基于選擇性激光粉末燒結(jié)3d打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鑄造工藝，尤其涉及一種基于選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)是基于離散材料逐層堆積成形的原理，依據(jù)產(chǎn)品三維CAD模型，快速“打印”出產(chǎn)品原型或零部件的數(shù)字化制造技術(shù)，融合了計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制、網(wǎng)絡(luò)信息等多學(xué)科知識(shí)系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)。3D打印變“減材”加工為“立體打印”，將三維實(shí)體變?yōu)槎S平面，降低制造復(fù)雜度，讓設(shè)計(jì)人員不再受傳統(tǒng)工藝和制造資源約束，專注于產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新，在“設(shè)計(jì)即生產(chǎn)”、“設(shè)計(jì)即產(chǎn)品”理念下，追求“創(chuàng)造無極限”；在零部件的設(shè)計(jì)上可以采用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無需考慮加工問題，解決了傳統(tǒng)的航空航天、船舶、汽車等動(dòng)力裝備高端復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)零部件的制造難題。同時(shí)由于簡(jiǎn)化或省略了工藝準(zhǔn)備、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、分析高度一體化，極大降低產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新成本、縮短創(chuàng)新研發(fā)周期。3D打印突破了結(jié)構(gòu)幾何約束，能夠制造出傳統(tǒng)方法無法加工的非常規(guī)結(jié)構(gòu)特征，特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個(gè)性化制造及創(chuàng)新構(gòu)思的快速驗(yàn)證，這種工藝能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)零部件輕量化、優(yōu)化性能有極其重要的意義。然而，傳統(tǒng)基于3D打印的精密鑄造工藝仍存在諸多不足，例如針對(duì)不同型號(hào)的原型件，需要添加不同規(guī)格的支撐，增加打印難度且原型件容易變形，影響鑄造效率，而且浪費(fèi)材料。常規(guī)的蠟澆注系統(tǒng)，需在制作完成后的零件樹脂原型上人工設(shè)置蠟棒，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且受所制作澆注系統(tǒng)影響和手工工藝，難以保證澆鑄金屬零件質(zhì)量和穩(wěn)定性從而增加了工藝復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于通過一種基于選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝，來解決以上【背景技術(shù)】部分提到的問題。
[0004]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]—種基于選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝，包括如下步驟:
[0006]S101、對(duì)目標(biāo)零件進(jìn)行CAD鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
[0007]S102、選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印成型；
[0008]S103、硅溶膠/水玻璃熔模精密鑄造。
[0009 ] 特別地，所述步驟S101具體包括:
[0010]建立目標(biāo)零件的三維模型，對(duì)目標(biāo)零件整體模型的各個(gè)部位按一定的尺寸比例進(jìn)行預(yù)縮放處理，并在該目標(biāo)零件的三維模型上直接設(shè)計(jì)相應(yīng)的澆注系統(tǒng)，使目標(biāo)零件的三維模型及其澆注系統(tǒng)形成一個(gè)目標(biāo)零件整體模型。
[0011 ]特別地，所述步驟S102具體包括:
[0012]將目標(biāo)零件整體模型轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行相關(guān)前處理，該前處理依次包括但不限于如下加工參數(shù)優(yōu)化工藝:零件打印方向定位、數(shù)據(jù)模擬及加工預(yù)估、加溫層識(shí)別及切片處理；
[0013]將完成切片處理的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印快速成型系統(tǒng)進(jìn)行激光燒結(jié)3D打印成型；
