CN113102767B - 一体化制备板式表面张力贮箱的3d打印工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一体化制备板式表面张力贮箱的3D打印工艺方法，包括如下步骤：根据板式表面张力贮箱的结构特点，将贮箱壳体分成两部分，贮箱气口以及与其连接的贮箱壳体端部、气液分离器作为整体一进行3D打印，其余贮箱壳体、板式表面管理装置与贮箱液口作为整体二；在整体二上沿贮箱轴向方向设计板状筋支撑，将板状筋支撑与整体二一起作为一个整体进行3D打印，打印过程中贮箱轴向垂直与基板方向，基板上放置网格支撑及圆柱支撑，作为贮箱打印过程中的底部支撑；去除3D打印后的底部支撑以及板状筋支撑，并对两个打印件进行热处理；将两个打印件通过一次激光焊接得到板式表面张力贮箱；对得到的板式表面张力贮箱进行后期处理并加工贮箱接口。

Description

一体化制备板式表面张力贮箱的3D打印工艺方法
技术领域
本发明涉及一种一体化制备表面张力贮箱的工艺方法，特别是基于3D打印技术一体化制备4L板式表面张力贮箱的工艺方法。
背景技术
基于宇航卫星平台新型推进系统的集成化、模块化、灵巧配置、快速研发验证的迫切需要，目前的推进系统贮箱产品主要由几十个零部件经多道工序机加装配焊接完成，传统加工方法难以实现一体化制备、不能满足快速验证需求，日益成为制约新型集成化推进系统模块快速研发验证的瓶颈问题。
3D打印技术无需模具、非接触、数字化，可解决传统加工工艺复杂、周期长、材料利用率低等难题，采用3D打印技术进行4L表面张力贮箱产品研制将解决传统贮箱加工多次焊接、装配、密封工序复杂、周期长、成本高等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服以上缺点，提供一种容易控制的板式表面张力贮箱的制备方法，解决工艺一体化制备问题，同时降低批量化成本减少生产周期；
本发明进一步解决的技术问题是为新型模块化、快速研发验证的推进模块所需的定制化板式贮箱产品制备提供一条新途径。
本发明解决技术的方案是：一体化制备板式表面张力贮箱的3D打印工艺方法，包括如下步骤：
根据板式表面张力贮箱的结构特点，将贮箱壳体分成两部分，贮箱气口以及与其连接的贮箱壳体端部、气液分离器作为整体一进行3D打印，其余贮箱壳体、板式表面管理装置与贮箱液口作为整体二；
在整体二上沿贮箱轴向方向设计板状筋支撑，将板状筋支撑与整体二一起作为一个整体进行3D打印，打印过程中贮箱轴向垂直与基板方向，基板上放置网格支撑及圆柱支撑，作为贮箱打印过程中的底部支撑；
去除3D打印后的底部支撑以及板状筋支撑，并对两个打印件进行热处理；
将两个打印件通过一次激光焊接得到板式表面张力贮箱；
对得到的板式表面张力贮箱进行后期处理并加工贮箱接口。
优选的，所述的清洁处理具体包括如下步骤：
(1)、首先将贮箱腔体内部的原材料清理干净，确保无粉末掉出；
(2)、其次将贮箱腔体经过除油清洗1～3次；
(3)、前两步完成后，采用粒子判读方法完成洁净度检测。
优选的，在激光焊接之前对贮箱壳体内腔进行清洁，使用异丙醇或无水乙醇进行贮箱腔体内部的洁净度检测，洁净度应满足如下要求：
颗粒物尺寸范围(μm) 颗粒限量(每0.1升液体试样)
≤5 无着色或淤积
>5～10 600
>10～25 80
>25～50 20
>50～100* 4
>100 0
注*：不允许有大于50μm以上的刚性粒子。
优选的，按照从下往上的方向进行3D打印，对于4L表面张力贮箱的打印参数如下：层厚：60～65um，预热温度：33～38℃，激光功率340W，扫描速度：1200～1300mm/s，扫描间隔：0.10～0.15mm。
优选的，所述的热处理工艺参数：真空去应力退火：480～600℃，保温2～3h，真空退火热处理后通过化学铣切、酸洗除去钛合金表面氧化皮。
优选的，去除3D打印后的底部支撑以及板状筋支撑中为产品各部位的外表面留有余量(0.1～0.2mm)。
优选的，所述的后处理为将热处理后的表面进行铣削或打磨，满足产品外部非安装面粗糙度不大于6.3μm，安装面表面粗糙度不大于3.2μm的要求。
优选的，所述的激光焊接采用手工氩弧焊。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
发明了一种可用于一体化制备4L板式表面张力贮箱的3D打印工艺方法，为新型模块化、快速研发验证推进系统在卫星平台及商业卫星领域的应用提供重要途径。
