一種節省材料的金屬零件整體快速制造方法

專利名稱：一種節省材料的金屬零件整體快速制造方法
技術領域：
本發明屬于先進制造領域，具體涉及一種節省材料的金屬零件整體快速制造方法。
背景技術：
在現代先進制造領域，隨形冷卻模具、整體渦輪盤、內流道器件、支撐網裝零件、復雜 工藝品零件等，利用機加工和鍛造方法無法整體成形，只能逐步加工出局部結構，最后通過 焊接等方法拼接成整體，不但工藝復雜，工序多，每一步增加了零件的廢品率，而且降低了 零件的整體性能可能使零件在某個部位缺陷集中。傳統鑄造方法不能成形復雜零件，熔模鑄 造和消失模鑄造方法雖然可以整體成形，但對于具有內部復雜結構的零件，采用這些鑄造方 法也很困難，且鑄件缺陷多，難以滿足高性能高精度的技術要求。
許多金屬比較貴重，制作零件成本較高，且許多內部結構的傳統加工方法材料浪費嚴重 ，并且具有復雜內部結構零件的復雜模具制作周期長、成本高，或者根本用傳統加工無法完 成等原因嚴重制約了各種結構材料和功能材料的應用。另外，在航空零件、人造生物組織等 方面要求零件輕量化，這就要求采用新的加工方法，在滿足應用的情況下盡量減輕零件的重 量，節省材料。
金屬零件快速成形直接制造方法如選擇性激光熔化(Sdective ^ser Melt^g: SLM)
，電子束熔融技術舊e麵Be咖Md他g'四M)，激光工程化凈成形技術
(Laser Engineered Net Shaping' LENS)等快速成形工藝采用各種純金屬粉末、混合粉
末、預制合金粉末等為材料，將其按一定厚度分解成一系列二維截面，即把原來的三維立體 信息變成二維平面信息的數據，根據這些數據，用高能束將金屬粉末逐層選擇性地熔化出零 件的各層形狀，逐層疊加起來形成實體零件，高能量密度的激光束或電子束可以使已凝固金 屬重熔，故可以牢固地層層熔合在一起形成致密的金屬零件。成形用裝備見"一種直接制造 金屬零件的快速成形系統"(公開號為CN1631582A，
公開日為2005年06月29日)。
金屬零件的整體快速制造工藝如下先由CAD三維造型軟件設計出所需零件的整體計算 機三維實體模型，然后根據零件的結構和功能要求對其內部進行鏤空或鏤空后加支撐，以達 到降低零件重量、減少材料利用的目的，同時零件的各項力學性能又不會損失太多，零件比 強度等(不清楚)大幅上升，并能夠實現零件特殊功能如內置冷卻流道等的制造。對零件內 結構的各種要求可以進行自主設計，也可以通關軟件對零件內部結構進行鏤空或施加支撐

發明內容
本發明的目的在于提供一種節省材料的金屬零件整體快速制造方法，該方法在滿足零件 性能要求的前提下，可以節省大量的材料，降低金屬零件的重量，制造時無需任何工模，不 受內部結構復雜程度的影響， 一次整體成形出致密度可以達到使用要求的高性能金屬零件。
本發明提供的節省材料的金屬零件整體快速制造方法，其步驟包括
(1) 在三維軟件中建模出無內部結構的金屬零件的模型，將文件導出為STL格式；
(2) 將STL格式文件導入處理STL格式文件的軟件中，對STL格式文件進行處理，包括鏤 空和添加內部結構；將處理后的STL文件的數據信息傳送到快速成形系統；
(3) 對成形腔抽真空后通保護氣，再由快速成形系統成形三維金屬零件； (4 )按照最終零件性能要求對成形的三維金屬零件進行后處理。
作為上述技術方案的改進，步驟(2)中，首先按下述要求進行鏤空中空零件壁厚大 于等于1.5mm，且在零件截面外接圓半徑的l/6-l/4之間，中空零件壁厚小于外接圓半徑的 1/4;制作網狀零件壁厚設為零；然后再添加支架。
