CN111940735A - 一种3d打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺 - Google Patents

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梁炯照
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Abstract

本发明公开一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，包括以下步骤：步骤s0，根据待制造的零件的工程图，建造3D打印零件模型，并将零件模型分为底层模型、顶层模型和中间层模型共三部分；步骤s1，根据底层模型，采用金属粉末3D打印技术制备零件底层；步骤s2，识别中间层模型的截面类型，在零件底层的基础上，采用金属粉末3D打印技术制备零件中间层，或采用金属粉末3D打印技术与金属液滴浇注方式来制备零件中间层；步骤s3，在零件中间层的基础上，根据顶层模型，采用金属粉末3D打印技术制备零件顶层。该工艺结合金属3D打印增材制造和铸造工艺，能够高效率地制造强度大、形状复杂的金属件。

Description

一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺。
背景技术
目前的金属3D打印工艺是利用点对点的激光打印逐层制造，这种工艺十分耗时，难以满足目前实际工程的需求。而传统的铸造工艺较金属3D打印能更快的完成零件的制造，且铸造的零件有着更高的性能，但铸造工艺无法制造复杂的结构。因此，急需发展一种同时具备传统铸造工艺和金属3D打印优势的金属快速增材制造工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，该工艺结合金属3D打印增材制造和铸造工艺，能够高效率地制造强度大、形状复杂的金属件。
本发明的技术方案为：一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，包括以下步骤：
步骤s0，根据待制造的零件的工程图，建造3D打印零件模型，并将零件模型分为底层模型、顶层模型和中间层模型共三部分；
步骤s1，根据底层模型，采用金属粉末3D打印技术制备零件底层；
步骤s2，识别中间层模型的截面类型，在零件底层的基础上，采用金属粉末3D打印技术制备零件中间层，或采用金属粉末3D打印技术与金属液滴浇注方式来制备零件中间层；
步骤s3，在零件中间层的基础上，根据顶层模型，采用金属粉末3D打印技术制备零件顶层。
进一步的，步骤s2中，所述中间层模型的截面类型包括简单形状截面、含有复杂形状截面和多空心部截面。
进一步的，步骤s2中，采用一个多层卷积神经网络，输入包含中间层模型的截面的stl.文件，对stl.文件信息中的中间层的截面进行类型的判断及反馈。
进一步的，步骤s2中，所述多层卷积神经网络的训练过程为，创建样本：第一样本包含a个简单形状截面的stl.文件，第二样本包含b个含有复杂形状截面的stl.文件，第三样本包含c个多空心部截面的stl.文件；将a+b+c个样本输入到多层卷积神经网络进行训练，得到能够识别中间层截面类型的多层卷积神经网络。
进一步的，步骤s2中，对于简单形状截面的中间层模型，先用金属粉末3D打印零件中间层的外壁，再用金属液滴浇注并填满零件中间层的中心部，浇注时向浇注区的外壁喷射冷却剂。打印外壁应具有足够的壁厚，避免往外壁内浇注高温金属液滴时，外壁太薄而产生形变；浇注金属液滴时，可以实际情况调整浇注的速度。
进一步的，步骤s2中，对于含有复杂形状截面的中间层模型，先用金属粉末3D打印零件中间层的外壁和形状复杂的部分，再用金属液滴浇注并填满零件中间层的空心部，浇注时向浇注区的外壁喷射冷却剂。打印外壁应具有足够的壁厚，避免往外壁内浇注高温金属液滴时，外壁太薄而产生形变；浇注金属液滴时，可以实际情况调整浇注的速度。
进一步的，步骤s2中，对于多空心部截面的中间层模型，用金属粉末3D打印零件中间层。进一步的，步骤s2中，所述冷却剂采用干冰。其中，冷却剂能够避免高温的金属液滴使外壁熔化而溃塌；往外壁喷射干冰作为冷却剂时，需要控制喷头与外壁的距离和干冰喷射的速度，避免高温的金属液滴使得外壁熔化而溃塌，也避免浇注温度过低而导致外壁碎化。
进一步的，步骤s2中，浇注金属液滴的高度与零件中间层的外壁的高度相同。
进一步的，步骤s2中，所述中间层模型分为多个分层模型，由下往上逐个识别每个分层模型的截面类型。这种方式针对中间层模型含有多种截面类型的零件。
