三維結(jié)構(gòu)成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維結(jié)構(gòu)成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]凝膠注模成形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)坯塊成形的重要方法，可用來(lái)成形復(fù)雜形狀、大型尺寸的結(jié)構(gòu)件，其成形胚體組分均勻、密度均勻，缺陷少，強(qiáng)度高，并且該工藝所需模具成本低廉，不需專門(mén)的脫脂工序，能適用于多種金屬粉末、陶瓷材料的成形。由于具備這些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，凝膠注模成形技術(shù)在粉末冶金機(jī)械零件、磁性材料、多孔材料、金屬陶瓷材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]美國(guó)Stanford大學(xué)學(xué)者Jurgen Stampfl等人將凝膠注模成形技術(shù)與Mold DF(mold shape deposit1n manufacturing)工藝相結(jié)合，提出了一種三維結(jié)構(gòu)成形方法(見(jiàn)美國(guó)專利，專利號(hào):US6375880)。使用該方法，他們成功制備出形狀復(fù)雜的不銹鋼葉輪，該葉輪的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能優(yōu)良，可媲美傳統(tǒng)工藝所制備的粉末冶金件(參見(jiàn):Jurgen Stampfl et al.Rapid prototyping and manufacturing by gelcasting ofmetallic and ceramic slurries, Materials Science and Engineering A[J], 2002,334(1-2):187 一文)。
[0004]專利US6375880提出的加工工藝已成為凝膠注模成形技術(shù)與Mold DF技術(shù)的組合加工工藝領(lǐng)域中最為基礎(chǔ)、典型和普遍的工藝技術(shù)，該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單描述如下:首先制備模具，然后向模具中填充結(jié)構(gòu)件材料，最后將模具去除實(shí)現(xiàn)坯塊的釋放。其中，模具的制備方法為:逐層制備模具結(jié)構(gòu)以及填充腔犧牲層結(jié)構(gòu)，待完成整個(gè)模具結(jié)構(gòu)以及填充腔犧牲層結(jié)構(gòu)的制備后，將填充腔犧牲層結(jié)構(gòu)腐蝕掉，形成填充空腔，最終形成模具。
[0005]專利US6375880所述加工工藝的一個(gè)重要不足在于，由于填充工序設(shè)置在整個(gè)模具制備完成后，因此填充材料對(duì)模具的填充效果顯得非常關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)件，尤其是存在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和薄長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件，可能會(huì)出現(xiàn)填充不完整的情況，從而造成坯塊的缺陷，影響結(jié)構(gòu)件的形狀尺寸質(zhì)量和物理化學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述工藝技術(shù)的不足，提高填充材料對(duì)模具的填充，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)件的形狀尺寸質(zhì)量和物理化學(xué)性能，本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的三維結(jié)構(gòu)成形工藝，該工藝通過(guò)在制備模具過(guò)程中填充結(jié)構(gòu)件材料，從而更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件材料對(duì)模具的填充。
[0007]具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明所述的三維結(jié)構(gòu)成形方法包括以下步驟:
步驟一、根據(jù)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模具。
