CN111605031B - 一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造方法 - Google Patents

一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造方法 Download PDF

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Abstract

一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造新方法，属于增材制造领域。绘制产品的三维CAD模型并进行分层切片处理，为后续加工提供基础数据；将具有一定粘度的粉体混配材料加入到成形模腔中，通过压板挤压将成形材料压制成片层毛坯；对片层毛坯进行轮廓线切割成形，得到片层切割件；对片层切割件进行预固化处理，使片层切割件具有一定的强度；基于多轴加工装备，采用铣削加工方法得到尺寸精确轮廓清晰的片层铣削件；将片层铣削件运转到叠加装配成形区，与下部的成形体进行粘结和叠加装配成形；对叠加成形体进行固化烧结等后续处理，使其具有良好的强度、硬度等性能指标。本发明的益处和效果：成形速度快，成形精度高，产品性能好，选材范围广，可有效提高增材制造的生产效率和产品质量，增强增材制造的适用性和竞争力。

Description

一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造方法
技术领域
本发明属于成形制造技术领域，涉及一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造新方法。
背景技术
成形制造是高端装备发展的重要基础，是提升产品性能、质量和可靠性的重要支撑。近年来，以增材制造(也称3D打印)为代表的成形技术快速发展，既实现了对传统制造业的升级改造，使其发展成绿色可持续制造，也促进了新业态和高品质产品的出现，满足日益增强的柔性化生产需求，在工艺设计、工程施工、汽车、航空航天、生命医疗等领域进行了广泛的应用。
增材制造，一般是基于“分层切片、逐层累加”原理，先将一个形状复杂的三维几何实体分割成一层层具有简单轮廓的薄层切片，然后自下而上将切片逐层加工和叠加以制备复杂形状零件。增材制造所使用的原材料形态可以分为三类：液态材料、固态材料(粉末除外)、粉末材料。立体光刻成形(Stereo Lithography Apparatus，SLA)以液态树脂为原材料；分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)以层状的纸、塑料、金属等为材料，熔融沉积成形(Fused Deposition Modelling，FDM)以ABS热塑性丝材等为原材料；选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)等方法以覆膜砂、金属粉等粉末为原材料。增材制造将零部件制造难度与形状复杂程度分离开来，提升了制备复杂形状产品的能力。
但是，增材制造方法制备的产品在生产效率和产品质量等方面还存在不足，例如，若要提高产品的表面精度，一般需要减小片层厚度，但是同时也降低了生产效率；若采用粉末材料进行填充和粘结，存在产品致密度和强度较小、片层间结合力不强等问题。
本发明提出了一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造方法，可有效提高生产效率和产品质量，增强增材制造的适用性和竞争力。
发明内容
本发明提供了一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造方法。
本发明的技术方案包括以下步骤：
步骤1：应用三维造型软件，绘制产品的三维CAD模型；并根据产品特点和成形工艺的实际需要，将该三维CAD模型分层切片，获得不同切片层的基本信息，主要包括切片层截面面积、切片层厚度、轮廓线上不同点的坐标值等。
步骤2：准备用来制备片层的成形材料，将粉体(或颗粒)材料与粘结剂等添加剂材料充分混合，配置成具有一定粘度的可用于制备片层坯体的成形材料。
步骤3：将成形材料加入到成形模腔中，通过压板挤压将成形材料压制成片层毛坯，片层毛坯需具有一定的强度以满足后续工序转运和加工的需要，片层毛坯的厚度需与CAD模型切片层厚度对应(根据成形材料的物性特征，预留一定的收缩或膨胀余量)。
步骤4：根据CAD模型不同片层的轮廓线的形状和对应节点信息，在为后续铣削工序预留少量加工余量的基础上，采用刻刀等加工方法对片层毛坯进行轮廓线切割成形，将本层切片的轮廓线制备出来，并将切除的材料取出，得到与CAD片层模型对应的片层切割件。
步骤5：对片层切割件进行预固化处理，根据粘结剂的固化特点选择适当的预固化工艺，使片层切割件具有一定的强度，以满足后续铣削和叠加装配等工序的需要。
步骤6：根据CAD模型切片轮廓线各点的坐标信息，基于多轴加工装备，利用铣刀对预固化后的片层切割件行铣削加工，得到尺寸精确轮廓清晰的片层铣削件。
步骤7：将片层铣削件运转到叠加装配成形区，在片层铣削件的底面涂敷粘结剂等材料，在经过精准定位的基础上，与下部的成形体进行粘结和叠加装配成形。
步骤8：重复上述步骤2-步骤7，直至完成成形产品的所有片层的制备。
步骤9：根据成形材料的特点和实际需要，对叠加成形体进行后续处理(例如加热固化、高温烧结等)，使其具有良好的强度、硬度等性能指标，以满足使用要求。
本发明的效果和益处是：
(1)成形速度快。采用分层制片的方法制备片层毛坯，片层毛坯厚度可达几个毫米，是一般的增材制造切片厚度(0.10-0.20mm)数倍，并且在各个工序只对轮廓进行加工，成型速度快、效率高。(权利步骤3)
(2)成形精度高。采用精铣方法对片层的产品轮廓进行加工，具有尺寸精度高、干涉少、路径简单等优点，并且避免了一般的增材制造所产生的台阶效应，产品表面精度高。
(3)产品性能好。采用分层制片和多工序加工的方法，在成形过程中可以有效的调节和控制产品的致密度和强度等性能，最终获得性能优良的成形产品。
(4)选材范围广。成形材料可选用覆膜砂、石膏、陶瓷、塑料、金属等多种粉末(颗粒)材料，选材限制小，适用材料种类多。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明的原理示意图。
图3为本发明的实施例示意图。
图中，1片层成形模腔上挤压板；2片层成形材料；3片层成形模腔下挤压板；4刻刀；5片层切割件；6预固化热源；7压辊；8铣刀；9片层铣削件；10叠加装配成形；11叠加成形体压板；12固化烧结热源；13叶轮；14叶轮成形模腔。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明包含但不仅限于下述实施例。
1、基于NX、Creo等三维造型软件，设计某一叶轮产品成型模腔的的3D实体模型(如图2所示)，该模型具有复杂的曲面形状和结构；对该三维CAD模型进行分层切片，每层切片和厚度为2mm，片层外框尺寸为100mm×100mm，片层数量为20个，并获取不同切片层截面面积、切片层厚度、轮廓线上不同点的坐标等信息。
2、以Al2O3陶瓷粉为成形材料，与粘结剂等添加剂材料进行充分混合，配置成具有一定粘度和固化性能的成形材料。
3、将体积略大于20000mm3(一个片层的体积)的成形材料注入到片层成型模腔中，调节下挤压板位置，使成形模腔高度调整到2mm，采用上挤压板对其进行压制成型，压板的压强为0.05MPa，经过压制成型后，得到尺寸规格为100mm×100mm×2mm的片层毛坯，片层毛坯具有良好的致密度和一定的强度。
4、根据片层CAD模型的轮廓信息，预留0.5mm的加工余量，采用刻刀将其轮廓线切割出来，并将切割出的多余材料取走，从而获得留有少量加工余量的片层切割件。
5、将片层切割件转入到预固化工序，对其进行烘烤加热，使其具有一定的强度，以满足后续铣削加工和叠加装配的需要。
6、根据CAD模型片层轮廓线各点的坐标信息，基于多轴加工装备，利用半径为直径1mm的铣刀进行铣削加工，获得尺寸精确轮廓清晰的片层铣削件。
7、将片层铣削件转入到叠加装配工序，该工序采用成形框进行装配定位并保护片层成形件，装配前在片层铣削件的底部均匀涂敷粘结剂，涂敷完成之后将片层铣削件装配到成形框中，采用压板将其压紧压实，压板压强为0.02MPa。
8、重复上述步骤2-7，直至完成成形产品的所有片层的制备，获得叠加成形体。
9、对叠加成形体进行后续处理，进行烧结脱脂、高温烧结等，使其形成陶瓷结构，具有良好的强度、硬度等性能指标。

