CN103722127B - 一种基于光固化(sl)的快速熔模铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光固化（SL）的快速熔模铸造方法，运用3D打印技术制作的树脂原型（1）代替熔模铸造中的蜡型，树脂原型（1）为薄壁的蜂窝结构，内浇道（2）设置在树脂原型（1）上；浇注***采用常规的蜡浇注***（3），在蜡浇注***（3）上设置凹槽（4）；组树时内浇道（2）***凹槽（4）中粘接固定；在树脂原型（1）上设置蜡棒（5），制壳后形成排气孔；这种方法降低了铸造成本，减小生产周期，避免了型壳在焙烧过程中的开裂现象。

Description

一种基于光固化(SL)的快速熔模铸造方法

技术领域

本发明涉及一种熔模铸造方法，特别是一种基于光固化(即立体光固化成型法，英文：StereolithographyAppearance,英文简写SL)的快速熔模铸造方法。

背景技术

3D打印技术制造速度快、成本低，可制造复杂零件，并可预先消除缺陷；而铸造则几乎可以成形任何一种金属，且不受零件大小的限制，成本低廉，但从设计到模型、模型到铸件其铸造周期较长。3D打印技术与传统铸造技术相结合正可扬长避短，使冗长的设计、修改、再设计到制模这一过程大大简化和缩短。3D打印技术与传统铸造技术相结合形成快速铸造技术，其基本原理是利用3D打印技术直接或者间接地制造铸造用消失模、聚乙烯模、蜡样、模板、铸型、型芯或型壳，然后结合传统铸造工艺，快捷地铸造出金属零件。

基于光固化(SL)的3D打印技术与常规熔模铸造工艺相结合形成基于光固化（SL）的快速熔模铸造，其工艺过程是利用光固化（SL）树脂原型代替熔模铸造中的蜡模，在其上涂挂耐火材料形成铸造型壳，高温焙烧使树脂原型燃烧去除，最后熔炼浇注，从而实现缩短生产周期和降低成本的目的。

基于光固化（SL）的快速熔模铸造不需要压蜡模具，铸件获得的周期大大缩短，在新产品试制、单件小批量生产中具有广阔的应用前景，但是由于3D打印技术在铸造应用方面也才刚刚起步，具体应用也处于研发阶段，需要在实践中不断摸索，目前尚没有相对完备的规范或者工艺，特别是基于光固化（SL）的快速熔模铸造在焙烧中铸造型壳容易开裂、光固化原型使用成本较高、生产操作中操作麻烦等问题，严重的制约着基于光固化（SL）的快速熔模铸造的发展和应用。

发明内容

本发明目的就是设计一种基于光固化（SL）的快速熔模铸造方法，操作简单、组树牢靠、降低成本、焙烧过程中种铸造型壳不易开裂。

一种基于光固化（SL）的快速熔模铸造方法，包括以下操作步骤要点：

1）铸造零件的三维数模获取；

2）数据处理:

铸造工艺化处理并把内浇道设置在树脂原型上；再对三维数模进行抽壳处理形成带网状支撑的中空结构；最后在树脂原型打上留出树脂的孔和在内浇道的外端面上开通孔；

3）光固化（SL）树脂原型和蜡浇注***制作：

在3D打印设备中制作光固化（SL）树脂原型，用以代替熔模铸造用蜡型；在蜡浇注***上与树脂原型的内浇道连接处设置凹槽；

4）在光固化（SL）树脂原型上设置排气孔：在树脂原型的外表面上垂直粘接蜡棒；

5）组复合蜡树：把内浇道***凹槽中粘接固定；再把浇注***连接在挂具上；

6）沾浆制壳；

7）脱浇道蜡：

制壳后脱浇道蜡前打开蜡棒外端部的砂壳，用加热的工具烫化蜡棒，并烫穿与蜡棒连接处的树脂薄壁形成排气孔；再去除浇道蜡；

8）焙烧脱树脂：采用高温入炉，使树脂原型快速燃烧；

9）熔炼浇注：浇注前用耐火泥堵上排气孔；

10）铸件后处理。

本发明优点是：

1）由于蜡浇注***可以使用铸造车间现有的通用蜡浇道，不用专门制作，成本低，周期短，仅把铸造用复杂零件用蜡型采用成本较高的光固化（SL）方式的3D打印树脂制作，再通过蜡浇注***和光固化（SL）树脂原型形成复合模组，大大降低了基于光固化（SL）的快速熔模铸造的成本和生产周期；

2）在树脂原型上设置蜡棒形成排气孔，焙烧时中空树脂原型内部的空气与外界空气相同，不会产生膨胀，从而减少铸造型壳焙烧脱树脂时的开裂；

3）通过在蜡浇注***上设置连接内浇道的凹槽，增加蜡粘接面积和连接刚性，使组树连接更加牢靠，操作方面；在内浇道和浇注***连接处设置通孔，在脱蜡后形成主要排气孔，有利于焙烧时树脂燃烧进排气，增加燃烧效果和减少铸造型壳开裂；