[0008]步驟二、使用以下四項(xiàng)操作的組合操作，完成模具的制備以及結(jié)構(gòu)件坯塊的成形:a)使用快速成形工藝制備模具，但不填充結(jié)構(gòu)件材料；b)不制備模具，但填充結(jié)構(gòu)件材料；c)使用快速成形工藝制備模具，且填充結(jié)構(gòu)件材料；d)不制備模具，且不填充結(jié)構(gòu)件材料。在完成模具的制備前，至少實(shí)施過(guò)一次b項(xiàng)操作或者c項(xiàng)操作。
[0009]步驟三、待填充的結(jié)構(gòu)件材料凝固后，去除模具，將結(jié)構(gòu)件坯塊釋放出來(lái)。
[0010]進(jìn)一步地，步驟一中所述模具設(shè)計(jì)是使用計(jì)算機(jī)軟件程序(包括CAD軟件程序)完成。
[0011]進(jìn)一步地，步驟二中所述四種操作的組合操作包括以下三種形式。I)單獨(dú)使用所述四項(xiàng)操作中的某一項(xiàng)操作；II)至少使用所述四項(xiàng)操作中的兩項(xiàng)操作，且使用的操作只實(shí)施一次；III)至少使用所述四項(xiàng)操作中的兩項(xiàng)操作，且使用的操作中至少有一項(xiàng)操作實(shí)施了兩次或兩次以上。
[0012]進(jìn)一步地，步驟二中所述快速成形工藝為熔融沉積成形或三維打印技術(shù)或上述兩種方法的組合。
[0013]進(jìn)一步地，步驟二中用于形成所述模具的材料為塑料或石蠟或塑料與石蠟的組入口 O
[0014]進(jìn)一步地，步驟二中所述填充方法為人工填充或計(jì)算機(jī)程序控制下的機(jī)械填充或上述兩種方法的組合。
[0015]進(jìn)一步地，步驟三中所述的去除模具的方法為機(jī)械去除法或熱熔去除法或溶劑溶解法或化學(xué)腐蝕法或上述四種方法的任意組合。
[0016]使用上述方法完成結(jié)構(gòu)件成形后，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)結(jié)構(gòu)件尺寸精度、表面精度和物理化學(xué)性能等方面的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)件坯塊進(jìn)行后處理，后處理方法包括但不局限于機(jī)械加工、高溫?zé)Y(jié)、表面處理等方法。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
1.由于本發(fā)明所述加工材料填充不需要在模具制備完成后進(jìn)行，因此可實(shí)現(xiàn)坯塊的分層填充，進(jìn)而提升填充材料對(duì)模具腔體的填充效果，使結(jié)構(gòu)件擁有更好形狀尺寸質(zhì)量和物理化學(xué)性能。
[0018]2.本發(fā)明采用快速成形工藝制備模具，模具制備簡(jiǎn)便，制備成本低。
[0019]3.本發(fā)明可在制備模具的過(guò)程中，同時(shí)填充結(jié)構(gòu)件材料，提高了三維結(jié)構(gòu)成形效率。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明所述三維結(jié)構(gòu)成形方法。
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程示意圖。
[0023]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程示意圖。
[0025]圖6為本發(fā)明實(shí)施例3、實(shí)施例4以及實(shí)施例5中結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖7為本發(fā)明實(shí)施例3中結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程示意圖。
[0027]圖8為本發(fā)明實(shí)施例4中結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程示意圖。
[0028]圖9為本發(fā)明實(shí)施例5中結(jié)構(gòu)件加工過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1是本發(fā)明所述三維結(jié)構(gòu)成形方法，包括三個(gè)基本步驟。步驟一、根據(jù)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模具。步驟二、使用以下四項(xiàng)操作的組合操作，完成模具的制備以及結(jié)構(gòu)件坯塊的成形:a)使用快速成形工藝制備模具，但不填充結(jié)構(gòu)件材料；b)不制備模具，但填充結(jié)構(gòu)件材料；c)使用快速成形工藝制備模具，且填充結(jié)構(gòu)件材料；d)不制備模具，且不填充結(jié)構(gòu)件材料。其中，在完成模具的制備前，至少實(shí)施過(guò)一次b項(xiàng)操作或者c項(xiàng)操作。步驟三、待填充的結(jié)構(gòu)件材料凝固后，去除模具，將結(jié)構(gòu)件坯塊釋放出來(lái)。所述填充材料包括但不局限于金屬基材料、陶瓷材料以及金屬陶瓷混合材料等。后續(xù)還可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)結(jié)構(gòu)件尺寸精度、表面精度和物理化學(xué)性能等方面的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)件坯塊進(jìn)行后處理，后處理方法包括但不局限于機(jī)械加工、高溫?zé)Y(jié)、表面處理等方法。
