与超薄切片格金属制造间接使用离心铸造

摘要

间接添加剂的制造方法的聚合物的三维打印组合用离心铸造概述为具有0.5mm的壁厚5mm的单元电池的长度制造三维八角体桁架金属（Al和Cu合金）。

摘要

其中一个典型的方法来制造三维晶格金属是直接金属添加剂制造（AM）的过程，如选择性激光熔化（SLM）和电子束熔炼（EBM）。尽管其潜在的处理能力时，直接调幅方法有几个缺点，如成本高，最终产品的表面光洁度差，限制在材料的选择，高的热应力，以及零件的​​各向异性性质。我们提出了一种经济有效的方法来制造三维晶格金属。本研究的目的是提供在具有复杂形状和薄壁三维晶格金属制造的详细协议; 例如 ，八角体桁架由具有5mm的单元电池的长度和细胞壁厚度的Al和Cu的合金的为0.5mm。整体实验过程分为八个部分:（一）祭祀图案的三维打印（二）融出辅助材料（C）去除支撑材料的残留量（四）模式assemblY（五）投资（F）烧坏牺牲图案（G）离心铸造（H）后处理的最终产品。建议上午间接提供的技术来制造超轻金属晶格的潜力; 例如 ，网格结构用铝合金。看来，工艺参数应当根据材料和晶格几何适当地控制，由间接调幅技术观察八角体桁架金属的最终产品。

引言

蜂窝金属是固体支柱或板的互连网络的组成的金属和具有复杂的微观结构用¹空隙。示例包括ⅰ）无规结构随机泡沫和ii）定期有序二维（2D）的蜂窝体和三维（3D）晶格桁架结构。他们已受到关注，因为它们高的比刚度和强度^1-3和高比回弹^4-5，对于冲击载荷^6，隔音^7，热消散器和热交换器⁸的可能的设计优良的能量吸收。特别地，周期性有序晶格结构具有工程师优于与控制内部多孔网络的几何形状的能力的属性的潜力。

由于其复杂的内部多孔网络的几何形状，则难以用传统的减色machinin制造蜂窝金属G。因此，研究人员已经开始寻找替代方法来制作蜂窝金属:液态金属成形气体或金属粉末与发泡剂混合进行了探讨制造随机金属形式^9。由于缺乏对细胞拓扑控制的，这是很难调整机械性能。可替代地，用于周期性地有序蜂窝金属的制造方法进行了探讨:冲压金属薄板为波纹形，随后通过加入它们来创建周期性结构^10，接合开槽金属片^11，挤出^12，编织和炽热金属丝来制造纺织品^13。即使这些制造方法提供可重复的图案，所述图案在所述平面方向上仍然受到限制。在努力产生三维图案重复，研究人员使用添加剂制造（AM）开始; 例如 ，选择性激光熔化^{（SLM）14，}电子束熔炼（EBM） ^{15，和直接金属激光烧结（DMLS）16。尽管他们的能力来制造三维有序复杂晶格的几何形状，但仍存在一些限制:激光或电子熔化期间使用具有高导热性和高的光反射率17，高热残余应力18，表面光洁度较差的"成球"的现象金属困难19，各向异性特性引起的分层制造，各向异性地层颗粒，粉末的尺寸，功率和激光或电子束15，高能耗等扫描速度的组合效果份20-21。}

结合系聚合物调幅与金属铸件可以提供制造晶格金属的替代方法。人们可以把这种"间接AM"。间接调幅可以提供一种解决方案，以克服上述金属的直接调幅的技术问题。一些努力是马例如 ，熔模铸造与熔融沉积成型（FDM）组合制作晶格合金^22-25或砂型铸造用沙粉末组合;德使用间接AM结合基于重力铸造^22-25的聚合物的三维印刷制造晶格金属根据今年^23岁 。重力铸造的基础似乎仍然是一个技术挑战，克服-浇不足和气孔引起熔融金属凝固突然见面时晶格结构模具^25-26的尖角网络结构。晶格结构的模具的相对大的表面面积也似乎有助于突然冷却，导致过早凝固^25-26。