[0014]打印完成后得到帶未燒結(jié)粉末的目標(biāo)零件整體PS材料原型工件，進(jìn)行清粉處理；
[0015]將清粉處理完成后的目標(biāo)零件整體PS材料原型工件在自制滲蠟機(jī)構(gòu)用一定蠟溫進(jìn)行滲蠟處理，再用可控溫的烘箱進(jìn)行干燥的后處理。
[0016]特別地，所述步驟S103具體包括:
[0017]對(duì)目標(biāo)零件的整體PS材料原型工件進(jìn)行逐層硅溶膠/水玻璃掛漿撒砂制殼；
[0018]完成制殼后將目標(biāo)零件的整體PS材料原型工件進(jìn)行模殼脫蠟工序，待完成脫蠟處理之后將目標(biāo)零件的整體PS材料原型工件及其型殼整體放入高溫焙燒爐里進(jìn)行高溫焙燒；
[0019]將完成焙燒后的目標(biāo)零件型殼從高溫焙燒爐中取出并澆注熔融金屬液，待其冷卻后進(jìn)行震動(dòng)脫殼，去除包覆在鑄件外表面的堅(jiān)硬型殼；
[0020]將澆注系統(tǒng)切除，再進(jìn)行鑄件后處理，最終制得目標(biāo)零件精密金屬鑄件。
[0021]特別地，所述步驟S102中后處理包括依次進(jìn)行未燒結(jié)粉末清除、滲蠟處理、干燥和表面凈化。
[0022]特別地，所述步驟S102中蠟溫應(yīng)按不同厚度進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)厚度均勻或厚度小于10mm的原型工件，蠟溫應(yīng)設(shè)定在65?70°C;當(dāng)厚度在10?30mm之間或者厚度不均勻的原型工件，蠟溫應(yīng)設(shè)定在58?63°C;當(dāng)厚度大于30mm或者厚度不均勻的原型工件，蠟溫應(yīng)設(shè)定在58 ?60。。。
[0023]特別地，所述步驟S102中滲蠟處理具體包括:先將加熱溫度設(shè)定到預(yù)定值，然后把蠟打碎后放入蠟池，滲蠟處理過程應(yīng)勻速下降至全部浸入蠟池，保證原型件不受熱軟化而出現(xiàn)工件變形、坍塌，直到原型件無氣泡冒出，勻速將原型件提出蠟池。
[0024]特別地，所述步驟S102中用可控溫的烘箱進(jìn)行干燥包括:將滲蠟處理的蠟?zāi)Ｔ图旁?5°C的烘箱中干燥10分鐘后，再空氣冷卻。
[0025]特別地，所述步驟S103中硅溶膠/水玻璃掛漿撒砂制殼包括:每掛一次掛漿對(duì)應(yīng)地撒一層砂，等前一層型殼干燥硬化后再次掛漿撒砂制下一層型殼，且除首次掛漿后撒鋯英砂作為面層砂外后續(xù)的每次撒砂都用莫來砂，反復(fù)進(jìn)行4-6次硅溶膠/水玻璃掛漿并撒砂過程，然后再進(jìn)行硅溶膠/水玻璃封漿處理，待其干燥硬化后型殼制作完成。
[0026]特別地，所述步驟S103中模殼脫蠟的工藝采用水浴-焙燒脫蠟，水溫在90?100°C左右，時(shí)間25?30分鐘，焙燒去除模殼中的PS材料，溫度250?280°C，時(shí)間為30?50分鐘使模殼內(nèi)原型件完全消失;模殼高溫焙燒爐的溫度為950?1000°C，保溫2小時(shí)至模殼完全燒結(jié)固化后澆注。
[0027]本發(fā)明提出的基于選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝不需用模具就可以快速制造出零件的“蠟?zāi)！辈⒖焖僦圃斐鼋饘倭慵粌H可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件快速制造，而且能實(shí)現(xiàn)精密鑄造工藝過程的集成化、自動(dòng)化、快速化，大大縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，特別適合于單件小批量復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)和新產(chǎn)品的試制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)具體如下:1)采用選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印快速制作出目標(biāo)零件、具有澆注系統(tǒng)整體PS原型件及完整的蠟?zāi)＜?，省去了?fù)雜鑄件的蠟?zāi)Ｆ囱b所需的人工費(fèi)用及所需的工時(shí)；2)有效提高了零件的精度尺寸和表面質(zhì)量，蠟?zāi)＞瓤蛇_(dá)± 0.1，制造出產(chǎn)品具有表面光澤度高，強(qiáng)度好;3)傳統(tǒng)的精密蠟?zāi)ｈT造必須開模，而采用選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的零件一次成形，整個(gè)制造過程中無需模具，既節(jié)約了模具制造成本，又縮短了零件制造周期，提高了產(chǎn)品開發(fā)效率;4)不需要任何的支撐結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件的快速精密鑄造。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝流程圖；
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的目標(biāo)零件整體模型示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的目標(biāo)零件整體全剖視圖；
