CN108339984A - 基于丝材3d打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，包括如下步骤：a、制备基体结构件；b、对基体结构件进行三维扫描或三坐标机建模，制得基体结构件模型；c、在基体结构件模型表面进行结构设计，得到最终零件的三维模型；d、将三维模型进行二维化切片处理，将得到的参数导入3D打印机，并导入同基体结构件材质相同的丝材准备打印；e、将基体结构件放置于3D打印机内，在基体结构件表面进行增材制造加工。本方法通过在原有的基体结构件表面通过3D打印机生成复杂的结构，同时丝材与基体结构件的材质相同，使打印出来的复杂零件与基体结构件冶金结合连接紧密，避免铸造件的组织粗大和应力集中和锻件、机加工造成的材料利用率低。

Description

基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法
技术领域
本发明涉及一种基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，属于金属成形和制造技术领域。
背景技术
目前，对于外形结构复杂的零部件制造工业生产常用的有四种方法：1、采用精密铸造的方法，制备出复杂精密铸件；2、采用锻造毛坯件，通过机械加工的方法去除材料，获得最终零件；3、通过粉末冶金的方法，将粉末置入模具中，经高温烧结制造而成；4、采用增材制造技术，通过3D打印平台加工而成。但是，对于大型零件且零件内壁或外侧有复杂的结构的零部件上述的方法均不适用，分别存在如下问题：1、精密铸件会造成零部件的组织粗大、应力集中，力学性能不及锻件；2、锻件机加工的方法材料利用率低，成本高；3、粉末冶金法需要制作金属模具，生产周期较长；4、3D打印技术需要一层一层熔融堆积，对于大型件成形效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是单一的制造方法造成组织粗大、应力集中；材料利用率低，成本高；生产周期长；成品合格率低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，包括如下步骤：
a、制备基体结构件；
b、对基体结构件进行三维扫描或三坐标机建模，制得基体结构件模型；
c、在基体结构件模型表面进行结构设计，得到最终零件的三维模型；
d、将三维模型进行二维化切片处理，将得到的参数导入3D打印机，并导入同基体结构件材质相同的丝材准备打印；
e、将基体结构件放置于3D打印机内，通过3D打印机在基体结构件表面进行增材制造加工，得到最终零件。
其中，上述方法中步骤a中制备基体结构件可采用铸造、锻造或机加工的方法。
其中，上述方法中步骤a中将制得的基体结构件进行热处理和表面处理。
其中，上述方法中步骤d中的3D打印机为高能激光束、电子束或电弧丝材3D打印平台。
其中，上述方法中步骤d中的丝材直径为0.8～4.0mm。
其中，上述方法中步骤d中需根据基体结构件的材质改变控制参数，包含但不限于高能束功率、送丝方向和角度、送丝速度、移动速度。
本发明的有益效果是：本方法通过在原有的基体结构件表面通过3D打印机生成复杂的结构，同时丝材与基体结构件的材质相同，使打印出来的复杂零件与基体结构件通过冶金结合连接紧密，同时本方法采用增材制造技术与传统铸造、锻造、机加工技术相结合的方法，制备具有复杂结构的零部件，可以避免铸造件的组织粗大和应力集中，带来的性能不利，也可避免锻件机加工造成的材料利用率低，对于结构非常复杂的零件，机加工具有局限性的情况，也可不用制作昂贵的粉末冶金模具。同时本方法制备出的复杂结构件具有零件尺寸范围大(200mm～2000mm)、生产周期短(2天～4周)、材料利用率高(70％～90％)等优点。通过本方法可有效解决大尺寸零件上的部分结构较复杂的部件制造成本高、产品合格率低等问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
本发明基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，包括如下步骤：
