CN117680708A - 一种基于金属3d打印的模具制造方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于金属3D打印的模具制造方法及装置，属于航空复合材料成型工艺装备技术领域。模具包括法兰和模体，该方法包括：通过传统机加的方式制备法兰，该法兰作为为金属3D打印成型时的基板；在法兰的上表面通过金属3D打印的方式成型模体；模体成型完后进行精加工，获得高精度型面。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于金属3D打印的模具制造方法及装置，属于航空复合材料成型工艺装备技术领域。
背景技术
复合材料电磁功能结构件的制备通常都需要用到成型模具，金属成型模具的传统制造方法为：首先根据设计的成型模具数模，制备出毛坯，然后通过机床精加工出高精度外形。制造毛坯的传统方法有铸造和钢板焊接，铸造工艺需要制备砂模，制备周期较长，且铸造缺陷较多，容易存在砂眼和气孔，不利于成型模的气密；钢板焊接工艺需要对成型面板进行拼焊以及成型面板与支撑框架之间进行焊接，成型面板的拼焊如果拼接不好就会导致模具漏气，成型失效，对工人的焊接水平要求较高，导致的人工成本也比较高。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种基于金属3D打印的模具制造方法及装置，通过金属3D打印的方法能够实现成型模具毛坯件的快速自动制备，解决了铸造周期长以及避免了焊接工艺需要人工参与的问题。
技术方案：
第一方面，提供一种基于金属3D打印的模具制造方法，模具包括法兰和模体，该方法包括：
通过传统机加的方式制备法兰，该法兰作为为金属3D打印成型时的基板；
在法兰的上表面通过金属3D打印的方式成型模体；
模体成型完后进行精加工，获得高精度型面。
模体成型包括模体的外壳成型和型面立面的支撑筋结构成型。
精加工采用三轴或五轴机床加工。
基板的材料包括但不限于钢材、铝材、不锈钢，模体为适用于3D打印的钢合金、铝合金。
第二方面，提供一种基于金属3D打印的模具制造装置，模具包括法兰和模体，该装置包括：
制备单元，用于通过传统机加的方式制备法兰，该法兰作为为金属3D打印成型时的基板；
打印单元，用于在法兰的上表面通过金属3D打印的方式成型模体；
加工单元，用于模体成型完后进行精加工，获得高精度型面。
模体成型包括模体的外壳成型和型面立面的支撑筋结构成型。
精加工采用三轴或五轴机床加工。
基板的材料包括但不限于钢材、铝材、不锈钢，模体为适用于3D打印的钢合金、铝合金。
有益效果：本发明提出了一种基于金属3D打印的模具制造方法及装置，通过3D打印的方式实现金属成型模具的快速的制造，缩短制造周期，减少人工成本。
附图说明
图1为模具的结构示意图。
具体实施方式
金属3D打印通过增材的方式实现产品的制备。首先会通过软件将产品进行切片，然后机器自动的根据编好的程序制备每一层金属，逐层累积最终形成产品。3D打印产品的性能介于铸件和锻件之间，性能较好，具有较好的致密性，通过多台设备同时打印可大大提高产品的成型效率。
提供一种基于金属3D打印的复合材料电磁功能结构件金属成型模具制造方法，实现复合材料成型模具的快速高效制备。
本发明提供一种基于金属3D打印的成型模具制造方法，如图1所示，具体包括法兰和模体，法兰通过传统机加的方式制备，即作为金属成型时的基板(3D打印成型时底面都需要基板，成型完成后再从基板上切除)，又作为模具的一部分，免去了切除的步骤；模体通过金属3D打印的方式成型，成型包括模体的外壳和型面立面的支撑筋结构，保证型面的结构强度。模体成型完后转移到三轴或五轴机床上进行精加工，获得高精度型面。
3D打印工艺一般在金属基板上进行成型，打印材料与金属基板材料为同系金属材料，成型完成后通过线切割等工艺将产品从基板上取下，基板经过加工后可重复使用。本发明提供一种基于金属3D打印的成型模具制造方法，主要针对法兰与模体组合的阳模，法兰通过传统机加的方式制备，作为金属成型时的基板，3D打印直接成型在法兰上，免去了切除的步骤。法兰结构简单，制备工艺成熟，制造周期较短，结合3D打印制备复杂结构的优势，可以实现阳模模具的快速制备。
3D打印工艺选择电子束熔丝沉积工艺，电子束熔丝沉积工艺，加工效率高，目前能够达到15kg/h的沉积速率，加工质量好，丝材利用率能达到100％，是市场上速度最快、成本效益最高的金属增材制造工艺，对大型金属结构的成形，电子束熔丝沉积成型速度优势十分明显。
电子束熔丝沉积金属增材设备系统包括电子枪、高压电源、真空系统、观察系统、三维工作台、含三轴对准装置的送丝系统以及综合控制系统等。在金属增材过程中，电子枪、送丝系统和三维工作台通过综合控制系统协调工作，达到自动化操作的要求，保证金属增材过程稳定进行。能够打印TC4、TA15、TC11、TC1、TC21等钛合金、铝合金、钨、300系列不锈钢、结构钢等。
