通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法技术

本发明专利技术属于增材制造技术领域，提出一种通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法。首先通过3D喷墨打印技术制备预制砂型件，再使用金属粉末在预制砂型件的打印位置打印金属零件，接着打印金属支撑，且每次打印前在预制砂型件表面喷洒金属粉末作表面处理，直到金属零件、金属支撑成型结束。将预制砂型件使用溶解剂溶解后最后使用机械加工去除金属支撑和基板得到金属零件。本发明专利技术防止了送粉/送丝打印阶段因无结构支撑导致熔池倒塌，从而导致打印失败的缺陷，且本发明专利技术避免了多余的机械加工，减少复杂结构金属零件的成型成本，满足了市场需求。

Method of Making Printed Metal Parts by Precast Sand Mould Addition

【技术实现步骤摘要】
通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法
本专利技术涉及增材制造领域，具体而言提出增材制造中基于预制砂型送粉/送丝打印复杂金属零件的方法。
技术介绍
3D打印现已较多用于铸造领域中，常用的技术有：熔融沉积快速成型技术(FDM)、光固化成型技术(SLA)、选择性激光烧结技术(SLS)、无模铸型制造技术(PCM)、3D喷墨打印技术(3DP)。3DP是替代传统铸造用铸型和铸芯的理想成型方式，成型过程无需铸模和混砂等操作，完美的融合了传统产业和增材制造技术。利用3DP生产铸型、铸芯既推广了3D打印的发展，又是促进了铸造行业的技术革新。砂型打印砂型原材料比较特殊，打印过程并不出现扬尘，砂型与粘合剂之间的作用均在相对封闭的箱体内进行，减少了对环境的污染，减少了对人体的伤害。其次，3D打印制造模具省去了制作模具的过程，节约成本的同时，提高了产品生产的灵活性。再次，3D打印提高了产品的精度和质量，成型复杂零件的能力大大加强。对此国内外有相关专家学者对增材制造与砂型打印的结合进行了一系列的研究：清华大学颜永年教授团队(LuQ,DuZ,YanY,etal.Studyonmultifunctionalrapidprototypingmanufacturingsystem[J].IntegratedManufacturingSystems,1998,9(4):236-241.)在3DP进行了深入的研究，这种技术是先铺一层粉末，然后将粘结剂用喷头喷在需要成型的地方，之后让粉末粘结在零件表面，再不断的铺粉，喷涂，粘结，一层一层的叠加之后成型出最终的零件。杜延强等(杜延强.大型铸件砂芯3D打印难点浅析[J].金属加工(热加工),2016(15):17-19.)研究发现，3D打印出的砂芯容易排气，退让性和固定性差，芯骨、芯排气管难以放入。因此考虑将砂芯打印出带“外冷铁槽”的结构，但实验发现由于尺寸问题，仍需要有补砂填缝的工作量。杨铁毅等(杨铁毅,郭为忠.3D打印砂模的结构优化设计方法研究[J].机械工程学报,2017(21):169-177.)针对砂型结构和浇注过程中的载荷分布的关系做优化设计，推导出三个方向上的砂型厚度设计的数学公式。如式(1)～式(3)所示。经过结构的仿真设计及计算优化，证实了此砂模结构优化设计能够有效控制浇道的载荷分布，提高了3D打印砂模的经济效益和科学性。其中，T为优化厚度，σb为抗拉强度，k为机械变形许用系数，n为弯曲应力许用系数，m为剪切应力许用系数。但同时，激光熔化沉积技术(送粉打印)因激光器光斑直径较大，存在打印精度不够，成型过程中热应力较大导致零件变形，打印过程中熔池无衬托作用导致成型复杂件能力较差的问题。且电弧增材制造技术(送丝打印)在电弧大热量的作用下熔池同样因没有支撑作用而发生塌陷。以上研究均只针对了先3D打印砂型、砂芯再进行砂型铸造等方面，最终应用在铸造上。并没有在增材制造方面提高激光熔化沉积(送粉打印)和电弧增材制造技术(送丝打印)的复杂零件的成型能力，因此这个问题亟待解决。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法。本专利技术的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。为达成上述目的，本专利技术提出一种通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法，以预制砂型件作为第一支撑，以沿着基板的水平方向，间隔设置在预制砂型件之间的金属支撑件作为第二支撑，在预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构表面，采用增材制造技术打印所述的金属零件，具体的打印步骤为：先将一个预制砂型件放置在基板上，在打印金属零件之前，在该预制砂型件上打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件，然后在基板上打印与该预制砂型件贴合的金属支撑件，打印结束之后，在基板上放置对应的预制砂型件，重复打印过程，直至打印出完整的金属零件。进一步的，预制砂型件采用3D喷墨打印技术(3DP)打印。更进一步的，预制砂型件以型砂和粘结剂采用3D喷墨打印技术(3DP)打印。进一步的，金属零件或/和金属支撑采用激光增材制造技术送粉打印。进一步的，金属零件或/和金属支撑采用电弧增材制造技术送丝打印。进一步的，送粉打印金属零件和金属支撑时，打印高度为0.6～0.8mm，激光功率为900～1500w，扫描速度为480～720mm/min，扫描间距为1.7mm。进一步的，送丝打印金属零件和金属支撑时，打印高度为1～1.5mm，送丝打印采用CMT焊接技术，送丝速度7.5-8.5m/min；焊接速度0.006-0.01m/s；干伸长8mm；气流量25L/min。进一步的，预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构中，预制砂型件材质包括如下任意一种：二氧化硅、氧化铝、氮化硅、石墨等，金属支撑件材质包括如下任意一种：不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金等。进一步的，所述金属粉末的材质与金属零件的材质一致。进一步的，预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构中，预制砂型件的数量不小于1，且每间隔2～10mm设置一个金属支撑件，优选间隔4～6mm设置一个金属支撑件。进一步的，打印结束后，金属支撑件通过机加工的方式去除。进一步的，打印结束后，预制砂型件通过溶解剂溶解的方式去除。进一步的，当金属零件为轴对称结构时，打印顺序为从金属零件两端至中间依次对称打印，其具体步骤为：将与所述金属零件第一端或第二端相对应的预制砂型件先放置在基板上，在打印金属零件之前，在该预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件第一端或第二端，然后在基板上打印与该预制砂型件贴合的金属支撑件，金属零件两端打印结束之后，在基板上按照打印顺序对应放入下一个预制砂型件，重复打印过程，直至打印出完整的金属零件，整体打印结束后，依次去除预制砂型件、金属支撑件和基板，得到所述的金属零件。进一步的，当金属零件为非轴对称结构时，打印顺序为从金属零件第一端至第二端依次打印，其具体步骤为：将与所述金属零件第一端相对应的预制砂型件先放置在基板上，在打印金属零件之前，在该预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件第一端，然后在基板上打印与该预制砂型件贴合的金属支撑件，第一端打印结束之后，在基板上按照打印顺序对应放入下一个预制砂型件，重复打印过程，直至打印出完整的金属零件，打印结束后，依次去除预制砂型件、金属支撑件和基板，得到所述的金属零件。本专利技术的通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法，其显著的优点在于：使用预制砂型送粉/送丝打印出复杂结构的金属零件和金属支撑结构，在此打印的过程中，防止送粉/送丝打印阶段因无结构支撑导致熔池倒塌，从而导致打印失败的缺陷。而是通过预制砂型和金属支撑件，起到支撑熔池的作用。金属零件成型之后，使用溶解剂溶解预制砂型件，之后只需去除少数的支撑，避免了多余的机械加工，减少复杂结构金属零件的成型成本，满足了市场需求。应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法，其特征在于，以预制砂型件作为第一支撑，以沿着基板的水平方向，间隔设置在预制砂型件之间的金属支撑件作为第二支撑，在预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构表面，采用增材制造技术打印所述的金属零件，具体的打印步骤为：先将一个预制砂型件放置在基板上，在打印金属零件之前，在该预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件，然后在基板上送材打印与该预制砂型件贴合的金属支撑件，打印结束之后，在基板上放置下一个预制砂型件，重复打印过程，直至打印出完整的金属零件。