首先通过产品结构分析以确定产品的3D打印成形方案设计，确定需要预留的加工余量，然后完成产品的打印支撑结构设计，进行产品3D打印工作，并对打印状态进行评估，符合要求后进行热处理工序。热处理完成后，进行最后一道修配焊接，焊接完成后进行打磨抛光等后处理工作，然后对工件和随炉料进行性能测试和无损检测等，最后检测产品的外形尺寸、重量、表面质量等项目。所有检测测试完成并合格后，完成产品的性能验证考核。
(1)可用于一体化制备板式表面张力贮箱的3D打印工艺方法，流程简单易实施，能够充分体现采用3D打印技术一体化制备的优势，提高了工艺过程的一致性；
(2)本发明可推广至一体化制备10L、15L等不同容积的板式表面张力贮箱，助力实现快速研发验证的新型推进系统的研制；
(3)逐步实现新型空间推进系统在宇航卫星平台及商业卫星领域的快速工程化应用。
(4)4L表面张力贮箱产品壁厚均为1mm，在壳体底部成形时，添加较多的工艺支撑，且工艺支撑需要一定的强度，防止产品成形中变形断裂，但若工艺支撑与产品结合强度过大，则在后续去除支撑时容易破坏薄壁结构；
附图说明
图1为一体化制备4L板式表面张力贮箱的3D打印工艺流程图；
图2为4L表面张力贮箱的三维模型图；
图3为3D打印4L板式表面张力贮箱支撑设计示意图其中(a)为整体一的支撑，(b)为整体二的支撑。
图4为3D打印4L板式表面张力贮箱热处理后的500X金相组织图片；
图5焊接工艺试验实物照及X光照胶片；
图6表面张力贮箱3D打印示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明针对新型表面张力贮箱的短周期一体化研制、灵巧配置、快速研发验证的迫切需求，以4L表面张力贮箱为典型代表，通过满足贮箱功能和设计布局分析，进行4L表面张力贮箱的3D打印优化设计。4L板式表面张力贮箱整体结构为球柱型，设计容积为4L，内径为Φ168mm，圆柱段高度为70mm。该板式贮箱主要由贮箱壳体、板式表面管理装置(PMD)、气液口和气液分离器四部分组成，其中更改传统叶片分离布局在贮箱壳体的设计，将贮箱壳体、PMD和液口一体化设计，通过一体化3D打印。
贮箱气口和气液分离器是悬空式设计，功能上不允许和贮箱壳体一体打印，因而将贮箱气口和气液分离器以及小部分贮箱壳体作为一体单独打印，最后和其余贮箱壳体、PMD和液口这部分通过一次激光焊接完成，焊接直径33.6mm，4L表面张力贮箱的三维模型图如附图2所示。
3D打印4L板式表面张力贮箱主体轴向垂直于基板放置，支撑设计为板状筋支撑、底部网格支撑+圆柱支撑，板状筋支撑可以保证产品主体的圆度，底部网格支撑+圆柱支撑的方式可以保证贮箱小角度面成形而不翘曲变形。3D打印4L板式表面张力贮箱的盖子倒置在基板上，支撑设计为网格支撑及圆柱支撑，这种支撑设计既能保证产品成形而不变形，同时便于去除，附图3为3D打印4L板式表面张力贮箱支撑设计示意图。去除支撑后将根据产品力学性能要求进行去应力退火以及相关热处理。
通过3D打印一体化制备完成且热处理后，参照附图1的工艺流程，还将根据产品加工精度、粗糙度和内部洁净度等具体指标要求，需要对产品进行表面打磨精加工处理、内部酒精多次冲洗等工序，完成无损检测、性能测试，最终实现成品制备。具体的，本发明一体化制备板式表面张力贮箱的3D打印工艺方法，包括如下步骤：
(1)根据板式表面张力贮箱的结构特点，将贮箱壳体分成两部分，贮箱气口以及与其连接的贮箱壳体端部、气液分离器作为整体一进行3D打印，其余贮箱壳体、板式表面管理装置与贮箱液口作为整体二；
(2)基于3D打印一体化设计思路，在整体二上沿贮箱轴向方向设计板状筋支撑，将板状筋支撑与整体二一起作为一个整体进行3D打印，打印过程中贮箱轴向垂直与基板方向，基板上放置网格支撑及圆柱支撑，作为贮箱打印过程中的底部支撑；
按照从下往上的方向进行3D打印，4L表面张力贮箱的打印参数如下表所示：
表1 4L表面张力贮箱3D打印工艺参数
Figure BDA0002983019580000051
(3)去除3D打印后的底部支撑以及板状筋支撑，并对两个打印件进行热处理；
针对表面粗糙度大的问题，4L张力贮箱均采取盖子和主体分开打印的方式成形，设计产品各部位的具体打磨余量，一般为外表面打磨余量0.1～0.2mm，同时给热处理过程的变形留出余量；通过后处理打磨铣削等方式改善产品粗糙度问题。
热处理工艺参数为：真空去应力退火：480～600℃，保温2～3h，真空退火热处理后通过化学铣切、酸洗除去钛合金表面氧化皮。
经过热处理后显微组织：均匀的编织网篮状组织，交叉排列，详见图4热处理后的500X金相组织。另外对随炉热处理试验件进行力学性能测试，结果详见下表，可见材料的强度和塑性均满足指标要求。
Figure BDA0002983019580000061