4）树脂原型形成薄壁的中空蜂窝结构，焙烧时蜂窝内部的支撑率先断裂，对树脂原型的外壁失去支撑，树脂原型型壁在焙烧时向内塌陷，不会涨裂铸造型壳；焙烧时模组高温入炉，可以使树脂原型瞬间快速燃烧，减少对铸造型壳的压力作用时间。

附图说明

图1为本发明实施例工艺方法流程图；

图2为本发明实施例蜡浇注***结构示意图；

图3为本发明实施例3D打印的光固化（SL）树脂原型结构示意图；

图4为本发明实施例复合蜡树模组结构示意图。

图中:1-树脂原型;2-内浇道;3-蜡浇注***;4-凹槽;5-蜡棒;6-挂具

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示为本发明实施例工艺方法流程图，并结合图2、图3、图4所示，一种基于光固化（SL）的快速熔模铸造方法，其主要操作步骤和要点如下：

1）铸造零件的三维数模获取:

与常规溶模铸造方式不同，基于光固化（SL）的快速熔模铸造不需要制作铸造零件的蜡型，也就不需要制作压蜡模具，只需要铸造零件的三维数模，通过3D打印的方式制作出树脂原型1代替蜡型。获取铸造零件的三维数模可以通过对现有零件进行反求测量或者通过设计人员的正向设计；

2）数据处理:

对铸造零件的三维数模进行铸造工艺化处理，如铸造圆角、增加加工余量、不铸出的部分进行填补等，根据所需要浇注的金属种类，确定金属液的收缩量，假如所需铸造的零件材质是不锈钢，则三维数模结构需要整体放大约2%；

在铸造零件的三维数模上添加内浇道；内浇道的尺寸要大于常规熔模铸造的内浇道尺寸；便于焙烧时空气进入树脂原型使燃烧充分，并可排出烟气；

对三维数模进行抽壳处理，处理成内部中空的薄壁结构，内部增加支撑形成网状蜂窝结构；

在树脂原型1制作留出树脂的孔；孔的位置选择在方便3D打印后树脂原型内部未固化的树脂充分流出，可以是多个孔，3D打印完成后，在后处理时或者组树时要堵上，并且密封，防止沾浆制壳过程中浆料进入树脂原型1内部；封堵树脂孔的方式有多种，可以使用涂抹树脂后通过紫外光照射固化，也可以用热熔胶棒通过溶化的塑料棒填补，也可以用蜡填平封堵；

在内浇道2的外端面开通孔，通孔的截面尺寸尽可能大些，但是为了保证与蜡浇注***3的粘接强度，通孔的截面尺寸一般小于内浇道2的外端面面积的三分之一，如果通孔太大，与蜡浇注***3不容易粘接，粘接牢靠度降低；把内浇道2设置在树脂原型1上，有利于组树；增加内浇道2端面孔的作用是在脱浇道蜡后，焙烧铸造型壳时该孔可以成为树脂燃烧的有效空气及烟气进出通道，对树脂原型1的燃烧提供更多的氧气和有利于燃烧后产生的烟气排出铸造型壳，减小树脂原型1内部空气加热膨胀和树脂原型1燃烧产生的烟气压力造成铸造型壳开裂的可能；该通孔也可以作为一个流出树脂的孔，但该通孔在组树时不用特别封堵，直接***在蜡浇注***3的凹槽4上即可自行封堵；

对处理完成的数据采用STL格式输出；也可以是3D打印设备可以读取的其它格式。

3）光固化（SL）原型及蜡浇注***制作：

光固化（SL）原型在工业级3D打印设备上制作，采用光敏树脂原材料，精度可以达到0.1毫米或者0.1%，完全可以满足铸造要求；把已经处理好的数据导入3D打印计算机，制作前需要对导入的STL数据进行分层处理和加底部支撑，分层厚度0.1毫米，分层处理和加底部支撑也可以在前述数据处理时完成；制作完成后需要对树脂原型1进行清洗、打磨等后处理操作；制作出的树脂原型1如图3所示，实施例铸造零件为一导轮类零件，内浇道2设置在外圆周上，方便撒沙和沾浆制壳；

同时，铸造车间准备蜡浇注***3，如图2所示，在蜡浇注***3上与树脂原型1的内浇道2连接处设置凹槽4，凹槽4的截面大小与内浇道2的截面相适配，凹槽4的位置、结构与树脂原型1上的内浇道2位置和结构相匹配；相对于常规熔模铸造，基于光固化（SL）的快速熔模铸造的蜡浇铸***3的尺寸要略大一些，便于焙烧时烟气的排出和树脂原型1燃烧时进入所需的氧气；浇铸***在熔模铸造中所占的总份额较大，如果也采用3D打印的方式制作，势必会增加制作成本和加大了制作周期，蜡价廉易得，采用蜡浇铸***3可以大大降低生产成本，而且蜡浇铸***3在熔模铸造车间已经标准化，针对不同的铸件只需要选择即可；制作凹槽4可以用蜡刀等工具手工制作，制作很方便。