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的目標(biāo)零件整體模型+澆注系統(tǒng)示意圖；
[0032]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的目標(biāo)零件整體模型+澆注系統(tǒng)全剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開內(nèi)容理解的更加透徹全面。除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
[0034]請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的基于選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝流程圖。
[0035]本實(shí)施例中基于選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印的精密蠟?zāi)ｈT造工藝具體包括如下步驟:
[0036]S101、對(duì)目標(biāo)零件進(jìn)行CAD鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0037]通過三維建模軟件建立目標(biāo)零件的三維模型，對(duì)目標(biāo)零件整體模型的各個(gè)部位按一定的尺寸比例進(jìn)行預(yù)縮放處理，并在該目標(biāo)零件的三維模型上直接設(shè)計(jì)相應(yīng)的澆注系統(tǒng)，使目標(biāo)零件的三維模型及其澆注系統(tǒng)形成一個(gè)目標(biāo)零件整體模型。于本實(shí)施例，所述三維建模軟件可采用CATIA、Pro/E、UG、CREO和SolidWorks中的任一種。
[0038]S102、選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印成型。
[0039]將目標(biāo)零件整體模型轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)格式，并導(dǎo)入前處理軟件進(jìn)行相關(guān)前處理，該前處理依次包括但不限于如下加工參數(shù)優(yōu)化工藝:零件打印方向定位、數(shù)據(jù)模擬及加工預(yù)估、加溫層識(shí)別及切片處理。其中，所述前處理軟件采用三維模型切片軟件，在本實(shí)施例中采用自主研發(fā)的HUST-3DP三維模型切片軟件。HUST-3DP三維模型切片軟件是專用配套軟件，主要功能是設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分，(1)、具備獨(dú)有的STL文件容錯(cuò)切片技術(shù)，不需另配糾錯(cuò)軟件和人工糾錯(cuò)；(2)、自適應(yīng)切片功能:即在零件切片截面沒有變化的部分，計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)置較大的間距提高生產(chǎn)效率;零件切片截面變化大的部分，計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)置較小的間距，減少臺(tái)階效應(yīng)，提高制件質(zhì)量。(3)、原形制作動(dòng)態(tài)仿真和自主開發(fā)熱源支撐工藝。可以根據(jù)零件形狀自動(dòng)生成高度及間隔可調(diào)的熱源支撐，使用熱源支撐可以在降低關(guān)鍵層溫度，更便于零件清理的情況下，很好的防止零件制作過程中的翹曲變形，提高零件的質(zhì)量。(4)、具有強(qiáng)糾錯(cuò)功能的光斑補(bǔ)償算法。在零件制作過程時(shí)，為了保證零件精度，必須進(jìn)行光斑補(bǔ)償。但是零件的細(xì)小位置或者尖角等位置，進(jìn)行光斑補(bǔ)償時(shí)，極易出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致零件切片出錯(cuò)，從而導(dǎo)致加工失敗。而這款在線式切片軟件的光斑補(bǔ)償算法可以解決這一問題。需要說明的是，所述零件打印方向定位不需要任何的支撐，不浪費(fèi)材料，未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用。
[0040]將完成切片處理的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入選擇性激光粉末燒結(jié)3D打印快速成型系統(tǒng)進(jìn)行激光燒結(jié)3D打印成型。
[0041]打印完成后得到帶未燒結(jié)粉末的目標(biāo)零件整體PS材料原型工件，進(jìn)行清粉處理，以保證預(yù)制工件的尺寸精度。
[0042]將清粉處理完成后的目標(biāo)零件整體PS材料原型工件在自制滲蠟機(jī)構(gòu)用一定蠟溫進(jìn)行滲蠟處理，再用可控溫的烘箱進(jìn)行干燥的后處理。其中，后處理包括依次進(jìn)行未燒結(jié)粉末清除、滲蠟處理、干燥和表面凈化。所述