在这项研究中，我们提出了制造晶格金属过程中可能会克服浇不足替代间接AM - 离心浇铸到由​​3D印刷格子牺牲聚合物图案制成的格子模腔。我们使用数字光处理（DLP）的3D打印方法建立一个格子结构牺牲图案其次是铝和铜合金的离心铸造。本研究的目的是提供在具有复杂形状和薄壁三维晶格金属制造的详细协议。这个过程的主要贡献是提供一个机会以低生产成本延长材料的选择制造格子金属。

方案

1.实验计划

1. 绘制使用计算机辅助设计（CAD）软件的牺牲图案（一个八位组桁架结构具有一浇道系统） 如图1和保存CAD模型为STL文件格式。
   注:牺牲模式是八位桁架结构用直浇道系统，将最终被融化铸造的综合模式。因为牺牲图案包括两个八位字节桁架结构和浇道系统，它并不准确地表示八角体桁架本身。提供了牺牲图案的STL文件。记录由CAD软件所提供的牺牲花纹，这将被用于计算金属"质量的体积。
2. 打开连接到3D打印机打印图案的3D打印软件牺牲图案的CAD图纸。
3. 确保该三维打印机具有足够的UV可固化/可浇注丙烯酸塑料和支撑材料制成的蜡的在打印机墨盒。

2，祭祀图案的制作

1. 制造组成的八角体桁架结构，并使用三维打印机（ 图2A - C）的浇道系统的牺牲花纹。
   注意:在2.1.3过程 - 如果使用不产生辅助材料三维打印机2.1.7不是必需的。
   1. 发送所述牺牲图案的STL文件到3D打印机打印的牺牲图案（ 图2A）。
   2. 融出在烘箱牺牲图案的支撑材料在高于载体材料的熔化温度（60 - 70 C）2小时（ 图2B）。
      注:去除支撑材料的温度不宜过高。否则，可能会导致在牺牲图案的损坏。牺牲的模式开始在这一研究中围绕80℃越来越损坏。
      注意:suppor的熔融温度ŧ材料对于可能使用不同的支持材料的3D打印机而异。
   3. 填写婴儿油了数字超声波清洗机，以2.5升，最大音量的清洁剂可以包含（ 图2C）。
      注:建议由3D打印机使用婴儿油，用于溶解蜡样支撑材料的残留量的供应商。
   4. 把牺牲模式进入数字化超声波清洗机并打开吸尘器（ 图2C）的力量。确保牺牲图案中石油完全淹没。
   5. 通过在65℃40分钟（ 图2C）浸渍在牺牲模式进入油中除去载体材料的残余物。
   6. 从清洁器取出所​​述牺牲花纹如果支撑材料被完全去除。
   7. 有牺牲图案干后用在室温（〜20℃）（ 图2C）的风扇。
      注意:这需要约2小时直到牺牲图案的表面上的油已完全干燥。考虑如果表面是不发粘被完全干燥所述牺牲花纹。