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例1:
本實(shí)施例中結(jié)構(gòu)件有由三部分組成:1)下圓盤(pán)，該圓盤(pán)中間開(kāi)有同心的圓孔；2)與下圓盤(pán)形狀尺寸一致的上圓盤(pán)；3)八塊中間肋板，連接下圓盤(pán)與上圓盤(pán)。圖2 (a)為結(jié)構(gòu)件的外觀圖；圖2 (b)為結(jié)構(gòu)件的剖視圖，剖面為一豎直平面；圖2 (c)為結(jié)構(gòu)件的另一剖視圖，剖面為一水平平面。
[0032]下面，結(jié)合圖3，具體描述采用本發(fā)明加工該結(jié)構(gòu)件的過(guò)程。
[0033]步驟一、首先根據(jù)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)模具，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)形狀如圖3(a)所示。
[0034]步驟二、使用上文所述的四項(xiàng)操作的組合操作，完成模具的制備以及結(jié)構(gòu)件坯塊的成形。本實(shí)施例中采用的組合操作為:a項(xiàng)操作一b項(xiàng)操作一a項(xiàng)操作一b項(xiàng)操作一a項(xiàng)操作一b項(xiàng)操作一a項(xiàng)操作一b項(xiàng)操作。具體來(lái)說(shuō):首先使用熔融沉積成形技術(shù)制備模具層1，直至形成結(jié)構(gòu)件下圓盤(pán)的填充腔體，如圖3 (b)所示，用于制備模具的材料為塑料；然后暫停模具層的制備，使用人工方法向模具腔體內(nèi)填充結(jié)構(gòu)件材料，形成結(jié)構(gòu)件坯塊2的一部分，如圖3 (C)所示；再次，暫停結(jié)構(gòu)件材料的填充，使用熔融沉積成形技術(shù)制備模具層1，直至形成結(jié)構(gòu)件肋板下半部分的填充腔體，如圖3(d)所示，用于制備模具的材料為塑料；再次，暫停模具層的制備，使用人工方法向模具腔體內(nèi)填充結(jié)構(gòu)件材料，形成結(jié)構(gòu)件坯塊2的一部分，如圖3 (e)所示；再次，暫停結(jié)構(gòu)件材料的填充，使用熔融沉積成形技術(shù)制備模具層1，直至形成結(jié)構(gòu)件肋板上半部分的填充腔體，如圖3 (f)所示，用于制備模具的材料為塑料；再次，暫停模具層的制備，使用人工方法向模具腔體內(nèi)填充結(jié)構(gòu)件材料，形成結(jié)構(gòu)件坯塊2的一部分，如圖3 (g)所示；再次，暫停結(jié)構(gòu)件材料的填充，使用熔融沉積成形技術(shù)制備模具層1，直至形成結(jié)構(gòu)件上圓盤(pán)的填充腔體，如圖3 (h)所示，用于制備模具的材料為塑料；最后，暫停模具層的制備，使用人工方法向模具腔體內(nèi)填充結(jié)構(gòu)件材料，形成結(jié)構(gòu)件坯塊2的一部分，如圖3 (i)所示。
[0035]步驟三，待填充的結(jié)構(gòu)件材料凝固后，使用機(jī)械方法將塑料模具I切割成多塊，同時(shí)使用機(jī)械力將切割后的模具I從結(jié)構(gòu)件坯塊2上分離開(kāi)來(lái)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件坯塊2的釋放，如圖 3 (J)0
[0036]實(shí)施例2:
本實(shí)施例中結(jié)構(gòu)件有由三部分組成:1)下圓盤(pán)，該圓盤(pán)中間開(kāi)有同心的圓孔；2)與下圓盤(pán)形狀尺寸一致的上圓盤(pán)；3)中間環(huán)形殼體，連接下圓盤(pán)與上圓盤(pán)。圖4 (a)為結(jié)構(gòu)件的外觀圖；圖4 (b)為結(jié)構(gòu)件的剖視圖，剖面為一豎直平面。
[0037]下面，結(jié)合圖4，具體描述采用本發(fā)明加工該結(jié)構(gòu)件的過(guò)程。
[0038]步驟一、首先根據(jù)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)模具，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)形狀如圖5(a)所示，模具由模具內(nèi)層Ia和模具外層Ib兩部分構(gòu)成。
[0039]步驟二、使