基于几何细节特征分解的快速原型制造及其在金属型零件快速制造中的应用关键技术研究

提出一种基于几何细节特征分解的分段快速原型制造技术，结合凝胶注模技术，探索低成本快速制造具有细小几何结构的金属型零件的可行性和有效性。分段快速原型制造是通过在零件材料直接切削加工和在支撑材料上先加工"型腔"、再注入零件材料复制成型的交替过程，完成不受零件几何复杂程度限制的快速原型制造技术。项目围绕分段注射/雕刻复合成形工艺的实现，研究解决分别作为零件和支撑的两种材料注射成形工艺参数优化问题，实现两种材料的温度匹配、有效粘结和最后的方便剥离；实验分析蜡基材料切削加工成型细小几何细节的局限性和解决方法，包括工艺规划的特殊策略、切削参数优化等，实现尺度在1mm以内的薄壁、深槽等典型几何细节特征的加工成型。在此基础上，采用凝胶注模技术，研究解决薄壁结构在干燥、脱脂、烧结过程中的若干特殊问题，实现金属零部件的快速制造。

为实现几何细节特征的快速成形，探索了通过两种不同组份的蜡基材料相互背衬、交替加工的创新性工艺原理的可行性，研究结果表明：采用可机加工蜡和可水溶蜡的交替注射、交替铣削，可以很好的实现细槽、薄壁、尖角等细节几何特征的浇注蜡模成形。①为了避开熔融蜡对已固化成形的蜡型表面的损伤，采用了加压注射充填新的蜡基材料的工艺，结果表面，由于蜡本身的流动性好，采用气压注射可以实现半熔融态蜡料的顺利充型，使半熔融体的温度低于蜡本身的熔点。②为了完成水溶蜡与可机加工蜡分离，在水中加入少量盐酸溶解可水溶蜡，实现两种蜡基材料在结合界面上完全无残留分离，蜡模腔体表面完整性好。. 为了实现对零件的几何细节特征提取和分解，研究开发了对三角网格零件模型的几何特征分割和提取的算法和软件实现，提出了有向轮廓线的理论模型，运用布尔运算，实现对零件特征的分割。较完整地提出了适用于本工艺方案的几何特征的属性归类方法，在此基础上，较好地解决了交替注射/铣削加工的模型分解及其对应的工艺规划问题。. 研究结果证实了采用凝胶注模与后续烧结成形快速制造具有几何细节特征金属型零件工艺原理的可行性。以不锈钢零件制造为主要研究目标，得出当分散剂比例为1wt%，明胶比例为0.8wt%，溶液PH值为7时，凝胶具有最佳的悬乎效果。提出采用不同粒度的不锈钢粉末均匀混合，当粗细不同粒度的不锈钢粉末的配比为6：4时，可以达到最佳的充填效果和体积密度，固相粉末含量达到58%。试验验证了不同粒度颗粒混合最佳配比的理论计算模型。.在尝试对坯体进行空气干燥、热风干燥、炉内干燥等多种方法后，发现对薄壁结构、尖角过度结构很难避免开裂现象。为此，系统尝试了对坯体采用冰冻干燥的新方法，取得了满意的效果。壁厚为0.6mm的坯体，通过冷冻干燥无出现开裂现象。为解决对坯体烧结过程中出现的翘曲问题，前期的研究采用真空烧结、气氛烧结，并采取了若干控制策略，但对薄壁零件的烧结过程中的开裂、翘曲未能取得满意的结果。课题研究的后期，采用了微波烧结坯体，通过分段烧结和优化升温速度，成功实现了对具有薄壁结构的不锈钢零件的烧结成形。. 成功采用微波烧结的工艺方案，是本课题研究过程中实现的一个新的拓展，为本领域开展后续相关的研究工作提供了有益的尝试，具有很好的借鉴参考价值。