一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒及其制备方法与流程

本发明属于挤压设备技术领域，具体涉及一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒，本发明还涉及一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒的制备方法。

背景技术：

扁挤压筒是挤压大型扁宽薄壁型材的一种非常有效的工具。由于扁挤压筒内孔和壁板型材具有较大的几何相似性使得金属流动性更均匀、所用挤压力更低，而产品组织性能均匀、成品率更高，因而扁挤压筒在挤压薄壁板材上有着圆筒不可替代的优势。但由于扁挤压筒的挤压环境恶劣，因形状不对称会产生应力分布集中，通过有限元分析得出最大应力往往高达1100MPa左右，接近扁挤压筒材料H13钢的屈服强度1300MPa，容易造成开裂失效。

纤维增强金属基复合材料具有轻质、比强度、比模量高、耐磨性强、耐高温性能好、抗疲劳和抗老化等优良的综合性能，中科院金属所开发了用作增强体的SiC纤维，最高强度达到3400MPa。国内有人使用SiC纤维增强的6061铝合金基复合材料，在SiC体积分数为34％时，室温抗拉强度由原来的205MPa提高到1034MPa，由于纤维具有取向性，在利用3D打印技术制备局部纤维增强扁挤压筒时必须考虑纤维的方向，以保证扁筒内衬沿纤维方向受到的拉力为最大拉力方向。

目前研究的扁挤压筒内套内腔结构多由直线和过渡圆弧曲线连接而成，因此在使用过程中由于几何不对称性造成内套内孔圆弧处成为扁挤压筒使用过程中最容易开裂处，实际生产中大型扁挤压筒的内套失效基本都发生在这个位置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒，解决了现有扁挤压筒在使用过程中应力分布集中、容易造成开裂失效的问题。

本发明一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒所采用的技术方案是，包括相互套接的外筒和内套，内套上设置有呈扁椭圆形的挤压扁孔，沿挤压扁孔的周向设置有去材槽，去材槽内填充有内衬物。

本发明的特征在于，

去材槽为呈马蹄状的去材槽a，且其分布在挤压扁孔的长轴方向两端。

去材槽为呈扁椭圆形的去材槽b，且其沿挤压扁孔的周向分布。

去材槽的去材厚度为5mm-100mm。

本发明的另一个目的是提供一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒的制备方法。

本发明一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒的制备方法的技术方案是，具体包括以下步骤：

步骤1，选取原材料纤维和H13钢粉，根据扁挤压筒待增强部位去材槽a或去材槽b的实际尺寸，完成其三维CAD模型，利用3D打印前处理软件将待打印模型分层处理；

步骤2，将步骤1得到的分层处理信息输入到SLM快速成型机中，得到激光烧结及纤维导头路径；

步骤3，预热步骤2的SLM快速成型机，将SLM快速成型机工作区域抽真空后通入氩气密封，然后在SLM快速成型机工作区域内铺设一层H13钢粉，随后快速放入扁挤压筒，激光烧结该处H13钢粉，完成该层的成型；

步骤4，纤维导头在步骤3成型区域上层均匀、方向性的摆放纤维，之后SLM快速成型机工作台下降，铺设一层H13钢粉，激光烧结；

步骤5，重复步骤4直至扁挤压筒整个待增强部位材槽a或去材槽b打印完成，取出扁挤压筒，进行热处理去应力退火后，得到局部增强的扁挤压筒。

本发明的特征还在于，

步骤1中的原材料纤维为长纤维或短纤维，具体是碳化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、碳化硼纤维、尼龙中的一种或几种；原材料H13钢粉的粒度为0.015-0.1mm；纤维表面有涂层处理，具体为：在其表面涂覆SiO₂、或化学镀Ni和Cu金属、或者镀非金属涂层，然后再加入浓度为5％-15％的粘合剂。

步骤3中的预热温度不小于300℃。

步骤3和步骤4中的激光烧结温度均为1350-1500℃，激光光斑直径50-70μm，激光扫描速度为3-5m/s。

步骤4中工作台下降的范围为(层厚+纤维直径)±0.1mm。

步骤5中的去应力退火具体为：将扁挤压筒放置在马弗炉内缓慢升温至700±10℃后保持3-5h；然后以40-60℃/h的速率升温至900±10℃，取出后油冷至550℃；最后将扁挤压筒再次放置在马弗炉内以40-60℃/h速率继续升温至750±10℃，取出后油冷至120℃出炉，即得到局部增强的扁挤压筒。

