CN111390169A - 金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法 - Google Patents

金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造技术领域，公开了一种金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法。首先对具有悬垂结构的零件模型进行处理，在悬垂区域下方填充结构以消除其悬垂结构，这里填充的结构可视为零件支撑，再把零件与支撑同时导入切片软件切分沉积层，沉积层包括零件区域和支撑区域，然后利用金属立体成型技术在同一沉积层中分别使用不同金属材料沉积零件区域和支撑区域，如此层层沉积可制备具有异质支撑的悬垂结构，最后通过化学铣切的方法去除异质支撑，可获得具有悬垂结构的复杂金属零件。本发明能够解决金属立体成型技术难以成型复杂零件的问题，有效减少后续机加工处理，提升金属立体成型技术成型复杂零件的能力。

Description

金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其是指一种金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法。
背景技术
金属立体成型过程是在数控系统的控制下，用同步送料+高能热源的方法将熔融的金属材料按照一定的填充路径在基材上逐点冷却、堆积，形成沉积层，逐层堆积最终形成三维实体零件。金属立体成型所形成的熔池必须有材料支撑，而零件悬垂结构的下表面缺少熔池的支撑材料，这大大限制了金属立体成型的打印复杂零件的能力。因此，为了提高金属立体成型技术制备复杂零件的能力、减轻零件自重和节约成本，如何利用金属立体成型技术制备复杂零件的悬垂结构成为增材制造领域的技术人员亟待解决的问题。
使用五轴机床是利用金属立体成型技术制备复杂零件的方案之一。当需要制备悬垂结构时，增材制造从业人员可通过调整机床将具有一定倾角的悬垂结构调整为与水平面垂直的竖直结构，从而消除悬垂结构。但是，该方案对设备要求较高，市场上现存的金属立体成型设备大部分为三轴机床，改造设备的成本较高。同时，由于设备成型空间的限制，调整大型复杂零件的角度具有一定的约束。
现有技术中，还出现了使用砂型支撑也是利用金属立体成型技术制备复杂零件的方案。例如，当需要制备悬垂结构时，增材制造技术人员可通过在悬垂下方制备砂型支撑或填充预制砂型来消除悬垂结构。但是，砂型打印与金属打印存在明显区别。如果将砂型打印与金属打印同时进行则不可避免的需要在原有金属打印设备上增添一套砂型打印系统；如果将砂型打印和金属打印分别独立进行(即预制砂型)则有可能限制金属打印的活动空间，导致部分金属结构难以打印，另外该方法也难以打印点阵结构等具有复杂悬垂结构的零件。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法，该方法首先对具有悬垂结构的零件模型进行处理，在悬垂区域下方填充支撑结构以消除悬垂结构，再把零件与支撑同时导入切片软件切分沉积层，单一沉积层包括零件区域和支撑区域，然后利用金属立体成型技术在同一沉积层中分别使用不同金属材料沉积零件区域和支撑区域，如此层层沉积可制备具有异质支撑的悬垂结构，最后通过化学铣切的方法去除异质支撑，可获得具有悬垂结构的复杂金属零件。本发明能够解决金属立体成型技术难以成型复杂零件的问题，有效减少后续机加工处理，提升金属立体成型技术成型复杂零件的能力。
进一步的，异质支撑打印材料包括如下任意一种：不锈钢、高温合金、钛合金、铝合金。
进一步的，异质支撑的化学铣切溶液不能对零件材料产生明显铣切效果，为加速支撑材料的化学铣切进程，可使用机加工的方式去除部分异质支撑，在化学铣切时应不断翻转零件，并定时补充新鲜化学铣切溶液。
进一步的，三维建模软件包括但不限于Solidworks、Pro\E、UG等三维造型软件。
进一步的，前处理软件包括但不限于Magics、设备自带软件等前处理软件。
进一步的，悬垂结构是指下表面或下表面的局部不直接接触基板或支撑的结构。
进一步的，所述方法还包括打印结束后去除金属基板和化学铣切后对零件毛坯进行必要机加工等步骤。
本发明的金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法，其显著的优点在于：
在金属零件立体成型过程汇总，使用完全填充异质支撑的方法避免了在金属立体成型过程中制备悬垂结构，减小了复杂零件的打印难度。金属零件制备完成后再使用化学铣切的方法去除支撑。