【技术特征摘要】
1.一种通过预制砂型增材制造打印金属零件的方法，其特征在于，以预制砂型件作为第一支撑，以沿着基板的水平方向，间隔设置在预制砂型件之间的金属支撑件作为第二支撑，在预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构表面，采用增材制造技术打印所述的金属零件，具体的打印步骤为：先将一个预制砂型件放置在基板上，在打印金属零件之前，在该预制砂型件打印位置上先喷射金属粉末作表面处理，再采用增材制造技术打印金属零件，然后在基板上送材打印与该预制砂型件贴合的金属支撑件，打印结束之后，在基板上放置下一个预制砂型件，重复打印过程，直至打印出完整的金属零件。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属粉末的材质与金属零件的材质一致。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预制砂型件采用3D喷墨打印技术打印。4.如权利要求1所述的的方法，其特征在于，金属零件或/和金属支撑采用增材制造技术送粉打印。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，金属零件或/和金属支撑采用增材制造技术送丝打印。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预制砂型件和金属支撑件构成的支撑结构中，预制砂型件的数量不小于1，且每间隔2～10mm设置一个金属支撑件，优选间隔4～6mm设置一个金属支撑件。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预制砂型件材质包括如下任意一种：二氧化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中刚，嵇书伟，陈小龙，常辉，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32