本发明创造的技术方案是：一种基于金属3D打印的成型模具制造方法，包括以下步骤：
步骤1，根据成型需求设计成型模具三维数模，三维数模法兰结构考虑刚度、强度以及制造性等，模具设计应考虑整体的密封性，热膨胀系数与成型材料的匹配性等问题；
步骤2，3D打印时的切片软件一般识别.STL文件的三维数模，数模设计完成后保存成.STL格式，便于后续打印软件的使用。
步骤3，根据数模出加工图纸，明确零件的尺寸、材料、加工工艺等信息；
步骤4，按照图纸采购相关的板材、方管等材料，购买螺钉、定位销、吊环等标准件；
步骤5，按照图纸尺寸要求，通过线切割、机加等工艺对法兰相关的板材、方管等进行切割、下料；
步骤6，通过焊接的方式将板材与方管按照设计要求进行连接，焊接采用满焊保证焊接强度，焊接时注意焊接工艺，尽量控制焊接变形，保证焊缝美观实用；
步骤7，焊接完成后，根据不同材料的属性针对性的进行热处理，去除焊接产生的热应力；
步骤8，去除应力后，将法兰放置在五轴或三轴机床上进行加工，对法兰上表面进行铣削加工，按照加工工艺首先进行粗加工，然后进行精加工，保证上表面加工的平面度和粗糙度。
步骤9，法兰通过传统的机械加工方法加工完成后，转移到金属3D打印设备上；
步骤10，打印之前使用酒精、丙酮等溶剂擦拭加工面，去除表面残料的切削液、油污以及加工的金属屑等，保证加工面上无异物；
步骤11，选择与法兰同一材料系列的打印丝材，选择对应材料的工艺参数包，首先进行试打印，确保材料的打印工艺适用性；
步骤12，通过打印设备自带或者通用的切片软件对模体的三维模型进行切片，切片完成后进行模拟仿真，验证切片的正确性和合理性；
步骤13，仿真完成无误后，自动生成打印程序；
步骤14，打印设备将根据上一步生成的打印程序，以法兰的加工面为基准面逐层打印模体；
步骤15，模体打印完成后，待模具完全冷却后，将模具从打印设备上取下，进行热处理工艺，去除金属增材过程中产生的热应力；
步骤16，将热处理后的模具转移到五轴或三轴机床上进行装夹找正，找正完成后按照模具的理论外形进行编程，根据加工程序对模体外形进行粗加工和精加工，并在法兰上加工出基准面和基准孔，以便于对模体外形进行检测；
步骤17，加工完成后，将模具从机床上取下，去除表面的金属屑，切削液和油渍等；
步骤18，使用三坐标、激光跟踪仪、扫描仪等型面测量设备对模具的模体型面精度、法兰平面度以及法兰上的基准面、基准孔的精度进行测量，判断加工质量；
步骤19，对模具进行常温抽真空试验和高温高压环境下的抽真空试验，试验之前使用酒精、丙酮等溶剂擦拭真空袋粘贴面，去除表面残料的切削液、油污等，保证真空袋的粘贴性，验证模具整体的密封性；
步骤20，在做完步骤18、步骤19的检测合格后，在法兰非工作面上进行喷漆做防锈处理，喷涂标记，开展零件齐全性检查、常规检查等工作。至此完成基于金属3D打印的成型模具制备。
Claims (8)
1.一种基于金属3D打印的模具制造方法，其特征在于，模具包括法兰和模体，该方法包括：
通过传统机加的方式制备法兰，该法兰作为为金属3D打印成型时的基板；
在法兰的上表面通过金属3D打印的方式成型模体；
模体成型完后进行精加工，获得高精度型面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模体成型包括模体的外壳成型和型面立面的支撑筋结构成型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，精加工采用三轴或五轴机床加工。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基板的材料包括但不限于钢材、铝材、不锈钢，模体为适用于3D打印的钢合金、铝合金。
5.一种基于金属3D打印的模具制造装置，其特征在于，模具包括法兰和模体，该装置包括：
制备单元，用于通过传统机加的方式制备法兰，该法兰作为为金属3D打印成型时的基板；
打印单元，用于在法兰的上表面通过金属3D打印的方式成型模体；
加工单元，用于模体成型完后进行精加工，获得高精度型面。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，模体成型包括模体的外壳成型和型面立面的支撑筋结构成型。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，精加工采用三轴或五轴机床加工。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，基板的材料包括但不限于钢材、铝材、不锈钢，模体为适用于3D打印的钢合金、铝合金。
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