作為上述技術方案的進一步改進，支架的結構為十字架型，支架截面邊長在零件截面外 接圓半徑l/6-l/4之間，支架節點間距為零件截面外接圓半徑的l/3-l/2之間。
本發明是一種利用零件內部鏤空并添加支撐結構，減少材料利用，不犧牲金屬零件性能 的整體快速制造方法。具體而言，本發明方法與現有的方法相比具有以下優點
(1) 利用CAD軟件進行鏤空處理方便快捷，既可以自主設計零件的內部結構，也可以從 結構庫(如圖l中的網狀支撐)中提取添加，縮短了設計周期。
(2) 金屬零件快速成形直接制造方法不需要模具， 一體化加工，成形不受零件結構限 制，這相對于傳統方法優勢明顯。相比于不鏤空的零件可以節省大量的材料，同時零件重量 大大減輕，在航空、人造骨組織、機械等領域實現輕量化。
(3) 幾乎不需要后處理或者后處理工藝簡單。
總之，用本發明方法成形的零件可以突破以往零件設計時因為傳統加工不能實現而造成 的思維定勢，對以后具有內部結構金屬零件的加工優勢明顯。


圖1為圓柱筒狀零件內部網狀支撐； 圖2利用本發明方法制造的內部鏤空的葉輪； 圖3為利用本發明方法制造的空間結構網； 圖4為利用本發明方法制造的國際象棋子。
具體實施例方式
本發明提供的金屬零件整體快速制造方法，其具體步驟如下
(1) 在三維軟件中建模出無內部結構的金屬零件的模型；將文件導出為STL格式；即將
三維模型切片轉換為片層信息，此時可控制STL切片的精度；
(2) 將STL格式文件導入專門的處理STL文件的軟件(快速成形工藝規劃軟件)中，對 其進行處理。快速成形工藝規劃軟件將添加相關功能模塊，使其可以按照零件的外形、要求 達到的性能、以及模擬及試驗得出的規則，進行內部結構添加和鏤空操作。這些既可以由軟 件自動生成，或可以從庫文件中提取具有一定性能的特定結構，也可以根據實際情況自己定 義。這樣可以使零件在達到使用標準的情況下減輕重量，節省材料。將處理后的STL文件的 數據信息傳送到快速成形系統。
①中空零件壁厚要大于等于1. 5mm而且在零件截面外接圓半徑的l/6-l/4之間；制作網狀 零件壁厚設為零。②支架結構形式可以多種多樣，十字架型效果最好。③支架截面邊長最好 在零件截面外接圓半徑1/6-1 /4之間，支架節點距離在零件截面外接圓半徑1/3-1 /2之間。
(3) 要求原料為粉末材料，對成形腔抽真空后通保護氣。
(4) 根據不同的粉末材料，選擇對應的最優工藝參數(激光功率、掃描速度、掃描方 式、單層厚度等)加工出所需要的零件。利用快速成形系統可以無模快速成形結構復雜的三 維實體零件，尤其是傳統方法無法加工的具有內部復雜結構的零件。
(5) 按照最終零件性能要求對其進行后處理，如清粉和噴砂。
實例l
在UG4.0中建模出無內部結構的發動機葉輪金屬零件的模型。將文件導出為STL格式。即 將三維模型切片轉換為片層信息。將STL格式文件導入快速成形工藝規劃軟件2008 (武漢奧 略軟件有限公司開發)中，對其進行處理，在葉輪軸處進行添加內部結構和鏤空等操作。將 STL文件的數據信息傳送到SLM快速成形系統。以304L不銹鋼粉末為原料，對SLM成形腔抽真空后通氬氣保護氣，每層鋪粉層厚為 0. llmm，粉末粒徑為-300目，采用的激光器為光纖激光器，功率為98W，掃描間距為O. lmm， 掃描速度為40mm/s，鋪粉延時3s，掃描延時2s，邊框次數1次，掃描方式為交替螺旋。
抽真空后通氬氣保護，加工出零件。
實例2
在UG4.0中建模出無內部結構的立方體金屬零件的模型。將文件導出為STL格式。即將三 維模型切片轉換為片層信息。將STL格式文件導入快速成形工藝規劃軟件2008中，對其進行 處理，鏤空壁厚為O，進行添加內部結構和鏤空等操作。將STL文件的數據信息傳送到SLM快 速成形系統。