a、制备基体结构件；
b、对基体结构件进行三维扫描或三坐标机建模，制得基体结构件模型；
c、在基体结构件模型表面进行结构设计，得到最终零件的三维模型；
d、将三维模型进行二维化切片处理，将得到的参数导入3D打印机，并导入同基体结构件材质相同的丝材准备打印；
e、将基体结构件放置于3D打印机内，通过3D打印机在基体结构件表面进行增材制造加工，得到最终零件。本领域技术人员能够理解的是，本方法通过在原有的基体结构件表面通过3D打印机生成复杂的结构，同时丝材与基体结构件的材质相同，使打印出来的复杂零件与基体结构件通过冶金结合连接紧密，使得生成的最终零件结构强度大大提高。
优选的，上述方法中步骤a中制备基体结构件可采用铸造、锻造或机加工的方法。本领域技术人员能够理解的是，本方法只是优选采用制备基体结构件的方法为铸造、锻造或机加工，因上述三种制备方法均为常规技术，参数和材料易控制，且成品率较高，可降低制备基体结构件的制作成本。
优选的，上述方法中步骤a中将制得的基体结构件进行热处理和表面处理。本领域技术人员能够理解的是，本方法只是优选先将制备得到的基体结构件先进行热处理和表面处理，用以消除制备过程中的消除残余应力等，提高基体结构件的机械性能、切削性能和耐磨、耐腐蚀性能等。保持基体结构件的表面光滑，使通过后续步骤打印上的复杂零件与基体结构件冶金结合连接紧密，提高连接处的结构强度。
优选的，上述方法中步骤d中的3D打印机为高能激光束、电子束或电弧丝材3D打印平台。本领域技术人员能够理解的是，本方法只是优选采用3D打印机为高能激光束、电子束或电弧丝材3D打印平台，提高打印过程的参数化可控性，实现复杂结构在基体结构上的精确生长，提高零部件的精密度。
优选的，上述方法中步骤d中的丝材直径为0.8～4.0mm。本领域技术人员能够理解的是，本方法只是优选丝材直径为0.8～4.0mm，使得材料熔化凝固更易于精确控制。
优选的，上述方法中步骤d中需根据基体结构件的材质改变控制参数，包含但不限于高能束功率、送丝方向和角度、送丝速度、移动速度。本领域技术人员能够理解的是，由于不同的材质的机械性能和化学性能不一，故在实际操作时，需要根据材料的不同适当设置与材料适配的参数，才能得到最终的合格零部件。具体包括高能束功率、送丝方向和角度、送丝速度、移动速度等参数的设置。同时由于经3D打印机制备出来的零部件，其表面还附着有残留的熔滴，部分结构部件尺寸偏差，同时3D打印机制备的复杂结构和与基体结构件连接处还会存在部分内部残余应力，故需经过机加工、热处理、表面处理、无损探测才能制得最终合格的零部件。
实施例1
以材质为316L不锈钢的棒形铸件为坯料，经过机加工制备出基体结构件，对基体结构件进行850℃～985℃/0.5h～2h/油冷或气冷的热处理工序。然后通过成分、组织检测，判定基体结构件的组织与成分。然后采用高精度三维扫描或三坐标机对基体结构进行扫描，通过GomInspect等数据处理软件，形成基体结构模型。采用Cero/ProE、UG或其他三维模型设计软件，以基体结构模型为基础，在其上进行所需的复杂结构设计，并最终合成一体的三维模型。采用Magics或其他软件，对三维模型进行二维化切片处理，即将模型数据沿Z轴方向按照相等的层厚分割模型为一系列二维数据，处理成3D打印机可以识别进行加工的数据格式，导入丝材3D打印机准备打印加工。利用高能激光束3D打印平台上按照所述的加工路径开始在基体材料上进行增材制造加工。丝材采用不锈钢316L材质，丝材直径选用1.2mm。设置激光束功率为1500W、光斑直径3.5mm、离焦量+25mm、送丝方向为前送丝、送丝角度20°、送丝速度0.7m/min、移动速度0.48m/min等参数，通过计算机程序控制3D打印机完成零件的加工。从3D打印平台上取出打印件，清理零件表面。对成形零件经过机加工、热处理、表面处理、无损探测，从而得到具有复杂结构的最终零件产品。经检测，试验的抗拉强度达到620MPa，高于铸态(552MPa)和热轧态(480MPa)水平，延伸率达到56％，高于铸态(55％)和热轧态(40％)水平。
实施例2
