使用离心铸造间接制备薄壁晶格金属

本视频的总体目标是演示通过离心铸造将熔融金属填充至细胞微腔中，以制造晶格金属的过程。该方法有助于回答一些关键问题，例如：工艺参数、熔融金属的材料特性以及晶格模具型腔的几何形状如何与快速微铸造中的流动和凝固过程相关联。该技术补充了直接3D打印大量金属的方法，在晶格金属制造中拓展了材料选择范围，丰富了晶格金属设计空间中的材料可能性。

今天，我将与博士生 Jiwon Mun 一起演示该实验流程。准备阶段，使用计算机辅助设计软件绘制带有浇注系统的八面体桁架结构的牺牲图案。这种集成了浇注系统的八面体桁架结构在铸造过程中会被熔化。

使用 CAD 软件记录牺牲型模的体积，以计算所需的金属质量。打印出丙烯酸模型后，继续进行铸造过程，该过程在文本方案中有详细说明。下一步是熔出支撑材料。

随后，进一步去除支撑材料的残留物。然后进行模型组装。组装完成后，进行包埋混合处理。

务必去除灌注水混合物中的所有结块。接下来是焙烧过程。首先，根据加热和冷却程序设定炉子的时间。

对于这种尺寸的坩埚，烧失需要六个小时。现在打开炉子并开始执行烧失程序。在烧失过程中，牺牲模型会熔化并分解为气体。

现在，继续进行接下来两个部分所述的浇铸过程。开始之前，确保离心浇铸机的臂以 425 RPM 的角速度旋转。使用转速计确定达到该速度所需的设置。

选择一个陶瓷坩埚用于熔化每种合金。使用金属切割器将合金切成10毫米至20毫米的碎片。每种合金大约准备150克，本实验中使用的合金为铝和铜。

现在，称取晶格设计所需的每种合金的精确质量。必须将熔融合金精确地填满型腔至其容量。现在，准备一桶室温的水。

30 升已足够。接下来，穿上阻燃服，戴上手套和护目镜。现在，将石膏模具暂时从炉中取出。

将其放入离心铸造机的烧瓶托架中，并平衡离心机的臂。然后，将石膏铸模重新放回炉内，启动加热装置，将温度升至482摄氏度。与此同时，将坩埚放入坩埚架中，并将剪碎的合金材料装入坩埚内。

接下来，设置乙炔焊枪。打开连接的氧气瓶阀门，并将气体压力维持在约 96.5 千帕（kPa）或 14 PSI。然后，小心点燃焊枪，并通过调节气体压力来控制火焰强度。

务必小心。火焰温度可高达 1,200 摄氏度。现在，将坩埚中切碎的合金小心加热至完全熔化。

使用碳棒搅拌合金，并用焊枪火焰的中性焰加热熔化。金属的充分熔化至关重要，因为如果金属温度过低，将无法完全填充整个铸型；而如果温度过高，增大的孔隙率会导致结构缺陷。

现在，将预热好的石膏模具从炉中取出，放入坩埚旁的铸圈托架臂中，坩埚内含有熔融合金。关闭机器盖子，使托架臂旋转至少三分钟。当盖子关闭后，机器将自动开始旋转。

大约 420 转/分钟可产生 8.03 米/秒的模具型腔入口流速，该数值由宏观粒子动力学和角速度计算得出。三分钟后，切断离心铸造机的电源。然后打开盖子，用钳子将石膏模具从铸型托架中取出。

将模具在室温下冷却15至20分钟，直至合金的颜色恢复至其固相状态的颜色。然后，使用坩埚钳将石膏模具浸入水桶中淬火约五分钟。当模具温度接近室温时，即完成彻底淬火。

现在，为了获得模具内的晶格金属，只需将模具溶解在水中即可。Jibsen 模具将在两分钟内迅速溶解。后续处理现在可以进行，例如喷砂清洗，具体步骤在文本方案中有详细说明。

务必使用所述的喷砂压力，因为模具较为脆弱，尤其是壁厚较薄的铝制八面体桁架。根据方案部分所述的间接增材制造方法，采用铝和铜合金制造了八面体桁架金属结构。脱脂过程持续六小时，以熔除牺牲型模。

离心铸造完成后，最终产品为采用铝合金和铜合金制成的八面体桁架金属。熔融的铝合金完全填充了整个晶格模具型腔，未出现浇不足缺陷。而熔融的铜合金则在熔融金属注入入口的初期阶段即发生提前凝固，导致出现铸造缺陷。

观看本视频后，您应能充分理解工艺参数对熔融金属填充多孔微腔过程的影响，以及如何利用离心铸造间接制备点阵金属材料。该技术发展后，为点阵金属领域的研究人员开辟了新途径，使其能够结合聚合物3D打印与离心铸造，开展间接制造研究。