一种基于3D打印技术的多孔金属铸造工艺方法

技术领域

本发明涉及金属铸造技术领域，特别是涉及一种基于3D打印技术的多孔金属铸造工艺方法。

背景技术

多孔金属是一类包含大量孔隙的金属器件，具有比重小、比表面积大、能量吸收性好、换热散热能力高、吸声性好、渗透性好等特性，被广泛应用于航空航天、原子能、电化学、石油化工、冶金、机械工程、车辆工程、生物工程、建筑工程、环保等领域，其制备工艺也成为研究热点。

孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。多孔金属孔隙多是优点，但也是其铸造成型的难点，我们为了研究更适用于多孔金属的铸造工艺，对比了粉末冶金法、电镀法、燃烧合成法和铸造法发现：电镀法、燃烧合成法制作的多孔金属成品中易残留NaCl、硫酸铜等杂质，而且孔隙率不高，会对环境造成污染；粉末冶金烧结法制作的多孔金属具有基体内部孔洞分布均匀，孔洞尺寸可控性好的特点，但其制备工艺复杂，设备投资较大，因此价格高昂，且尺寸受限；铸造法工艺较简单，设备投资省，材料尺寸可以在较大范围内改变，可以进行大批量生产，但材料内部的孔洞大小和分布均匀性较差，不易控制；所以，我们考虑到更好的控制多孔金属铸造的孔隙率对于多孔金属铸造成型的重要性，提出一种基于3D打印技术的多孔金属铸造工艺方法，通过3D打印技术和熔模技术相结合，提供一种生产周期短、生产成本低、孔隙率可控的多孔金属铸造工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的多孔金属铸造工艺方法，通过3D打印技术和熔模技术相结合，提供一种生产周期短、生产成本低、孔隙率可控的多孔金属铸造工艺。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于3D打印技术的多孔金属铸造工艺方法，包括以下步骤：

(1)设计三维模型

使用三维软件建立多孔金属零件三维模型，以及对应的三维模壳，并将模壳数据分层处理；

(2)3D打印模壳

将分层梳理的模壳数据导入3D打印机，设置工艺参数，完成多孔金属模壳的成形，对模壳进行打磨修整，清洗干燥处理；

(3)灌浆

将多孔金属模壳的开孔面朝上，放置在涂料桶内，将涂料均匀涂抹模壳内壁孔洞；

(4)烘干

将步骤(3)中模壳放入干燥室烘干处理；

(5)脱蜡

将步骤(4)中模壳取出，放入蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡处理；

(6)烧结

将步骤(5)中模壳放入烧结炉进行烧结；

(7)浇注

将多孔金属液原料浇入模壳内；

(8)多孔金属铸造成型

将步骤(7)中模壳加热后，立即急冷，将成型的多孔金属与模壳分离，多孔金属清理打磨后完整铸造。

优选的，所述步骤(3)中涂料采用的是型芯浆液。

优选的，所述步骤(4)中烘干条件为：21-27℃烘干6-8小时。

优选的，所述步骤(5)中脱蜡的条件为：130-160℃条件下，0.65-0.75Mpa，时间6-10分钟。

优选的，所述步骤(6)中烧结的条件为：850-900℃烧结0.5-2小时。

优选的，步骤一中，模壳三维数据分层处理的步骤为：通过在Pro/E、U或者SolidWorks中对多孔金属模壳进行三维建模，并设计对应的浇筑系统，根据多孔金属各个部位的线收缩率，在多孔金属零件模壳各个部位按一定的尺寸比例进行预缩放处理，然后将模型转化为打印机对应的数据格式，导入RPData或者Imageware中，根据多孔金属零件的造型方向定位、设计支撑以及分层处理。

优选的，模壳材料为蜡、树脂、尿素或者硬脂酸中的一种。

优选的，步骤三中，涂料为硅溶胶、锆英粉、上店粉、湿润剂和消泡剂的混合料。

本发明至少具备以下有益效果：

1.本发明通过3D打印技术和熔模技术相结合，提供一种生产周期短、生产成本低、孔隙率可控的多孔金属铸造工艺，与现有技术相比，提高了多孔金属的成品率，保证了成品孔隙率及孔径分布，多孔金属孔隙率可控，多孔金属表面精度高，质量稳定可靠。

2.应用3D打印技术加工工艺简便，无需开发模具，生产耗时短，降低了单位制作成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为3D打印铸造多孔金属的工艺流程示意图；

