三維結構的分層凝膠鑄模工藝

劉恩辰 羅信武

摘 要：本文提出了一種新型三維結構分層凝膠鑄模工藝，使用快速成形技術制備模具，在制備模具的過程中，進行零件凝膠材料的填充。以殼體和柱體等兩種典型結構為加工成形對象，進行了分層凝膠鑄模工藝研究。理論上，分層凝膠鑄模工藝能夠使得零件凝膠材料對模具腔體有著良好的填充效果，讓零件結構件的形狀尺寸質量高、物理化學性能好，同時，使用快速成形工藝制備模具，制備簡便，成本低。

關鍵詞：凝膠鑄模；快速成形制造；粉末冶金

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.001

0 引言

粉末冶金（Powder Metallurgy， PM）是用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經過成形和燒結制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝過程，具有節能、省材、近凈成形、環保、經濟、高效等優點，可制造傳統鑄造方法與機械加工方法無法制備的材料和難以加工的零件，且適合于大批量生產，故備受工業界的重視[1-4]。

凝膠注模成形技術是粉末冶金中用于實現坯塊成形的重要方法，可用來成形復雜形狀、大型尺寸的金屬零件，其成形胚體組分均勻、密度均勻，缺陷少，強度高，并且該工藝所需模具成本低廉，不需專門的脫脂工序，能適用于多種金屬粉末、陶瓷材料的成形。由于具備這些獨特優勢，凝膠注模成形技術在粉末冶金機械零件、磁性材料、多孔材料、金屬陶瓷材料等領域具有廣闊的應用前景[5-9]。

美國Stanford大學學者Jurgen Stampfl等人將凝膠注模成形技術與Mold DF（mold shape deposition manufacturing）工藝相結合，提出了一種三維結構成形方法（見美國專利，專利號：US6375880）。使用該方法，他們成功制備出形狀復雜的不銹鋼葉輪，該葉輪的微觀結構及力學性能優良，可媲美傳統工藝所制備的粉末冶金件[10]。

零件材料對模具的填充情況是影響凝膠鑄模工藝效果的重要因素，為獲得良好填充效果，本文將快速成形制造和凝膠鑄模相結合，分層制備模具，并在模具的制備過程中填充零件材料，以期獲得更好的填充效果和產品性能。

1 分層凝膠鑄模技術的原理和基本流程

分層凝膠鑄模技術的原理在于使用快速成形技術制備模具，在制備模具的過程中，進行零件凝膠材料的澆筑，能夠使得零件凝膠材料對模具腔體有著良好的填充效果，讓零件結構件的形狀尺寸質量高、物理化學性能好，同時，使用快速成形工藝制備模具，制備簡便，成本低。

分層凝膠鑄模技術的基本流程包括三步，如圖1所示。第一步根據三維結構件形狀尺寸設計模具。第二步，將模具制備和材料填充分成以下四個基本加工操作：（1）操作A，單純使用快速成形工藝制備模具，（2）操作B，向模具填充結構件材料，（3）操作C，同時制備模具和填充結構件材料，（4）操作D，靜置以實現填充結構件的固化。一般來說，在完成模具的制備前，應該實施過B項加工操作或C項加工操作。第三步，結構件材料凝固后，去除模具，將結構件坯塊釋放出來。在第一步中，使用建模軟件完成模具的設計。

為了進一步探討三維結構分層凝膠鑄模工藝的加工能力和加工流程，我們研究了典型法蘭、典型殼體和典型柱體三種不同結構的分層凝膠鑄模工藝方法。

2 典型殼體的分層凝膠鑄模工藝研究

圖2是典型殼體的結構示意圖，由下圓盤、上圓盤和中間環形殼體組成，其中上圓盤和下圓盤形狀尺寸一致，中間都開有與圓盤同心的圓孔，上圓盤和下圓盤通過中間環形殼體板連接起來，其立體結構圖如3（a）所示。為了方便說明加工流程圖，將典型法蘭的結構進行了剖分，殼體結構的剖視圖如圖2（b）所示。

圖3是該典型殼體的分層凝膠鑄模工藝圖。加工時，采用的工藝流程為：首先，實施A項加工操作；然后，實施B項加工操作；接著，實施A項加工操作；最后，實施D項加工操作。

具體來說，首先，根據殼體的結構，設計加工模具的整體結構，模具分為內外兩層結構，其結構如圖3（a）所示。然后，在CAD中建模，并對模具進行切片處理，切成兩層。使用3D打印技術打印出第一層模具，模具的上表面高于殼體下圓盤的上表面，如圖3（b）所示，打印的模具材料1為石蠟，打印的模具材料2為塑料。使用噴嘴向已加工的模具空間填充不銹鋼粉末凝膠，待不銹鋼粉末凝膠凝固后，使用機械加工將表面切削成平整的平面，如圖3（c）所示。使用3D打印技術打印出第二層模具，如圖3（d）所示，打印的模具材料1為石蠟，打印的模具材料2為石蠟。然后，使用噴嘴向已加工的模具空間填充不銹鋼粉末凝膠，待不銹鋼粉末凝膠凝固后，使用機械加工將表面切削成平整的平面，如圖3（e）所示。使用有機溶劑將模具外層的塑料溶解，如圖3（f）所示。將剩余部分放入電爐箱中，在電爐箱中充滿氮氣，以保護零件結構。將電爐箱溫度設定為65℃，使石蠟模具材料融化，最終釋放出零件結構，如圖3（g）所示。將釋放后的不銹鋼粉末凝膠結構放入真空電烤箱中進行高溫燒結，形成具有一定機械性能的三維結構件，可直接使用，也可進行更高精度的機械加工后再使用。