进一步的，步骤s2中，多空心部截面的空心面积大于实心面积。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本快速增材制造工艺首先将所要打印的零件建模并进行切片处理，分为底层模型、中间层模型和顶层模型三个部分，并依次完成零件底层、零件中间层和零件顶层的制造；零件顶层和零件底层采用直接金属粉末激光打印的制造方式，可以保证零件的表面精度；零件中间层或加入金属液滴浇注方式，可以提高制造速度，提高效率，并在一定程度上改善打印零件的强度，可以应用在航空航天等领域的大型复杂零件的快速制造。
本工艺能够在一定程度上增大所加工零件的强度，相对于传统的金属3D打印技术，采用本发明制造出来的零件内部是浇注出来的，内部结构不存在3D打印中的台阶效应，利用本发明制造出来的零件的强度会比传统的金属3D打印制造要高。
本工艺提高了制造零件的效率，零件的内部结构是直接浇注出来的，浇注的速度大于传统金属3D打印的速度，还可以利用3D打印技术修复在内部铸造过程中检测到的缩孔。
附图说明
图1为本3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺的流程示意图。
图2为实施例1的流程示意图。
图3为实施例2的流程示意图。
图4为实施例3的示意图。
图5为用于识别中间层的截面类型的多层卷积神经网络的构建过程。
图6为多层卷积神经网络识别中间层的截面类型的过程。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
为了便于查看，现对图中标记进行统一说明，图中所示1为零件中间层的外壁、2为零件中间层的中心部、3为浇注部、4为零件中间层的空心部、5为形状复杂的部分。
实施例1
本实施例一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，制备铝合金零件，包括以下步骤，如图1和2所示：
步骤s0，根据待制造的零件的工程图，建造3D打印零件模型，并将零件模型分为底层模型、顶层模型和中间层模型共三部分；
步骤s1，根据底层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件底层；
步骤s2，多层卷积神经网络识别中间层模型的截面类型为简单形状截面，截面形状为正方形，在零件底层的基础上，先用铝合金粉末3D打印零件中间层的外壁一层或若干层，再用高温的铝合金液滴浇注并填满零件中间层的中心部，浇注时向浇注区的外壁喷射干冰作为冷却剂；
步骤s3，在零件中间层的基础上，根据顶层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件顶层。
如图5和6所示，识别中间层模型的截面类型的多层卷积神经网络的预先训练过程为，创建样本：第一样本包含1000个简单形状截面的stl.文件，第二样本包含1000个含有复杂形状截面的stl.文件，第三样本包含1000个多空心部截面的stl.文件；将上述3000个样本输入到多层卷积神经网络进行训练，得到能够识别中间层截面类型的多层卷积神经网络。使用多层卷积神经网络，输入包含中间层模型的截面的stl.文件，对stl.文件信息中的中间层的截面进行类型的判断及反馈。
实施例2
本实施例一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，制备铝合金零件，包括以下步骤，如图1和3所示：
步骤s0，根据待制造的零件的工程图，建造3D打印零件模型，并将零件模型分为底层模型、顶层模型和中间层模型共三部分；
步骤s1，根据底层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件底层；
步骤s2，多层卷积神经网络识别中间层模型的截面类型为含有复杂形状截面，在零件底层的基础上，先用铝合金粉末3D打印零件中间层的外壁一层或若干层和形状复杂的部分，再用高温的铝合金液滴浇注并填满零件中间层的空心部，浇注时向浇注区的外壁喷射干冰作为冷却剂；
步骤s3，在零件中间层的基础上，根据顶层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件顶层。
本实施例中其余未提及部分与实施例1相同。
实施例3
本实施例一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，制备铝合金零件，包括以下步骤，如图1和4所示：
步骤s0，根据待制造的零件的工程图，建造3D打印零件模型，并将零件模型分为底层模型、顶层模型和中间层模型共三部分；
步骤s1，根据底层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件底层；
步骤s2，多层卷积神经网络识别中间层模型的截面类型为多空心部截面，在零件底层的基础上，直接用铝合金粉末3D打印零件中间层；
步骤s3，在零件中间层的基础上，根据顶层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件顶层。
