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构中，预制砂型件的数量不小于1，且每间隔2～10mm设置一个金属支撑件，优选间隔4～6mm设置一个金属支撑件。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预制砂型件材质包括如下任意一种：二氧化硅、氧化铝、氮化硅、石墨，金属零件与金属支撑件的材质相同，包括如下任意一种：不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括打印结束后，依次去除预制砂型件、金属支撑件和基板的步骤。
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