3.模具的制作

1. 模型组件
   1. 附加一个橡胶垫圈至牺牲图案（的八角体桁架的浇道系统），并把它们放在一个圆筒形烧瓶中的与6.35厘米的高度，直径6.35厘米（ 图2D）的底部。
      注:准备两个瓶中铸造各种金属; Al和Cu合金。
   2. 双重检查与牺牲花纹的橡胶垫被完全附连到该烧瓶的底部。
   3. 换用胶带烧瓶，使投资粉末 - 水混合物，其过程将在接下来的部分中描述的，可以不从烧瓶中漏出。
2. 投资模具的研制
   1. 准备投资粉末（卡索₄ ，ρ= 1019公斤/米^3）89克，这是87.16毫升。使用规模称重投资粉末。
      注意:投资粉末的物理性能列于表1中。
   2. 倒入投资粉放入搅拌碗（1升）。
   3. 将水（114毫升）到混合碗中。用烧杯，以测量水的体积。
   4. 混合与水投资粉末在碗3分钟。拌匀，直到有在投资粉末与水的混合物没有肿块。否则，可能会导致投资模具的表面质量较差。按照工作流， 如图3。
   5. 为了在该混合物中以除去气泡，碗放置在一个真空室中90秒，直到气泡不能在用裸眼（ 图3）的混合物中可以看出。
   6. 将混合物倒入一个烧瓶中嵌入所述牺牲图案和橡胶垫圈（ 图2E）。
   7. 放置FLAS再次K的真空室90秒以除去混合物（图3）内的气泡的残留物。
   8. 干燥该混合物的烧瓶内，直到它在RT（ 图3）硬化。
      注:一般情况下，大约需要10 - 15分钟的在RT硬化混合物。
   9. 在该混合物的烧瓶内的底部取出烧瓶和橡胶垫圈一旦混合物硬化（ 图3）。此产品可以被称为石膏模具。
3. 烧完
   1. 而下列加热和冷却时间表（ 图4）加热从23至150℃，在2.1℃/分钟建立一个烧尽时间在炉; 150在3.7℃/ min的370℃; 370以1.85℃/分钟480℃; 480以4.17℃/分钟730℃; 730℃1小时;在-4.17℃/ min冷却730 480℃。
      注:燃尽VAR的时间IES用烧瓶大小。在这项研究中，设置燃尽时间为6小时。
   2. 放置在炉中（ 图2F）的石膏模具。
   3. 打开炉中，在炉子增加温度以除去石膏模具内的牺牲花纹。按照图4中的温度条件。
      注意:由于UV固化/浇注丙烯酸塑料，牺牲图案的材料，是一种热固性丙烯酸类聚合物的塑料，它不流动，但解离到在炉内气相。
4. 离心铸造 （ 图2G）
   1. 检查离心铸造机的使用手臂打开离心铸造机的电源后，转速表与转速42​​5的角速度旋转。
   2. 准备了可以容纳150克合金熔化两个陶瓷坩埚。使用的铝和铜合金坩埚分开以防止它们被污染随eACH的。
   3. 打开离心铸造机的电源。
   4. 使用金​​属切割机，印章的合金与10件 - 20mm的长度。制备它们足以完全填充模腔，其量应是相同的牺牲花纹。
      注意:需要填写模腔的相同体积的金属的质量而变化考虑每个金属变化的密度。
   5. 穿阻燃布和手套和护目镜。准备在室温一桶水（30升）。
   6. 以石膏模从炉暂时缺货3.3节，在烧瓶摇篮安装和平衡离心铸造机（ 图5）的手臂。
   7. 浇铸前放置石膏模返回到炉和预热到482℃。
   8. 放置在坩埚中的坩埚座（ 图5）。
   9. 把切碎合金到坩埚。
   10. 打开氧气的阀罐用氧 - 乙炔焊炬连接并保持在96.5千帕（14磅）的罐中的压力水平。
   11. 点燃氧 - 乙炔焊炬用打火机并通过调节气体的混合控制火焰的强度。
       注意:使用氧 - 乙炔火炬时需要注意。其火炬的最高温度约为1200℃。
   12. 与坩埚中的火炬熔化切碎合金（Al合金或Cu合金），直到合金完全变成液体。
   13. 搅拌坩埚中的合金用碳棒直到切碎合金完全熔化。
   14. 放置在烧瓶摇篮石膏模具后靠旁边含有熔融合金（ 图5）的坩埚中。
   15. 关闭离心铸造机的盖子，让手臂离心旋转，并至少等待3分钟。
       注意:离心铸造设备开始尽快铸造机盖关闭操作。离心手臂在425 rpm的速度对应于在所述牺牲图案的模腔中的入口速度旋转时，V _R = 8.03Hz米/秒^{28 29}在图5中，其中入口速度是使用宏观粒子动力学从角度计算离心铸造的速度臂^28,29。
   16. 关闭离心铸造机的功率臂​​的3分钟后旋转。
   17. 打开连铸机的盖子。
   18. 以石膏模出使用钳瓶摇篮。
   19. 保持在RT模具15 - 20分钟，直到熔融合金的颜色回到它原来的一个在固相上。
   20. 使用钳，淬火在水中的石膏模在RT放置在一个桶（30升）约5分钟。确保该石膏模具的温度接近室温淬火后。
   21. 为了获得在模具内的晶格金属，溶解模具在水中。石膏的模具很容易在水中溶解。