本实施例中其余未提及部分与实施例1相同。
实施例4
本实施例一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，制备铝合金零件，包括以下步骤，如图1-4所示：
步骤s0，根据待制造的零件的工程图，建造3D打印零件模型，并将零件模型分为底层模型、顶层模型和中间层模型共三部分；
步骤s1，根据底层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件底层；
步骤s2，将中间层模型分为由下往上的第一分层模型、第二分层模型和第三分层模型，多层卷积神经网络识别第一分层模型的截面类型为简单形状截面，截面形状为正方形，在零件底层的基础上，先用铝合金粉末3D打印零件中间层的外壁一层或若干层，再用高温的铝合金液滴浇注并填满零件中间层的中心部，浇注时向浇注区的外壁喷射干冰作为冷却剂；
多层卷积神经网络识别第二分层模型的截面类型为含有复杂形状截面，在零件第一分层的基础上，先用铝合金粉末3D打印零件第二分层的外壁和形状复杂的部分，再用高温的铝合金液滴浇注并填满零件中间层的空心部，浇注时向浇注区的外壁喷射干冰作为冷却剂；
多层卷积神经网络识别第三分层模型的截面类型为多空心部截面，在零件第二分层的基础上，直接用铝合金粉末3D打印零件第三分层；零件中间层制备完成；
步骤s3，在零件中间层的基础上，根据顶层模型，采用铝合金粉末3D打印技术制备零件顶层。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤s0，根据待制造的零件的工程图，建造3D打印零件模型，并将零件模型分为底层模型、顶层模型和中间层模型共三部分；
步骤s1，根据底层模型，采用金属粉末3D打印技术制备零件底层；
步骤s2，识别中间层模型的截面类型，在零件底层的基础上，采用金属粉末3D打印技术制备零件中间层，或采用金属粉末3D打印技术与金属液滴浇注方式来制备零件中间层；
步骤s3，在零件中间层的基础上，根据顶层模型，采用金属粉末3D打印技术制备零件顶层。
2.根据权利要求1所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，所述中间层模型的截面类型包括简单形状截面、含有复杂形状截面和多空心部截面。
3.根据权利要求1所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，采用一个多层卷积神经网络，输入包含中间层模型的截面的stl.文件，对stl.文件信息中的中间层的截面进行类型的判断及反馈。
4.根据权利要求3所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，所述多层卷积神经网络的训练过程为，创建样本：第一样本包含a个简单形状截面的stl.文件，第二样本包含b个含有复杂形状截面的stl.文件，第三样本包含c个多空心部截面的stl.文件；将a+b+c个样本输入到多层卷积神经网络进行训练，得到能够识别中间层截面类型的多层卷积神经网络。
5.根据权利要求2所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，对于简单形状截面的中间层模型，先用金属粉末3D打印零件中间层的外壁，再用金属液滴浇注并填满零件中间层的中心部，浇注时向浇注区的外壁喷射冷却剂。
6.根据权利要求2所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，对于含有复杂形状截面的中间层模型，先用金属粉末3D打印零件中间层的外壁和形状复杂的部分，再用金属液滴浇注并填满零件中间层的空心部，浇注时向浇注区的外壁喷射冷却剂。
7.根据权利要求2所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，对于多空心部截面的中间层模型，用金属粉末3D打印零件中间层。
8.根据权利要求5或6所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，所述冷却剂采用干冰。其中，冷却剂能够避免高温的金属液滴使外壁熔化而溃塌。
9.根据权利要求5或6所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，浇注金属液滴的高度与零件中间层的外壁的高度相同。
10.根据权利要求1所述一种3D打印与液滴浇铸相结合的快速增材制造工艺，其特征在于，步骤s2中，所述中间层模型分为多个分层模型，由下往上逐个识别每个分层模型的截面类型。
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