该方法在具体实施过程中可使用双桶送粉器分别储备零件材料和支撑材料，并通过自动控制切换送粉桶以实现沉积层内零件区域和支撑区域的材料更换，仅需三轴机床，无需多个成型系统同时工作，也无需预制支撑结构。相比于五轴机床、多成型系统联动和预制支撑等方法，该方法所需设备的复杂度和工序的复杂度较低且对零件复杂度更加不敏感，由于完全填充到悬垂结构下方的支撑结构消除了悬垂结构，为热应力变形提供了足够的约束，同时每个悬垂结构的下方采用完全支撑的方式，同时解决了复杂零件悬垂结构的热应力变形问题。
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是本发明通过金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的流程图。
图2是本发明通过金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的其中一个实施例的剖面示意图。
图3是本发明通过金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的另一个实施例的剖面示意图。
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。
本发明公开了一种金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法。在本方法中，首先对具有悬垂结构的零件模型进行处理，在悬垂区域下方填充结构以消除其悬垂结构，这里填充的结构可视为零件支撑，再把零件与支撑同时导入切片软件切分沉积层，沉积层包括零件区域和支撑区域，然后利用金属立体成型技术在同一沉积层中分别使用不同金属材料沉积零件区域和支撑区域，如此层层沉积可制备具有异质支撑的悬垂结构，最后通过化学铣切的方法去除异质支撑，可获得具有悬垂结构的复杂金属零件。
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：通过三维建模或前处理软件填充悬垂结构下方的空白区域，这里填充材料可视为支撑结构，此时包含零件与支撑的结构模型不包含任何悬垂结构；
步骤2：把步骤1中处理过的结构模型导入切片软件划分沉积层，获得切片文件；
步骤3：把步骤2中的切片文件导入设备(增材制造打印设备)，在基板上进行逐层沉积制造；
步骤4：在同一沉积层内，若只包含零件区域，则使用零件材料制备沉积层，若同时包含零件区域和支撑区域，则先使用零件材料制备沉积层的零件部分，再使用支撑材料制备沉积层的支撑部分，理论上不存在只包含支撑部分的沉积层；
步骤5：重复步骤4，最终获得包含至少一种异质支撑的零件毛坯。
步骤6：线切割下零件，然后通过化学铣切去除异质支撑即可获得具有悬垂结构的复杂零件。
上述过程通过添加异质支撑消除了复杂零件的悬垂结构，打印出零件后线切割并通过化学铣切去除异质支撑，降低了增材制造送粉打印复杂结构零件的难度。
为了便于更好的理解，下面结合具体以下3种增材实例对本发明进行进一步说明，
在本发明的下述实施例中，零件和异质支撑选取配对的合金粉末/丝材，包括如316L不锈钢和AlSi10Mg的组合，TC4钛合金和316L不锈钢的组合。
应当理解，合金粉末/丝材种类不限于实施例中所列举的各种粉末/丝材成分，且本发明内容包含而不限于实施例中的材质组合搭配。
【实施例一】
(1)结合图2所示的平行悬垂结构的金属立体零件，通过三维造型软件填充平行悬垂下方的空白区域(填充结构视为支撑)。
(2)把零件和支撑作为一个整体导入模型切片软件并分别设置打印厚度、工艺参数和扫描策略，设置零件部分由送粉桶1供粉，设置支撑部分由送粉桶2供粉，导出加工文件代码。
(3)准备送粉打印，送粉桶1装填316L粉末，送粉桶2装填AlSi10Mg粉末(铸造铝合金粉末)，开始打印。
316L粉末的打印参数如下：送粉速度为7.5～8.1g/min，单层打印高度为0.6mm，激光功率为1400W，扫描速度为600mm/min，扫描间距为1.7mm。
AlSi10Mg粉末的打印参数如下：送粉速度为2.4～3.0g/min，单层打印高度为0.6mm，激光功率为1200W，扫描速度为480mm/min，扫描间距为1.6mm。
(4)打印完成后，取出零件，线切割后进行简单的机加工去除部分支撑，然后进行化学铣切去除异质支撑，化学铣切时可定时添加新鲜化学铣切液并不断翻转零件以加速化学铣切过程，并最终得到去除异质支撑的316L零件毛坯。
在该实施例中，异质支撑的材质为AlSi10Mg，化学铣切溶液成分为20～30％的NaOH溶液；金属零件的材质为316L，与NaOH溶液无明显化学铣切反应。
(5)对316L零件毛坯进行必要的后处理(如去应力退火、机加工)得到最终零件。
【实施二】
(1)结合图3所示点阵结构的金属立体零件，通过三维造型软件填充点阵结构中间的空白区域(填充结构视为支撑)。