4.后置处理八角桁架金属的最终产品

1. 打开一个喷砂的电源。
2. 放置喷砂内的平台上的八角体桁架的金属和关闭机器的门。
3. 戴上手套和抢喷砂手枪。
4. 抓住金属制品的浇道部，并与喷砂2小时从晶格金属吹熄残余石膏。
   注意:喷砂的强度自动在550千帕大约固定。一旦喷砂被操作时，则空气从手枪自动退出。
5. 保持喷砂运行，直到八角体桁架金属内部的投资石膏渣完全，而用肉眼检查去除。
   注:上没有拆除石膏渣的微观标准。这超出了本研究的范围。 ŧ他除去石膏残余物容易用肉眼确定。因为八角体桁架是一个开放的单元结构，可以看到，通过并检查是否石膏残留物完全除去。
   需要使用喷砂不与在高压（550千帕）的薄壁厚度（0.5mm）的损坏八角体桁架金属注意:注意。
6. 如果该八位位组桁架金属内的投资石膏残余物未完全与喷砂除去，使用附加的后处理的方法; 例如 ，超声波清洗或离开产品在水中一天。
7. 在使用超声清洁器的情况下，填充0.7升的水进入超声波清洗，并将与石膏渣八角体桁架金属在超声波清洗器。
   1. 打开的超声波洗涤机的功率。
   2. 设置一个操作条件; 例如，在70℃3小时。
   3. 取八角体桁架金属出的超声波洗涤机的一次次E操作结束。
   4. 干燥在RT的八角体桁架金属直到在金属表面上的水完全除去。
8. 作为一种替代的后处理方法，留在水中的八角体桁架金属。这将导致石膏剩余物溶解于水。
   1. 放置八角体桁架金属与水的石膏渣和离开它一天，使得投资石膏和金属表面之间的结合力变得减弱在水中。
   2. 就拿八角体桁架金属出来的水。
   3. 干燥在RT的八角体桁架金属直到在金属表面上的水完全除去。
9. 使用锯或其它适当的工具，切断填充浇道系统的一部分的空腔中的金属从金属制品中，用一个大小为25mm×25mm的×25mm的获得最终的八角体桁架金属， 如图1B所示 。

结果

使用在协议部分中描述的间接添加剂制造中，使用铝和铜的合金制造八角体桁架的金属，如示于图1中的整个铸造过程总结于图2中的步骤包括八个部分:（一）的牺牲图案印刷（二）融出支持材料（c）去除支撑材料（D）模组件（五）投资（F）烧坏牺牲图案（G）离心铸造，及（h）的残留物的后处理。 如图3中的投资混合过程是为了确保有在投资-水混合物无结块，进行的。在烧尽过程进行6小时至熔出牺牲图案如图4，随后是离心铸造工艺（ 图2G和图5）。 图6示出八角体桁架金属的最终产品的Al和Cu的合金。它表明，在熔融Al合金完全填满整个格子模腔不浇不足。另一方面，熔融Cu合金出现在熔融金属的喷射在进气口的早期阶段与过早凝固铸造缺陷。

讨论

对于传统的金属铸件，它以保持熔融金属的流动顺畅，并在模腔"层状"精简，而避免不规则和搅拌流中紊流²⁷一般观察是很重要的。因此，正确设计用离心臂的旋转速度，以保持熔融金属的晶格型腔'层'内的流相关联的浇道系统的入口是重要的。