3 典型柱體結構的分層凝膠鑄模工藝研究

圖4是典型柱體的結構示意圖，為圓柱體結構，其中心剖面圖為一長方形。圖5和圖6設計了兩種分層凝膠鑄模工藝圖，各有其自身特點。兩個工藝流程圖均按照剖面圖進行繪制。

圖5是典型柱體的分層凝膠鑄模工藝圖（方法一）。加工時，采用的工藝流程為：首先，實施A項加工操作；然后，實施C項加工操作；最后，實施B項加工操作。具體來說，首先，根據柱體的結構，設計加工模具的整體結構，模具分為內外兩層結構，其結構如圖5（a）所示。然后，在CAD中建模，并對模具進行切片處理，切成兩層。使用3D打印技術打印出模具的第一層，即模具的基底部分，如圖5（b）所示，打印的模具材料1為石蠟，打印的模具材料2為塑料。然后，繼續使用三維打印技術制備模具，同時填充不銹鋼粉末凝膠，如圖5（c）所示，t1時刻模具的制備和不銹鋼粉末凝膠的填充情況如圖中實線所示，t2時刻、t3時刻以及t4時刻模具的制備和不銹鋼粉末凝膠的填充情況分別如圖5（c）中從下至上的第一組、第二組以及第三組虛線所示，其中t1小于t2小于t3小于t4。持續制備模具和填充零件材料，直至完成模具的制備。然后，使用向已加工的模具空間填充不銹鋼粉末凝膠，待不銹鋼粉末凝膠凝固后，使用機械加工將表面切削成平整的平面，如圖5（d）所示。使用有機溶劑將模具外層的塑料溶解，如圖5（e）所示。將剩余部分放入電爐箱中，在電爐箱中充滿氮氣，以保護零件結構。將電爐箱溫度設定為65℃，使石蠟模具材料融化，最終釋放出零件結構，如圖5（f）所示。

將釋放后的不銹鋼粉末凝膠結構放入真空電烤箱中進行高溫燒結，形成具有一定機械性能的三維結構件，可直接使用，也可進行更高精度的機械加工后再使用。

圖6是典型柱體的分層凝膠鑄模工藝圖（方法二）。加工時，采用的工藝流程為：首先，實施A項加工操作；然后，實施B項加工操作；接著，實施A加工操作；然后，實施B加工操作；接著，實施A加工操作；最后，實施B項加工操作。具體來說，首先，根據柱體的結構，設計加工模具的整體結構，其結構如圖6（a）所示，該模具無底面，需要在平整的基底結構上進行打印制備。然后在CAD中建模，并對模具進行切片處理，切成三層。使用3D打印技術在平面基底上打印出模具的第一層，如圖6（b）所示，打印的模具材料為石蠟。使用噴嘴向已加工的模具空間填充不銹鋼粉末凝膠，使填充結構略低于模具結構，如圖6（c）所示。使用3D打印技術打印出第二層模具，如圖6（d）所示。然后，使用噴嘴向已加工的模具空間填充不銹鋼粉末凝膠，使填充結構略低于模具結構，如圖6（e）所示。接著，使用3D打印技術打印出第二層模具，如圖6（f）所示。然后，使用噴嘴向已加工的模具空間填充不銹鋼粉末凝膠，待不銹鋼粉末凝膠凝固后，使用機械加工將表面切削成平整的平面，如圖6（g）所示。將模具及零件結構放入電爐箱中，在電爐箱中充滿氮氣，以保護零件結構。將電爐箱溫度設定為65℃，使石蠟模具材料融化，最終釋放出零件結構，如圖6（h）所示。

將釋放后的不銹鋼粉末凝膠結構放入真空電烤箱中進行高溫燒結，形成具有一定機械性能的三維結構件，可直接使用，也可進行更高精度的機械加工后再使用。

4 結論

本文提出了一種新型三維結構分層凝膠鑄模工藝，使用快速成形技術制備模具，在制備模具的過程中，進行零件凝膠材料的填充。以法蘭、殼體和柱體等三種典型結構為加工成形對象，以石蠟材料作為模具材料，以不銹鋼粉末凝膠材料作為零件材料，進行了分層凝膠鑄模工藝研究，設計了三種具體的分層凝膠鑄模工序，為實際加工提供指導和參考。理論上，分層凝膠鑄模工藝能夠使得零件凝膠材料對模具腔體有著良好的填充效果，讓零件結構件的形狀尺寸質量高、物理化學性能好。

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基金項目：2016年度廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（編號：KY2016YB253）