一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法

摘要

本发明公开了一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法，其特征是，包括如下步骤：1)对几何模型进行预处理；2)采用边缘壁化处理方式对模型采取简化和修复处理，形成工件B；3)工件B分割为主体部和支件部；4)金属粉末烧结结束后对主部件倒出多余的金属粉末；5)主部件放置在五轴高温电弧增材制造的打印基台上；6)采用五轴高温电弧增材制造工艺对B‑P表面进行一层或数层熔覆；7)采用铣刀去除封闭平面P。本发明所达到的有益效果：提出了采用三轴激光熔融选区的金属粉末烧结3D打印工艺和和五轴高温电弧增材制造相结合的工艺方法制作此类零件，解决现有金属3D打印工艺制作表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

从三维打印加工的自由度来分类：可以分为三轴3D打印和多轴3D打印。对于激光熔融选区的金属粉末烧结3D打印工艺来说，三轴3D打印由于金属粉末的自支撑作用，可以打印任意复杂的微孔隙结构而无须添加支撑。但是这种方法不能打印内部多孔隙而表面封闭的结构，因为这样会导致工件内部填充孔隙的金属粉末无法倒出。另外，金属粉末的成本较高，烧结时间长，烧结件的致密性较差。多轴三维打印来说，同轴送粉的激光烧结工艺和高温电弧增材制造方法等，从理论上说，这种方法可以打印表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件。同轴送粉烧结工艺金属粉末的成本较高，烧结时间长，烧结件的致密性较差的缺点，而且由于喷粉精度不高，通常会导致多空隙结构中残留很多金属粉末，从而增加工件成本的自重。高温电弧增材制造方法的精度很低(通常喷丝宽度在5mm以上)，难以制造精细的内部微空隙结构。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法，解决了针有金属3D打印工艺制作表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的缺陷。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法，其特征是，包括如下步骤：

1)对工具的几何模型进行预处理，加工到所需要的精度；

2)对于焊枪无法到达的区域，采用边缘壁化处理方式对模型采取简化和修复处理，形成新的工件B；

3)在堆积方向上靠近部件顶端的部分，分割出高度尽可能小的一部分，将工件B分割为主体部和支件部；所述主部件按照原有设计的微孔隙结构进行打印；所述支件部直接采用粉末烧结的方式打印实体；

4)金属粉末烧结结束后对主部件倒出多余的金属粉末，采用金属切割工艺把支部件从打印基板上割出，再把支部件和主部件通过榫头连接；

5)主部件放置在打印基板上，把主部件、支部件通过主部件打印基板装夹在五轴高温电弧增材制造的打印基台上；

6)采用五轴高温电弧增材制造工艺对B-P表面进行一层或数层熔覆；

7)采用铣刀去除封闭平面P不需要的部分，并用铣刀加工工件表面直至达到给定的表面精度和光洁度。

前述的一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：

11)根据零件强度要求确定高温电弧熔覆层的厚度d1；

12)采用金属粉末烧结工艺，确定其分层堆积方向，并记分层堆积的方向未工件坐标系的Z向；

13)对工件表面模型进行厚度为d1的内等距偏置得到新的表面S′，记表面S′围成的区域是R′，简称毛坯件R′；记毛坯件R′的壁厚为d2，表面S′向内等距得到T′。

前述的一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法，其特征是，所述步骤2)的具体内容为：

21)对原工件R分析焊枪不能到达的区域，分离出表面ΔS；表面ΔS向表面S′沿着法线方向投影得到投影区域ΔS′；对曲面(S′-ΔS′)+ΔS采用平滑过渡的方式填充孔洞得到曲面T，T′和T之间的区域为工件壁，对应的工件记为A；

22)ΔS作为工件表面的凹陷区域，对这样的区域计算封闭平面P；封闭平面进行增厚，与工件是A一起形成一个新的工件B；

对于工件B，封闭平面P和ΔS形成的空腔，对所形成的空腔采取边缘壁化处理，即对空腔采用填实作为粉末烧结工件壁处理；

前述的一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法，其特征是，所述步骤3)中对主体部和支件部使用榫头结构衔接。

本发明所达到的有益效果：本发明提出了采用三轴激光熔融选区的金属粉末烧结3D打印工艺和和五轴高温电弧增材制造相结合的工艺方法制作此类零件，解决了三轴激光熔融选区的金属粉末烧结3D打印成型工艺无法打印封闭实体的问题，在保证零件轻量化结构的同时，又通过高温电弧熔焊的方式，在不封闭的金属粉末烧结工件表面熔附一层金属层，使得工件有了致密的封闭外壳，在保留内部多孔轻量化的结构的同时使工件的承载能力得到了极大的增强，克服了金属粉末烧结工艺的缺陷，极大的增加了成型工件的应用范围和使用寿命。