4）在光固化（SL）树脂原型上设置排气孔：

组树前,如图4所示,在中空的树脂原型1的厚大部分外表面上粘接蜡棒5，蜡棒5的直径5-8毫米，长度大于20毫米，垂直粘接在树脂原型1的表面上；可以用粘接蜡粘接,也可以在树脂原型1上打一个稍小于蜡棒5直径的孔,把蜡棒5***定位,基本固定,然后再用蜡密封固定;制壳后脱浇道蜡前用钢锯锯开或者砂轮磨开蜡棒5外端部的砂壳，用烧红的铁丝烫化蜡棒5，并烫穿与蜡棒5连接处的树脂原型1的型壁，在铸造型壳上形成排气孔；浇注前需要用耐火泥堵上排气孔，防止金属液泄漏；排气孔的数量根据零件不同可以设置多个；

5）组复合蜡树：

如图4所示，在光固化（SL）树脂原型1上的内浇道2与蜡浇注***3的凹槽4的接触面上涂抹溶化的粘接蜡，把内浇道2***凹槽4中牢靠固定；蜡浇注***3上有连接挂具6的预埋螺母，挂具6的下端有螺纹，可通过螺纹连接的方式把蜡浇注***3连接在挂具6上；因为蜡和树脂的粘接不如蜡与蜡之间的那样可靠，树脂原型1与蜡浇注***3组树后在沾浆挂砂过程中很容易脱落，在蜡浇注***3上设置凹槽4，有利于内浇道2与蜡浇注***3可靠连接，增加粘接蜡的接触面；同时，内浇道2***凹槽4中后叶增加了稳固性和刚度；组树后可以用洗洁精或者其他清洗剂对模组进行清洗；

6）沾浆制壳：

沾浆制壳与常规熔模铸造相同，可以是全硅溶胶铸造型壳，也可以硅溶胶与水玻璃的复合铸造型壳，也可以是硅酸乙酯铸造型壳；

7）脱浇道蜡：

脱浇道蜡前，首先要烫穿粘接在树脂原型1上的蜡棒5，形成的排气孔，在蒸气脱蜡釜或低温炉中去除浇道蜡；

8）焙烧脱树脂：

高温入炉，保证炉内有足够树脂原型1燃烧的氧气，树脂原型1在高温气化后排出铸造型壳外，同时铸造型壳强度提高达到浇注要求；焙烧采用燃气炉、电阻炉均可；入炉温度一般约550--750℃；焙烧温度800--1100℃，保温约2小时；

9）熔炼浇注：

该工序与常规熔模铸造形同；浇注前要用耐火泥堵上排气孔，防止金属液泄漏，用压缩空气吹去铸造型壳内部的残留灰分，也可以用水或者酒精清洗；最后加热到浇注金属要求的预热温度浇注；

10）铸件后处理：

通过清壳、切割浇冒口、打磨等常规后处理工序，检验后获得铸件产品。

Claims (1)

1.一种基于光固化的快速熔模铸造方法，包括以下操作步骤要点：

1)铸造零件的三维数模获取；

2)数据处理：

铸造工艺化处理并把内浇道(2)设置在光固化树脂原型(1)上；再对所述三维数模进行抽壳处理形成带网状支撑的中空结构；最后在光固化树脂原型(1)上制作流出树脂的孔，并在内浇道(2)的外端面上制作通孔；

3)蜡浇注***(3)和带内浇道(2)的光固化树脂原型(1)制作：

在3D打印设备中制作带内浇道(2)的光固化树脂原型(1)，用以代替熔模铸造用蜡型；在蜡浇注***(3)上设置凹槽(4)，所述凹槽(4)与所述内浇道(2)相连接，所述凹槽(4)的截面大小、位置、结构与所述内浇道(2)的截面大小、位置、结构相匹配；

4)在带内浇道(2)的光固化树脂原型(1)上设置排气孔：在带内浇道(2)的光固化树脂原型(1)的外表面上垂直粘接蜡棒(5)；

5)组复合蜡树：把内浇道(2)***凹槽(4)中粘接固定；再把蜡浇注***(3)连接在挂具(6)上；

6)沾浆制壳；

7)脱蜡浇注***(3)的蜡：

制壳后脱蜡浇注***(3)的蜡前，打开蜡棒(5)外端部的砂壳，用加热的工具烫化蜡棒(5)，并烫穿与蜡棒(5)连接处的树脂薄壁形成排气孔；再去除蜡浇注***(3)的蜡；

8)焙烧脱树脂；

9)熔炼浇注：浇注前用耐火泥堵上排气孔；

10)铸造零件后处理。