(4)对贮箱壳体内腔进行清洁，清洁步骤如下：
(1)、首先将贮箱腔体内部的原材料清理干净，确保无粉末掉出；
(2)、其次将贮箱腔体经过除油清洗1～3次；
(3)、前两步完成后，采用粒子判读方法完成洁净度检测。
洁净度要求：使用异丙醇或无水乙醇进行贮箱腔体内部的洁净度检查，洁净度应满足如下要求：
表2贮箱洁净度要求
颗粒物尺寸范围(μm) 颗粒限量(每0.1升液体试样)
≤5 无着色或淤积
>5～10 600
>10～25 80
>25～50 20
>50～100* 4
>100 0
注*：不允许有大于50μm以上的刚性粒子。
(5)将两个打印件通过一次激光焊接得到板式表面张力贮箱；
针对试制件焊接过程中存在焊缝不达标及薄壁结构焊接难度大的问题，进行了焊接工艺试验。打印与产品相同壁厚、相同焊接位置的模拟件，进行了焊接工艺试验，验证现有焊接技术焊接3D打印1mm薄壁结构件。手工氩弧焊操作便捷灵活，因此选择手工氩弧焊，焊接试验件焊接经X射线无损探伤，结果表明：可以达到Ⅰ级焊缝的要求，如图5所示。
(6)对得到的板式表面张力贮箱进行后期处理并加工贮箱接口。
将热处理后的表面进行铣削或打磨，要求满足产品外部非安装面粗糙度不大于6.3μm，安装面表面粗糙度不大于3.2μm的要求；
4L表面张力贮箱产品在成形过程中，在高度高于240mm区域，随着高度的增加，壳体与基板之间的夹角逐渐减小，在迎着刮刀成形的区域，容易发生翘曲变形；4L表面张力贮箱底端空腔部位，容易起翘变形。本发明由于预先进行了较为合理的支撑设计，最大程度上减小了上述问题发生的概率，详见附图6。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (6)

1.一体化制备板式表面张力贮箱的3D打印工艺方法，其特征在于包括如下步骤：
根据板式表面张力贮箱的结构特点，将贮箱壳体分成两部分，贮箱气口以及与其连接的贮箱壳体端部、气液分离器作为整体一进行3D打印，其余贮箱壳体、板式表面管理装置与贮箱液口作为整体二；
在整体二上沿贮箱轴向方向设计板状筋支撑，将板状筋支撑与整体二一起作为一个整体进行3D打印，打印过程中贮箱轴向垂直与基板方向，基板上放置网格支撑及圆柱支撑，作为贮箱打印过程中的底部支撑；
去除3D打印后的底部支撑以及板状筋支撑，并对两个打印件进行热处理；
对贮箱壳体内腔进行清洁；
将两个打印件通过一次激光焊接得到板式表面张力贮箱；
对得到的板式表面张力贮箱进行后期处理并加工贮箱接口；所述后期处理为将热处理后的表面进行铣削或打磨，满足产品外部非安装面粗糙度不大于6.3μm，安装面表面粗糙度不大于3.2μm的要求；
所述板式表面张力贮箱整体结构为球柱型，设计容积为4L；
按照从下往上的方向进行3D打印，对于4L表面张力贮箱的打印参数如下：层厚：60～65um，预热温度：33～38℃，激光功率340W，扫描速度：1200～1300mm/s，扫描间隔：0.10～0.15mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的清洁处理具体包括如下步骤：
(1)、首先将贮箱腔体内部的原材料清理干净，确保无粉末掉出；
(2)、其次将贮箱腔体经过除油清洗1～3次；
(3)、前两步完成后，采用粒子判读方法完成洁净度检测。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在激光焊接之前对贮箱壳体内腔进行清洁，使用异丙醇或无水乙醇进行贮箱腔体内部的洁净度检测，洁净度应满足如下要求：
颗粒物尺寸范围(μm) 颗粒限量(每0.1升液体试样) ≤5 无着色或淤积 >5～10 600 >10～25 80 >25～50 20 >50～100* 4 >100 0
注*：不允许有大于50μm以上的刚性粒子。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的热处理工艺参数：真空去应力退火：480～600℃，保温2～3h，真空退火热处理后通过化学铣切、酸洗除去钛合金表面氧化皮。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：去除3D打印后的底部支撑以及板状筋支撑中为产品各部位的外表面留有余量(0.1～0.2mm)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的激光焊接采用手工氩弧焊。
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