附图说明

图1是外部ΔS表面提取图；

图2是外部ΔS表面投影图；

图3是曲面(S′-ΔS′)+ΔS光滑连接图；

图4是封闭平面P构造图；

图5是粉末烧结内部和熔焊堆积外表面图；

图6是主体部和支件部使用榫头连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公布了一种表面全封闭式内部多孔隙轻量化金属件的制作方法。其是对两种不同的3d打印制造方法的综合，也可以说是一种复合制造的3d打印制造方法。对于激光熔融选区的金属粉末烧结3D打印工艺来说，三轴3D打印由于金属粉末的自支撑作用，可以打印任意复杂的微孔隙结构而无须添加支撑。但是这种方法不能打印内部多孔隙而表面封闭的结构，因为这样会导致工件内部填充孔隙的金属粉末无法倒出。另外，金属粉末的成本较高，烧结时间长，烧结件的致密性较差，严重影响零件的强度。而高温电弧增材制造方法的精度很低(通常喷丝宽度在5mm以上)，难以制造精细的内部微空隙结构。针对此两种现有金属3D打印工艺制，本发明提出了采用三轴激光熔融选区的金属粉末烧结3D打印工艺和和五轴高温电弧增材制造相结合的复合工艺方法制作此类零件。

如图1～6所示，本发明提出了采用三轴激光熔融选区的金属粉末烧结3D打印工艺和和五轴高温电弧增材制造相结合的工艺方法制作此类零件。

具体实施方案如下所述：

首先对工件的几何模型进行预处理，将需要打印的模型表面提取出来，根据工件强度的需要，确定电弧熔焊堆积的对工件表面的厚度d1,将模型表面向模型内部偏置一个距离d1,得到粉末烧结成型的工件的表面外形。根据模型打印的要求确定模型的打印方向，在打印方向上靠近模型顶部的位置，切出一个较薄的顶端盖子(后面称之为支部件)，剩下的模型的大部分区域(后面称之为主部件)内部仍采用多孔结构的填充方式填充其内部，支部件不填充，直接采用粉末烧结成实心部件，主部件与支部件间采用榫连接。连接好的主支部件后面采用5轴高温电弧增材制造工艺，完成工件外表面的成型制造。最后采用铣削加工完成对工件表面需要精加工的部位的加工，直至加工到所需要的精度。

具体地，(1)确定高温电弧熔覆层的厚度d1；(2)确定金属粉末烧结工艺的分层堆积方向。不失一般性，假设分层堆积的方向就是工件坐标系的Z向。(3)然后对工件表面模型进行厚度为d1的内等距偏置得到新的表面S′。假设表面S′围成的区域是R′。在后面的论述中，也简称为粉末烧结毛坯件R′。假设粉末烧结毛坯件R′的壁厚为d2。S′向内等距得到T′。

对于焊枪无法到达的区域，需采用特殊的处理办法对模型采取简化和修复处理，具体方法可描述如下：(4)对原工件R分析焊枪不能到达的区域。分离出焊枪不能到达的表面ΔS。表面ΔS向S′沿着法线方向投影得到投影区域ΔS′.对曲面(S′-ΔS′)+ΔS采用平滑过渡的方式填充孔洞得到曲面T。于是T′和T之间的区域为工件壁，假设这个工件是A。(5)ΔS是工件表面的凹陷区域。对这样的区域计算封闭平面P。封闭平面进行增厚，与工件是A一起形成一个新的工件B。对于工件B来说，封闭平面和ΔS形成空腔。对所形成的空腔采取边缘壁化处理，也即对空腔采用填实作为粉末烧结工件壁处理。

(6)在堆积方向上靠近部件顶端的部分，分割出高度尽可能小的一部分。于是工件B被分割为主体部和支件部。主部件按照原有设计的微孔隙结构进行打印。对于支件部，直接采用粉末烧结的方式打印实体，不再使用微孔隙结构。为了便于打印和后续的高温电弧增材熔覆。对主体部和支件部使用榫头结构衔接。(7)金属粉末烧结结束后对主部件倒出多余的金属粉末，然后采用金属切割工艺把支部件从打印基板上割出，再把支部件和主部件通过榫头连接。由于主部件也放置在打印基板上，把主部件、支部件通过主部件打印基板装夹在五轴高温电弧增材制造的打印基台上。然后采用五轴高温电弧增材制造工艺对B-P表面进行一层或数层熔覆。(8)采用铣刀去除P区域不需要的部分，最后用铣刀加工工件表面直至达到给定的表面精度和光洁度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。