Claims (1)

1.一种基于分层制片与多工序控形控性的增材制造方法，其特征步骤如下：
步骤1：应用三维造型软件，绘制产品的三维CAD模型，并根据产品特点和成形工艺的实际需要，将该三维CAD模型分层切片，获得不同切片层的基本信息，主要包括切片层截面面积、切片层厚度、轮廓线上不同点的坐标值；
步骤2：准备用来制备片层的成形材料，将粉体（或颗粒）材料与粘结剂材料充分混合，配置成具有一定粘度的可用于制备片层坯体的成形材料；
步骤3：将成形材料加入到成形模腔中，通过压板挤压将成形材料压制成片层毛坯，片层毛坯需具有一定的强度以满足后续工序转运和加工的需要，片层毛坯的厚度需与CAD模型切片层厚度对应，根据成形材料的物性特征，预留一定的收缩或膨胀余量，片层毛坯厚度可达几个毫米，是一般的增材制造切片厚度的数倍；
步骤4：根据CAD模型不同片层的轮廓线的形状和对应节点信息，在为后续铣削工序预留少量加工余量的基础上，采用刻刀加工方法对片层毛坯进行轮廓线切割成形，将本层切片的轮廓线制备出来，并将切除的材料取出，得到与CAD片层模型对应的片层切割件；
步骤5：对片层切割件进行预固化处理，根据粘结剂的固化特点选择适当的预固化工艺，使片层切割件具有一定的强度，以满足后续铣削和叠加装配工序的需要；
步骤6：根据CAD模型切片轮廓线各点的坐标信息，基于多轴加工装备，利用铣刀对预固化后的片层切割件进行铣削加工，得到尺寸精确轮廓清晰的片层铣削件；
步骤7：将片层铣削件运转到叠加装配成形区，在片层铣削件的底面涂敷粘结剂，在经过精准定位的基础上，与下部的成形体进行粘结和叠加装配成形；
步骤8：重复上述步骤2-步骤7，直至完成成形产品的所有片层的制备；
步骤9：根据成形材料的特点和实际需要，对叠加成形体进行后续处理，使其具有良好的强度、硬度，以满足使用要求。
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