以材质为TC4钛合金的饼形铸件为坯料，经过机加工制备出基体结构件，对基体结构件进行900℃～985℃/0.5h～2.5h/油冷或气冷的热处理工序。然后通过成分、组织检测，判定基体结构件的组织与成分。然后采用高精度三维扫描或三坐标机对基体结构进行扫描，通过GomInspect等数据处理软件，形成基体结构模型。采用Cero/ProE、UG或其他三维模型设计软件，以基体结构模型为基础，在其上进行所需的复杂结构设计，并最终合成一体的三维模型。采用Magics或其他软件，对三维模型进行二维化切片处理，即将模型数据沿Z轴方向按照相等的层厚分割模型为一系列二维数据，处理成3D打印机可以识别进行加工的数据格式，导入丝材3D打印机准备打印加工。利用高能电子束3D打印平台上按照所述的加工路径开始在基体材料上进行增材制造加工。丝材采用钛合金TC4材质，丝材直径选用2.0mm。设置电子束流为5.0mA、聚焦电流2454～3540mA、送丝速度1500mm/min、移动速度8000mm/min等参数，通过计算机程序控制3D打印机完成零件的加工。从3D打印平台上取出打印件，清理零件表面。对成形零件采用920℃/lh WC+520℃/6hAC的热处理制度，从而得到具有复杂结构的最终零件产品。经检测，试验的抗拉强度达到845MPa，延伸率达到6.9％。
实施例3
以材质为Inconel625镍基合金的方形铸件为坯料，经过机加工制备出基体结构件，对基体结构件进行780℃～1080℃/0.5h～3.5h/油冷或气冷的热处理工序。然后通过成分、组织检测，判定基体结构件的组织与成分。然后采用高精度三维扫描或三坐标机对基体结构进行扫描，通过GomInspect等数据处理软件，形成基体结构模型。采用Cero/ProE、UG或其他三维模型设计软件，以基体结构模型为基础，在其上进行所需的复杂结构设计，并最终合成一体的三维模型。利用高能电弧3D打印平台上按照所述的加工路径开始在基体材料上进行增材制造加工。丝材采用镍基Inconel625材质，丝材直径选用2.5mm。设置焊接电流为100A、焊接速度360mm/min、送丝速度600mm/min等参数，通过计算机程序控制3D打印机完成零件的加工。从3D打印平台上取出打印件，清理零件表面。对成形零件采用980℃/lh的热处理制度，从而得到具有复杂结构的最终零件产品。经检测，试验的抗拉强度达到840MPa，延伸率达到30％。

Claims (6)

1.基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、制备基体结构件；
b、对基体结构件进行三维扫描或三坐标机建模，制得基体结构件模型；
c、在基体结构件模型表面进行结构设计，得到最终零件的三维模型；
d、将三维模型进行二维化切片处理，将得到的参数导入3D打印机，并导入同基体结构件材质相同的丝材准备打印；
e、将基体结构件放置于3D打印机内，通过3D打印机在基体结构件表面进行增材制造加工，得到最终零件。
2.根据权利要求1所述的基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，其特征在于：步骤a中制备基体结构件可采用铸造、锻造或机加工的方法。
3.根据权利要求2所述的基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，其特征在于：步骤a中将制得的基体结构件进行热处理和表面处理。
4.根据权利要求1所述的基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，其特征在于：步骤d中的3D打印机为高能激光束、电子束或电弧丝材3D打印机。
5.根据权利要求1所述的基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，其特征在于：步骤d中的丝材直径为0.8～4.0mm。
6.根据权利要求1所述的基于丝材3D打印的铸锻件表面生长复杂结构的方法，其特征在于：步骤d中需根据基体结构件的材质改变控制参数，包含但不限于高能束功率、送丝方向和角度、送丝速度、移动速度。
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