本发明的有益效果是：本发明一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒的制备方法通过在挤压扁孔周边开有去材槽，通过3D打印技术，使用H13钢粉末和纤维作为原材料在去材槽位置进行打印，大大改善现有扁挤压筒的应力集中区域的力学性能，将危险部位的抗拉强度提高50％以上，使用寿命提高1000％以上，从而在恶劣条件下能够使扁挤压筒实现更多次数挤压，大大提高其使用寿命，降低使用成本。

附图说明

图1是本发明一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒的结构示意图；

图2是本发明一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒的另一种结构示意图；

图3是图1对应的去材槽a中的内衬物的排布结构示意图；

图4是图2对应的去材槽b中的内衬物的排布结构示意图；

图5是现有扁挤压筒的装配应力分布图；

图6是现有扁挤压筒的危险部位示意图。

图中，1.外筒，2.内套，3.挤压扁孔，4.去材槽a，5.去材槽b，6.内衬物。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒，如图1所示，包括相互套接的外筒1和内套2，内套2上设置有呈扁椭圆形的挤压扁孔3，沿挤压扁孔3的周向设置有去材槽，去材槽内填充有内衬物6。

去材槽为呈马蹄状的去材槽a4，且其分布在挤压扁孔3的长轴方向两端。

如图2所示，去材槽为呈扁椭圆形的去材槽b5，且其沿挤压扁孔3的周向分布。

去材槽的去材厚度为5mm-100mm，保证扁挤压筒的整体力学性能良好。

本发明一种3D打印纤维局部增强的扁挤压筒的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，选取原材料纤维和H13钢粉，根据扁挤压筒待增强部位去材槽a4或去材槽b5的实际尺寸，完成其三维CAD模型，利用3D打印前处理软件将待打印模型分层处理；

其中，扁挤压筒包括相互套接的外筒1和内套2，内套2上设置有呈扁椭圆形的挤压扁孔3；原材料纤维为长纤维或短纤维，具体是碳化硅纤维、碳纤维、玻璃纤维、碳化硼纤维、尼龙中的一种或几种；原材料H13钢粉的粒度为0.015-0.1mm；纤维表面有涂层处理，涂层的目的是为纤维与金属之间界面结合更紧密，充分发挥各项优势，具体为：在其表面涂覆SiO₂、或化学镀Ni和Cu金属、或者镀非金属涂层，然后再加入浓度为5％-15％的粘合剂。

步骤2，将步骤1得到的分层处理信息输入到SLM快速成型机中，得到激光烧结及纤维导头路径。

步骤3，预热步骤2的SLM快速成型机不小于300℃，将SLM快速成型机工作区域抽真空后通入氩气密封，防止成型过程中H13钢粉末的氧化，然后在SLM快速成型机工作区域内铺设一层H13钢粉，随后快速放入扁挤压筒，激光烧结该处H13钢粉，完成该层的成型；其中，激光烧结温度均为1350-1500℃，激光光斑直径50-70μm，激光扫描速度为3-5m/s。

步骤4，纤维导头在步骤3成型区域上层均匀、方向性的摆放纤维，之后SLM快速成型机工作台下降，铺设一层H13钢粉，激光烧结；其中工作台下降的范围为(层厚+纤维直径)±0.1mm。

步骤5，重复步骤4直至扁挤压筒整个待增强部位材槽a4或去材槽b5打印完成，取出扁挤压筒，进行热处理去应力退火后，得到局部增强的扁挤压筒；其中，由于激光点加热烧结H13钢粉，每个激光点创建了一个微型熔池，光斑的大小以及功率带来的热量的大小决定了这个微型熔池的大小，该熔池引起扁筒内部的相变及晶粒大小的改变，从而影响成型后扁筒整体的力学性能，所以在快速成型完成后需对扁筒进行热处理工艺，去应力退火具体为：将扁挤压筒放置在马弗炉内缓慢升温至700±10℃后保持3-5h；然后以40-60℃/h的速率升温至900±10℃，取出后油冷至550℃；最后将扁挤压筒再次放置在马弗炉内以40-60℃/h速率继续升温至750±10℃，取出后油冷至120℃出炉，即得到局部增强的扁挤压筒。

实施例1

(1)原材料的选取和打印预处理

原材料：选用粒度为0.015的H13钢粉，和涂覆有SiO₂的碳化硅纤维。

根据扁挤压筒待增强部位去材槽a4的实际尺寸，完成其三维CAD模型，利用3D打印前处理软件将待打印模型分层处理；将分层处理信息输入到SLM快速成型机中，得到激光烧结及纤维导头路径。