在这项研究中，该协议的关键步骤是与水，烧尽牺牲图案的投资粉末的混合中，并且离心铸造工艺。投资粉末与水的混合过程是重要的，因为石膏模具的质量主要是由该方法的控制，随后影响八角体桁架金属的最终产品的完成程度。例如，如果投资 - 水混合物太粗糙，表面roughnESS变高，从而导致最终产品的表面光洁度差。该牺牲花纹的烧尽过程也是至关重要的，以确定最终产品的质量，因为牺牲图案的残余物引起的铸造缺陷，如浇不足或金属渗透如果牺牲图案不完全烧尽。最后关键步骤是离心铸造工艺。铸造正确的设置，需要充分填写液态金属出在投资型腔与复杂的网络状的八角体桁架结构。

如在图6中可以看出，在相同的处理条件下， 例如 ，在入口速度，熔融金属，模具的预...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电动离心铸造机	Rey 电动离心铸造机 Rey Industries Inc.		由德克萨斯州达拉斯的 Rey industries， Inc. 在美国制造 75220
石膏粉	缎面铸造 20，发现King Kerr	7960	石膏粉用于制造熔模混合物
Ployjet 3D 打印机	Projet HD3500 Plus，3D Systems		这款基于聚合物的 3D 打印机用于打印铸造牺牲模型。
筒材料 - 紫外线固化和可浇注丙烯酸塑料	VisiJet Procast， 3D Systems		这是在浇注前将要烧毁的浇注材料
筒材料 - 支撑材料	VijiJet S300， 3D Systems		这是在模型组装之前将要去除的支撑材料
古代青铜铸造颗粒	Rio Grande	706051	这种真正的青铜颗粒不含锌。它流动性强，熔化迅速，铸造干净，并在强度和耐用性之间提供了良好的平衡。温暖的深青铜色带有浓郁的红色底色，合金具有良好的铜绿。 成分为 90% 的铜和一定量的锡;适合 CDA#90700 类别。这种谷物以 1 磅包装出售。
铝圆线，1/8"，1磅卷，死软	Rio Grande	134700	轻质且坚固的铝线是一种经济且多功能的选择。铝不像银那样亮白，而是提供更暖的色调，很像铂金。只能使用低温焊料（如 Stay-Brite）进行焊接;适用于脉冲电弧焊接和激光焊接。这种高质量的铝线包装在1磅的卷轴上。
计算机辅助设计软件 （Pro-e）			该软件可以替换为其他软件，例如 Auto CAD、Catia 等。
ProJet Finisher 1-A	3D Systems		此机器用于熔化支撑材料。
160瓦2.5升数字超声波清洁器带定时加热环工具	芝加哥，电动，电动工具		85盎司容量，五个清洁周期：90,180,280,380和480秒，加热或不加热清洁，易于阅读的LED数字定时器，清晰视窗
风扇	霍尼韦尔公司	HT-800	120 V AC.，60 Hz.，0.85 A.
用于蜡片的 TP 石蜡 - Modeler 的粉红色蜡片，3 英寸 x 6 英寸，24-Ga。	Rio Grande	700075	Sheet 蜡具有柔韧性，可以切割或形成任何形状。它'非常适合设计，因为您可以直接在图纸上绘图或描摹;选择绿色或粉红色，具体取决于哪种最能展示您的设计。高制造标准确保了卓越的一致性和显著的价格节约。与其他地方提供的较小包装价格相同的较大包装数量会增加价值。每个 8 盎司的包装包含大约 30 张。
蜡棒用石蜡 - Modeler's Medium Red Sprue Wax， 8-Ga	Rio Grande	700741	一种比坚硬的蓝色更柔韧、更柔软的浇口蜡。适用于形成浇口和浇口，燃烧干净，无残留。
酒精灯	Rio Grande	700008	使用此灯加热蜡工工具或用作火焰抛光机。沉重的玻璃储液器有多面的侧面，使其可以倾斜以倾斜火焰。7" x 3/16" 灯芯的螺钉调节控制火焰的高度。安全帽可熄灭火焰并防止燃料蒸发。为了获得最佳火焰，请使用甲醇燃料。提供替换灯芯。储液罐可容纳 5 盎司（150 毫升）燃料。