图2为实施例二中多孔金属散热器模壳示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参照图1和图2，一种基于3D打印技术的多孔金属铸造工艺方法，包括以下步骤：

(1)设计三维模型

使用三维软件建立多孔金属零件三维模型，以及对应的三维模壳，并将模壳数据分层处理；模壳三维数据分层处理的步骤为：通过在Pro/E、U或者SolidWorks中对多孔金属模壳进行三维建模，并设计对应的浇筑系统，根据多孔金属各个部位的线收缩率，在多孔金属零件模壳各个部位按一定的尺寸比例进行预缩放处理，然后将模型转化为打印机对应的数据格式，导入RPData或者Imageware中，根据多孔金属零件的造型方向定位、设计支撑以及分层处理；

(2)3D打印模壳

将分层梳理的模壳数据导入3D打印机，设置工艺参数，完成多孔金属模壳的成形，对模壳进行打磨修整，清洗干燥处理；模壳材料为蜡、树脂、尿素或者硬脂酸中的一种；

(3)灌浆

将多孔金属模壳的开孔面朝上，放置在涂料桶内，将涂料均匀涂抹模壳内壁孔洞，涂料采用的是型芯浆液；涂料为硅溶胶、锆英粉、上店粉、湿润剂和消泡剂的混合料；

(4)烘干

将步骤(3)中模壳放入干燥室烘干处理，21-27℃烘干6-8小时；

(5)脱蜡

将步骤(4)中模壳取出，放入蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡处理，130-160℃条件下，0.65-0.75Mpa，时间6-10分钟；

(6)烧结

将步骤(5)中模壳放入烧结炉进行烧结，850-900℃烧结0.5-2小时；

(7)浇注

将多孔金属液原料浇入模壳内；

(8)多孔金属铸造成型

将步骤(7)中模壳加热后，立即急冷，将成型的多孔金属与模壳分离，多孔金属清理打磨后完整铸造。

本实施例中：通过应用3D打印技术加工工艺简便，无需开发模具，生产耗时短，降低了单位制作成本，与现有技术相比，提高了多孔金属的成品率，保证了成品孔隙率及孔径分布，多孔金属孔隙率可控，多孔金属表面精度高，质量稳定可靠。

实施例二

参照图1和图2，一种基于3D打印技术的多孔金属铸造工艺方法，包括以下步骤：

(1)设计三维模型

基于三维建模软件如Pro/E、U或者SolidWorks，对多孔金属零件模型三维模型设计，并结合铸造工艺，设计对应的浇注系统，浇注系统包括浇口杯、直浇口、横浇口和内浇口结构，以完成多孔金属零件的三维模型，及具有浇注系统的多孔金属零件模壳；

根据多孔金属零件的结构特点，结合实验数据分析和经验，判断确定零件在快速铸造过程中各个部位的线收缩率，并在对应的多孔金属零件模壳各个部位按一定的尺寸比例进行预缩放处理，不同浇筑金属液，收缩比会不同；

(2)3D打印模壳

将多孔金属模壳的模型数据，根据打印机的配置，转化为对应的数据格式，比如STL数据格式，并导入RPData或者Imageware中，根据多孔金属零件的造型方向定位、设计支撑以及分层处理；

将分层处理的数据导入3D打印机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数后，开始3D打印成形，制作完成后得到带支撑的多孔金属零件模壳，将其依次进行清洗、去支撑、后固化、表面打磨处理工序，以提高多孔金属零件模壳的尺寸精度、强度、表面质量性能。

(3)灌浆

将清理后的多孔金属零件模壳开孔面朝上，放在配置好的涂料桶内，使涂料均匀灌入多孔金属的各个孔洞处，使孔洞充满浆液。

(4)干燥

将多孔金属零件模壳从涂料桶内取出，放进干燥室21-27℃烘干6-8小时。

(5)脱蜡

将制好的模壳放入蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡，脱蜡压力为0.65-0.75Mpa，时间6-10分钟。

(6)烧结

将脱蜡后的模壳放入烧结炉中，850-900℃烧结0.5-2小时。

(7)浇注

烧结后，将金属液浇入模壳中。

(8)多孔金属铸造成型

浇注完成后，将铸件放入加热好的碱液中，铸件受热均匀后，迅速提出，放入冷水中急冷，脱模后清理打磨多孔金属表面，即得到铸件。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。