(2)把零件和支撑作为一个整体导入模型切片软件并分别设置打印厚度、工艺参数和扫描策略，设置零件部分由送粉桶1供粉，设置支撑部分由送粉桶2供粉，导出加工文件代码。
(3)准备送粉打印，送粉桶1装TC4粉末，送粉桶2装填316L不锈钢粉末，开始打印。
TC4粉末的打印参数如下：送粉速度为4.2～4.8g/min，单层打印高度为0.6mm，激光功率为1600W，扫描速度为600mm/min，扫描间距为1.7mm。
316L粉末的打印参数如下：送粉速度为7.5～8.1g/min，单层打印高度为0.6mm，激光功率为1400W，扫描速度为600mm/min，扫描间距为1.7mm。
(4)打印完成后，取出零件，线切割后进行化学铣切去除异质支撑，化学铣切时可定时添加新鲜化学铣切液并不断翻转零件以加速化学铣切过程，并最终得到去除异质支撑的TC4零件毛坯。
在该实施例中，异质支撑的材质为316L，化学铣切溶液成分为20～30％的HNO3溶液，并添加3～5％的HCI增加铣切速度；金属零件的材质为TC4，可与HNO3反应，但该反应在TC4表面生成不溶于硝酸的TiO(NO3)2保护膜，使反应停止，因此不会对TC4金属零件产生明显化学铣切效果。
(5)对零件毛坯进行必要的后处理(如去应力退火)得到最终零件。
以上实施例具体的工艺参数可根据砂金属粉末种类的不同、设备的不同采用相应的工艺参数。
本发明前述实施过程中使用的化学铣切，实质将金属材料被加工的部位暴露于化学介质中进行腐蚀，通过化学溶液腐蚀工件预先确定的部位，从而获得所需要的形状、加工尺寸和尺寸精度的一种加工方法。应用化学铣切工艺可以加工铝、镁、钛、镍、铜、钢铁等多种金属和合金。
腐蚀不同的金属需要使用不同的腐蚀溶液。对于铝合金来说，使用以氢氧化钠为主要组分的碱性腐蚀溶液。对于钢、钛合金，则采用含有硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等多种混合酸组成的酸性腐蚀溶液。
本发明金属立体成型是采用同步送料的方式逐层沉积材料，在制备零件时便于更换成型材料，同时不同金属材料的化学铣切溶液具有明显区别。利用金属立体成型技术制备含有多种金属材料的简单结构零件，再利用化学铣切方法去除其中一种或多种异质金属材料可获得具备复杂结构的零件。
在增材制造领域，金属立体零件的打印成型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，在打印过程中引入完全支撑的异质支撑以整体起到衬托送粉熔池的作用，不至于在打印过程中熔池倒塌导致打印失败，同时异质支撑也对悬垂结构的热应力变形具有明显的限制效果，提高了金属立体成型技术制备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 (5)

1.一种金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过三维建模或前处理软件使用填充材料填充悬垂结构下方的空白区域；
2)把步骤1)中处理过的结构模型导入切片软件划分沉积层，获得切片文件；
3)把步骤2)中的切片文件导入增材制造打印设备，在基本上逐层进行沉积制造；
4)在沉积制造过程中，在同一沉积层内，若只包含零件区域，则使用零件材料制备沉积层，若同时包含零件区域和支撑区域，则先使用零件材料制备沉积层的零件部分，再使用支撑材料制备沉积层的支撑部分，其中支撑材料为前述的填充材料；
5)重复步骤4)，获得包含至少一种异质支撑的零件毛坯；
6)线切割基本后，对零件毛坯机加工处理去除部分异质支撑，然后进行化学铣切去除异质支撑，最终得到去除异质支撑的单一材质的零件毛坯。
2.如权利要求1所述的金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法，其特征在于，金属立体成型包括以同步送料的方法按照一定填充路径在基材上逐点、逐线、逐层沉积金属，并最终形成金属三维零件实体的增材制造打印。
3.如权利要求1所述的金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法，其特征在于，所述异质支撑打印材料包括如下任意一种：不锈钢、高温合金、钛合金或者铝合金。
4.如权利要求1所述的金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法，其特征在于，在化学铣切过程中，采用翻转零件的方式，并定时补充化学铣切溶液。
5.如权利要求1所述的金属立体成型异质支撑与化学铣切复合制备悬垂结构的方法，其特征在于，所述悬垂结构是指下表面或下表面的局部不直接接触基板或支撑的金属结构。
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