蜡雕工具套装 - Soft Grip蜡雕机，10件套	Rio Grande	700329	这款盒装套装提供了最好的切割和塑形技术。这十种高品质钢蜡雕工具中的每一种都配有 5/16 英寸 PVC 覆盖的手柄，可确保在数小时的工作中稳定、舒适地握持，并且所有工具都具有用于塑形和精细细节的锋利边缘。锐化或自定义形状每个工具以满足您的需求。这些工具提供卓越的工具强度并提供出色的结果。这套装在一个铰链式泡沫衬里的木盒中。
橡胶搅拌碗，1 - 1/2 夸脱	里奥格兰德	702131	这款高度灵活的硫化橡胶碗易于抓握，不会被抹刀损坏，清洁起来很容易。
耐热玻璃烧杯，1,000ml	Rio Grande	335040	真正的耐热玻璃烧杯非常适合存放和加热浴电镀液，坚固耐用。
Rio Premium 不锈钢烧瓶，直径 2 - 1/2"	Rio Grande	70201514	这款坚固的 #304 质量不锈钢烧瓶耐腐蚀，使用寿命长，在极端温度下工作不会变形。
CAST/T 陶瓷铸造坩埚， 450 g	Rio Grande	705047	该坩埚专为 CAST/T 离心铸造机制造，设计有倾斜的底座，可滑入铸造机顶部的铰链支架中。这使得坩埚与烧瓶环的中心完美对齐，以确保无差错的倾倒。
MyWeigh iBalance 300 数字秤	Rio Grande	116850	该秤用于测量将用于离心铸造的金属牺牲和浇口系统的重量。
橡胶底部 - CAST/T 烧瓶环底座	Rio Grande	705025	这款橡胶底座专为 CAST/T 离心铸造机而设计，可容纳所有 Table King 烧瓶戒指样式，在整个投资过程中形成安全、气密的密封。中心柱适合任何一种蜡盘样式，以实现完全的多功能性。
苏格兰威士忌>彩色胶带，1 7/8" x 20码，蓝色	OfficeMax	22353766	这种透明胶带用于确保石膏-水混合物完全覆盖烧瓶内组装的牺牲模型，允许在烧瓶高度以上使用额外的材料
真空铸造机 - V.I.C. 12 台式实心和穿孔烧瓶铸造机，带 Rio Assistant，110 伏	Rio Grande	70511814	V.I.C. 12 铸造机为高效、高产的真空熔埋和铸造提供了所有最新的技术创新。该机器专为满足中型铸造作的需求而设计，包括一个强大的 1/2 hp、5cfm 真空泵，可实现有效的真空和出色的铸造效果。V.I.C. 12 可铸造小型或大型培养瓶。包括一个适配器台，可容纳最大 5 英寸 x 7 英寸的标准实心培养瓶，并安装在橡胶支脚上以确保稳定性。
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分离筛斗	Rio Grande	201360	15英寸直径，11-1/2英寸深
喷砂机 - Econoline - 101701CB-A - 独立式橱柜 工作空间宽度（英寸）：60 工作空间深度（英寸）：48	MSC工业供应公司。	223818	个 Ree-Standing 橱柜;工作区宽度（英寸）：60;工作区深度（英寸）：48;工作空间高度（英寸）：40;空气要求：12 CFM @ 80 psi;箱体整体宽度（英寸）：65;最大机柜深度（英寸）：86
Johnson's Baby Oil Shea &可可脂	沃尔玛260074132		这种婴儿油用于使用数字超声波清洁器去除可铸造物牺牲模型的支撑材料的残留物。
德国4英寸锯架和锯片套件	Rio Grande	110112	质量，德国制造的框架是我们最受欢迎的锯架，这个框架包括一个Rio德国锯片的样品包！可调节的锯架可让您实现所需的刀片张力。喉深为 102 毫米（4 英寸）。锯片具有圆背，易于切割曲线和拐角，由硬化、回火钢制成。