以Fe粉末為原料，對SLM成形腔抽真空后通氬氣保護，每層鋪粉層厚為O. 08mm，粉末粒 徑為-200目，采用的激光器為光纖激光器，功率為95W，掃描間距為0.08mm，掃描速度為 70mm/s，鋪粉延時3s，掃描延時2s，邊框次數1次，掃描方式為逐行掃描。
抽真空后通氬氣保護，加工出零件。
實例3
在UG4.0中建模出無內部結構的國際象棋子金屬零件的模型。將文件導出為STL格式。即 將三維模型切片轉換為片層信息。將STL格式文件導入快速成形工藝規劃軟件2008中，對其 進行處理，手動進行鏤空、添加旋轉扶梯等操作。將STL文件的數據信息傳送到SLM快速成形 系統。
以316不銹鋼粉末為原料，對SLM成形腔抽真空后通氬氣保護，每層鋪粉層厚為O. lmm， 粉末粒徑為-300目，采用的激光器為光纖激光器，功率為98W，掃描間距為O. lmm，掃描速度 為45mm/s，鋪粉延時3s，掃描延時2s，邊框次數1次，掃描方式為分區變向掃描。
抽真空后通氬氣保護，加工出零件。
實例1-4的最終零件分別如圖1至圖4所示。
以上所述為本發明的較佳實施實例而已，但本發明不應該局限于該實施實例和附圖所公 開的內容。所以凡是不脫離本發明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發明保護的 范圍。
權利要求
1.一種節省材料的金屬零件整體快速制造方法，其步驟包括(1)在三維軟件中建模出無內部結構的金屬零件的模型，將文件導出為STL格式；(2)將STL格式文件導入處理STL格式文件的軟件中，對STL格式文件進行處理，包括鏤空和添加內部結構；將處理后的STL文件的數據信息傳送到快速成形系統；(3)對成形腔抽真空后通保護氣，再由快速成形系統成形三維金屬零件；(4)按照最終零件性能要求對成形的三維金屬零件進行后處理。
2.根據權利要求l所述的金屬零件整體快速制造方法，其特征在于 步驟(2)中，首先按下述要求進行鏤空中空零件壁厚大于等于1.5mm，且在零件截面外接 圓半徑的l/6-l/4之間，中空零件壁厚小于外接圓半徑的l/4;制作網狀零件壁厚設為零；然 后再添加支架。
3.根據權利要求2所述的金屬零件整體快速制造方法，其特征在于 支架的結構為十字架型，支架截面邊長在零件截面外接圓半徑l/6-l/4之間，支架節點間距 為零件截面外接圓半徑的l/3-l/2之間。
全文摘要
本發明公開了一種節省材料的金屬零件整體快速制造方法，步驟為①在三維軟件中建模出無內部結構的金屬零件的模型，將文件導出為STL格式；②將STL格式文件導入處理STL格式文件的軟件中，對STL格式文件進行處理，包括鏤空和添加內部結構；將處理后的STL文件的數據信息傳送到快速成形系統；③對成形腔抽真空后通保護氣，再由快速成形系統成形三維金屬零件；④按照最終零件性能要求對成形的三維金屬零件進行后處理。該方法在滿足零件力學性能要求的前提下，可以節省大量的材料，降低金屬零件的重量，制造時無需任何工模，不受內部結構復雜程度的影響，一次整體成形出致密度可以達到使用要求的高性能金屬零件，非常適于要求質量輕的金屬零件的加工。
文檔編號B22F3/11GK101607312SQ20091030471
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月23日 優先權日2009年7月23日
發明者劉國承, 史玉升, 王志剛, 波 錢, 魏青松 申請人:華中科技大學