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增材制造与传统制造技术的融合与发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-08-09  浏览次数:22
核心提示:1增材与铸造复合制造熔模铸造生产的金属零件具有表面粗糙度、尺寸精度高、形状复杂等特性。该方法特别适合于近净成形制造具有复
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增材与铸造复合制造

熔模铸造生产的金属零件具有表面粗糙度、尺寸精度高、形状复杂等特性。该方法特别适合于近净成形制造具有复杂结构的零件,然而,熔模铸造模具的质量是决定铸造零件性能的一个重要的因素,对于复杂结构零件的整体铸造,熔模模具的制造对于传统加工方法是一个关键技术难题,将决定原材料的消耗及时间成本,因此,有必要探索和发展制造复杂铸造模具新工艺路线,而激光选区烧结技术(selective laser sintering,SLS)对于复杂结构的熔模具备强大的制造能力。

当前,人们已开展对多种聚合物粉末激光选区烧结研究,如尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、ABS、蜡等的激光选区烧结方法

。然而,对于熔模铸造使用的蜡模材料,不仅要考虑激光选区烧结制造原型件的强度和精度,更要考虑结壳或石膏型的脱蜡工艺,因此,激光选区烧结制造过程中所用的材料最好能够在脱蜡过程中完全脱除或烧失,留下的残留物越少越好(满足精密铸造的要求)。蜡是熔模铸造中用得最多的一种优良模料,虽然国内外都对蜡的激光选区烧结成形过程进行了大量的研究,但激光选区烧结从蜡材料制作熔模的变形问题 一直没有得到很好的解决。PC材料具有良好的激光烧结性能,制件的部件强度较高,是最早用于铸造熔模和塑料功能件的聚合物材料。但PC的熔点很高,流动性不佳,需要较高的焙烧温度,因而现已被PS所取代。综合来看,激光选区烧结技术制备PS材料具有一定的优势,然而,其成形件强度较低、易断,不适合制备具有精细结构的复杂薄壁大型铸件的熔模。然而,当前PS仍然是增材制造技术制作熔模铸造用蜡模的最常用材料。增材制造蜡模包含两个过程,首先,基于SLS技术用PS粉末制造原型模具,然后,通过渗蜡处理改善原型模具的孔隙率和表面完整性。针对PS力学性能差的问题,华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室研究了以高抗冲聚苯乙烯(HIPS)为基体的高强度蜡模材料,HIPS是经改性的PS,该材料在大幅提高PS冲击强度的同时对材料其他性能的影响较小,较适合激光选区烧结成形熔模铸造所需的模具原型件。

整体化和短流程是铸造工艺发展趋势,但传统方法很难满足这些要求。为此,本实验室将增材制造技术与传统铸造方法相结合,不但解决了飞机发动机机匣(蜡型)、高温合金叶片(陶瓷型)、汽车发动机缸盖(砂型)等复杂件的整体铸造难题,而且也将铸件交货时间由传统方法的3个月以上缩短为1周左右。通过这种复合制造,许多实际应用问题被解决。图1展示了飞机舱门及十字连接件的成功应用实例。该类零件具有外形尺寸大(接近1 m)、壁薄(厚度为3~5 mm)、多筋、曲面等特殊尺寸和形状特征,传统机加工和模具方法制作蜡模存在加工时间长、难以整体成形和精度难控等难题。增材制造与熔模铸造相结合对飞机部件的整体铸造提供了一个可行的解决方案。高抗冲聚苯乙烯(HIPS)部件采用SLS制造原型,然后通过渗蜡处理得到用于铸造的蜡模,采用传统的精密铸造技术制造目标零件,如图2所示。另外,关于制造成本,开展了增材与铸造复合制造和传统金属注射制造之间的比较。研究发现,舱门和十字接头部分的两蜡模,设计、处理时间约为一周,而采用传统的金属注塑,模具设计制作,加工和蜡将花费大约9周的时间,是复合制造时间的9倍。

(a)飞机舱门HIPS原型件

(b)十字接头HIPS原型件

图1 SLS制作的大型蜡模

(a)飞机舱门

(b)十字接头

图2 熔模铸造钛合金零件

总的来说,增材与铸造复合制造模式,对于整体化和短流程铸造工艺,起到了改造和提升作用。

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AM与传统热等静压结合

粉末热等静压(hot isostatic pressing,HIP)成形是一种粉末冶金技术,其原理就是将粉末用金属包套封装后放置在热等静压炉中,升温到材料熔点的三分之二左右,通过温度和压力的作用,使粉末发生冶金结合,形成的零件致密度高,性能均匀。热等静压过程需要一个控制零件形状及盛装粉末的密封容器,即包套,这个包套实际上就是一个模具。热等静压近净成形包括包套的设计、包套成形与拼接、粉末的封装,最后进行热等静压成形。根据最终部件所用材料,采用AM技术制成一个完整的同质包套,不用其他辅助工艺,热等静压后包套和内部粉末形成一个致密的实体,完成后就不必除去包套。因此,AM和热等静压结合的复合加工技术可以降低生产成本和缩短交货时间。此外,采用AM和热等静压结合制备的部件可以达到接近100%的致密度。虽然包套中不可避免会有一些孔隙的存在,但是由于孔洞都是非连通的,且孔洞较少,在包套壁厚度大于2 mm的情况下,可以保证包套的气密性。

在热等静压近净成形技术中,包套与控形型芯的设计与制造是关键技术之一,其成本占总成本的60%以上,且零件越复杂越难制造,所占成本越高。使用传统的机械加工方法来制造包套和型芯,对特别复杂的零件,加工难度非常大,有的甚至无法加工。针对该问题,华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室创新性提出应用AM技术快速、低成本成形无需去除的热等挤压复杂同质包套,用热等静压致密包套中金属粉末来直接整体成形零件,研究采用AM/热等静压复合成形方法,来实现热等静压用复杂控形包套和控形型芯快速低成本制造,以克服传统方法制造复杂包套和型芯的工艺难题。大大降低了设计与制造不兼容性,可以制造传统制造方式无法加工的复杂结构,是能够有效应用的快速成形技术之一。

图3为AM/HIP复合成形的工艺路线示意图。传统热等静压工艺一般是用软钢作为包套,热等静压后通过酸洗去除包套。而采用选择性激光熔化技术直接成形包套,包套在热等静压之后无需去除则有望可以达到目标零件的最终尺寸。

图3 AM/热等静压复合成形工艺过程

 
 
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