(2)使用SLM快速成型机打印

预热SLM快速成型机至300℃，将SLM快速成型机工作区域抽真空后通入氩气密封，然后在SLM快速成型机工作区域内铺设一层H13钢粉，随后快速放入扁挤压筒，激光烧结该处H13钢粉，完成该层的成型；纤维导头在成型区域上层均匀、方向性的摆放纤维，之后SLM快速成型机工作台下降，铺设一层H13钢粉，激光烧结；重复铺粉-摆放纤维直至扁挤压筒整个待增强部位材槽a4打印完成，取出扁挤压筒。在打印过程中，激光烧结温度均为1350℃，激光光斑直径50μm，激光扫描速度为3m/s，工作台下降的范围为(层厚+纤维直径)±0.1mm。

(3)热处理，得到如图3所示的局部增强的扁挤压筒。

热处理去应力退火具体为：将扁挤压筒放置在马弗炉内缓慢升温至700℃后保持3h；然后以40℃/h的速率升温至900℃，取出后油冷至550℃；最后将扁挤压筒再次放置在马弗炉内以40℃/h速率继续升温至750℃，取出后油冷至120℃出炉，即得到局部增强的扁挤压筒。

实施例2

(1)原材料的选取和打印预处理

原材料：选用粒度为0.05的H13钢粉，和涂覆有SiO₂的碳纤维和碳化硅纤维。

根据扁挤压筒待增强部位去材槽a4的实际尺寸，完成其三维CAD模型，利用3D打印前处理软件将待打印模型分层处理；将分层处理信息输入到SLM快速成型机中，得到激光烧结及纤维导头路径。

(2)使用SLM快速成型机打印

预热SLM快速成型机至350℃，将SLM快速成型机工作区域抽真空后通入氩气密封，然后在SLM快速成型机工作区域内铺设一层H13钢粉，随后快速放入扁挤压筒，激光烧结该处H13钢粉，完成该层的成型；纤维导头在成型区域上层均匀、方向性的摆放纤维，之后SLM快速成型机工作台下降，铺设一层H13钢粉，激光烧结；重复铺粉-摆放纤维直至扁挤压筒整个待增强部位材槽a4打印完成，取出扁挤压筒。在打印过程中，激光烧结温度均为1400℃，激光光斑直径60μm，激光扫描速度为4m/s，工作台下降的范围为(层厚+纤维直径)±0.1mm。

(3)热处理，得到局部增强的扁挤压筒。

热处理去应力退火具体为：将扁挤压筒放置在马弗炉内缓慢升温至705℃后保持4h；然后以50℃/h的速率升温至905℃，取出后油冷至550℃；最后将扁挤压筒再次放置在马弗炉内以50℃/h速率继续升温至755℃，取出后油冷至120℃出炉，即得到局部增强的扁挤压筒。

实施例3

(1)原材料的选取和打印预处理

原材料：选用粒度为0.1的H13钢粉，和涂覆有SiO₂的碳纤维。

根据扁挤压筒待增强部位去材槽b5的实际尺寸，完成其三维CAD模型，利用3D打印前处理软件将待打印模型分层处理；将分层处理信息输入到SLM快速成型机中，得到激光烧结及纤维导头路径。

(2)使用SLM快速成型机打印

预热SLM快速成型机至300℃，将SLM快速成型机工作区域抽真空后通入氩气密封，然后在SLM快速成型机工作区域内铺设一层H13钢粉，随后快速放入扁挤压筒，激光烧结该处H13钢粉，完成该层的成型；纤维导头在成型区域上层均匀、方向性的摆放纤维，之后SLM快速成型机工作台下降，铺设一层H13钢粉，激光烧结；重复铺粉-摆放纤维直至扁挤压筒整个待增强部位材槽b5打印完成，取出扁挤压筒。在打印过程中，激光烧结温度均为1500℃，激光光斑直径70μm，激光扫描速度为5m/s，工作台下降的范围为(层厚+纤维直径)±0.1mm。

(3)热处理，得到如图4所示的局部增强的扁挤压筒。

热处理去应力退火具体为：将扁挤压筒放置在马弗炉内缓慢升温至710℃后保持5h；然后以60℃/h的速率升温至910℃，取出后油冷至550℃；最后将扁挤压筒再次放置在马弗炉内以60℃/h速率继续升温至760℃，取出后油冷至120℃出炉，即得到局部增强的扁挤压筒。

现有的扁挤压筒的装配应力分布如图5所示，其主要的开裂失效危险部位如图6所示，根据实施例1-3可知，本发明在挤压扁孔3周边开有去材槽，通过3D打印技术，使用H13钢粉末和长纤维作为原材料在去材槽位置进行打印，大大改善现有扁挤压筒的应力集中区域的力学性能，将危险部位的抗拉强度提高50％以上，使用寿命提高1000％以上，从而在恶劣条件下能够使扁挤压筒实现更多次数挤压，大大提高其使用寿命，降低使用成本。