[发明专利]三维结构成形方法

说明书

一种三维结构成形方法，可用于三维结构件的制造，包括以下步骤：步骤一、根据结构件结构设计模具。步骤二、使用以下四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形：a)使用快速成形工艺制备模具，但不填充结构件材料；b)不制备模具，但填充结构件材料；c)使用快速成形工艺制备模具，且填充结构件材料；d)不制备模具，且不填充结构件材料。在完成模具的制备前，至少实施过一次b项操作或者c项操作。步骤三、待填充的结构件材料凝固后，去除模具，将结构件坯块释放出来。本三维结构成形方法具有成形效果好、加工效率高、应用范围广以及成本低下等优点。

技术领域

本发明涉及一种三维结构成形方法。

背景技术

凝胶注模成形技术是实现坯块成形的重要方法，可用来成形复杂形状、大型尺寸的结构件，其成形胚体组分均匀、密度均匀，缺陷少，强度高，并且该工艺所需模具成本低廉，不需专门的脱脂工序，能适用于多种金属粉末、陶瓷材料的成形。由于具备这些独特优势，凝胶注模成形技术在粉末冶金机械零件、磁性材料、多孔材料、金属陶瓷材料等领域具有广阔的应用前景。

美国Stanford大学学者Jurgen Stampfl等人将凝胶注模成形技术与Mold DF（mold shape deposition manufacturing）工艺相结合，提出了一种三维结构成形方法（见美国专利，专利号：US6375880）。使用该方法，他们成功制备出形状复杂的不锈钢叶轮，该叶轮的微观结构及力学性能优良，可媲美传统工艺所制备的粉末冶金件（参见：JurgenStampfl et al. Rapid prototyping and manufacturing by gelcasting of metallicand ceramic slurries, Materials Science and Engineering A[J], 2002, 334(1-2):187 一文）。

专利US6375880提出的加工工艺已成为凝胶注模成形技术与Mold DF技术的组合加工工艺领域中最为基础、典型和普遍的工艺技术，该工艺过程简单描述如下：首先制备模具，然后向模具中填充结构件材料，最后将模具去除实现坯块的释放。其中，模具的制备方法为：逐层制备模具结构以及填充腔牺牲层结构，待完成整个模具结构以及填充腔牺牲层结构的制备后，将填充腔牺牲层结构腐蚀掉，形成填充空腔，最终形成模具。

专利US6375880所述加工工艺的一个重要不足在于，由于填充工序设置在整个模具制备完成后，因此填充材料对模具的填充效果显得非常关键。结构件，尤其是存在细长结构和薄长结构的结构件，可能会出现填充不完整的情况，从而造成坯块的缺陷，影响结构件的形状尺寸质量和物理化学性能。

发明内容

为了克服上述工艺技术的不足，提高填充材料对模具的填充，进而提高结构件的形状尺寸质量和物理化学性能，本发明提供了一种改进的三维结构成形工艺，该工艺通过在制备模具过程中填充结构件材料，从而更好地实现结构件材料对模具的填充。

具体来说，本发明所述的三维结构成形方法包括以下步骤：

步骤一、根据结构件结构设计模具。

步骤二、使用以下四项操作的组合操作，完成模具的制备以及结构件坯块的成形：a)使用快速成形工艺制备模具，但不填充结构件材料；b)不制备模具，但填充结构件材料；c)使用快速成形工艺制备模具，且填充结构件材料；d)不制备模具，且不填充结构件材料。在完成模具的制备前，至少实施过一次b项操作或者c项操作。

步骤三、待填充的结构件材料凝固后，去除模具，将结构件坯块释放出来。

进一步地，步骤一中所述模具设计是使用计算机软件程序（包括CAD软件程序）完成。