CN106493293A - 一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，包括以下步骤：（1）获取多组工艺品三维模型数据；（2）通过3D打印设备打印工艺品三维模型，获得多个工艺品模样；（3）将工艺品模样置于砂箱中，在工艺品模样的顶端放置至少1支通气针，往砂箱内舂砂，型砂紧实度为70—80，通气针与工艺品模样接触部位形成与工艺品模样内部连通的孔状结构，拔除通气针，翻箱；（4）烧蚀模样：经（3）工艺品模样造型后砂箱翻转，将工艺品模样烧蚀掉；（5）熔炼浇注；（6）工艺品后处理。本发明采用开源软件绘制编辑三维图形，利用FDM技术打印3D模样，砂型铸造，不用铸造模具，可快速响应市场、生产出价格低廉的金属材质创意工艺品。

Description

一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法

技术领域

本发明涉及工艺品铸造领域，具体涉及一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法。

背景技术

工艺品是通过手工或机器通过原材料或半成品加工而成的产品，是对一组价值艺术品的总称。为了满足人们日益增长的个性化需求，创意工艺品应运而生越来越多的创意工艺品被人们选为摆件、挂件，或者作为表达感情的礼品。创意工艺品别出心裁、与众不同，其个人属性十分强烈。

目前，创意工艺品按价格和材质分为两大类，价格低廉的非金属材质、价格昂贵的金属材质，但很少见价格低廉的金属材质创意工艺品。

工艺品的制造工艺为客户提供模型参数后，设计人员综合考虑提供的模型尺寸、制模时金属液的收缩率等因素，重新调整原有提供的模型参数，并将调整后的模型参数提供给厂家，厂家依据此参数制作出模具。而厂家实际交付给设计人员的模具，其参数通常与客户提供的模型参数不一致，出现较大偏差。这种情况下，需要重新调整交付给厂家的模型参数，厂家重新制作模具，直至与客户提供的模型参数一致。

以上现有工艺，从接受客户订单、制作出模具、根据模具制作出成品的时间较长，至少需要7—10天，周期长、工作效率低，且模具制作成本高，一旦模具不合适，则浪费掉大量的金属能源，导致工艺品的制作成本增加。

基于此，研究并开发设计一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有单件工艺品生产制作出成品时间长、成本高，现提供一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，采用FDM技术打印3D模样，砂型铸造出工艺品模样，满足客户个性化需求的创意工艺品，解决了现有单件工艺品的生产操作方法周期长、成本高、成品率低等技术问题。

本发明的通过下述技术方案实现：

一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，包括以下操作步骤，

步骤（1）获取多组工艺品三维模型数据；

步骤（2）通过3D打印设备打印工艺品三维模型，获得多个工艺品模样；

步骤（3）将工艺品模样置于砂箱中，在工艺品模样的顶端放置至少1支通气针，往砂箱内舂砂，型砂紧实度为70—80，通气针与工艺品模样接触部位形成与工艺品模样内部连通的孔状结构，拔除通气针，翻箱；

步骤（4）烧蚀模样：

经步骤（3）工艺品模样造型后砂箱翻转，将工艺品模样烧蚀掉；

步骤（5）熔炼浇注；

步骤（6）工艺品后处理。

本发明技术方案中，发明人采用开源软件MeshMixer 编辑并调整工艺品三维模型数据，可编辑获得多组工艺品三维模型数据，将形成的多个三维模型通过3D打印设备打印，得到多个工艺品模样。可将多个工艺品模样同时送往工厂进行下一加工，依次进行造型、烧蚀模样、熔炼、浇注处理。

现有技术中，传统砂型铸造工艺品的工艺流程为：制图，取得工艺品的铸造图纸送往铸造厂；模具，铸造厂根据图纸选择砂型铸造中的模具，模具一般选择木头或金属材料制成。通常情况下，模具的尺寸略大于成品的尺寸，其中的差额称为收缩余量，收缩余量是为了确保熔化金属凝固和收缩，防止铸造过程中产生空洞；制芯，将树脂粒置于模具中，以形成内部表面的铸件，芯与模具之间的空隙形成铸造；成型，熔炼成型过程中需要准备一副模具。成型通常涉及模具的支承构架，拉出模具使其在浇注过程中分离，在先前放置的芯在模具中融化，然后关闭模具口。

从上述现有技术可以看出，制备模具过程中，选择的模具尺寸略大于成品尺寸，在后续熔炼成型工艺中较大概率出现：1）金属浇注因热胀冷缩造成工艺品破裂或出现收缩，2）表面不平整，3）修复难度大等缺陷，同时，当制作的成品不理想时，则需要重新修改图纸，制作模具，制作成品，导致成品的生产周期延长。

发明人针对上述缺陷利用开源软件绘制或编辑三维图形，设计出多组三维模型数据，生成3D打印代码，打印3D模样，将多个工艺品模样分别进行造型、烧蚀模样等工序处理，选择其中成品成型最佳、表面平整性佳的工艺品，将其三维模型数据作为批量生产工艺品的三维模型数据。

发明人研究的工艺方法，极大的缩短了从接受订单到交付工艺品成品的时间，一般仅需1—2天，改变了原有厂家依靠提供三维模型数据铸造模具，模具与要求尺寸不合适，重新制造模具，直至模具尺寸与要求尺寸合适，整个反复操作过程。 且本发明所述金属材质创意工艺品操作方法中不需制作模具，成本降低。采用本技术方案获得的工艺品成型性好，表面平整，能够更好的满足客户的个性化需求。

本技术方案中采用3D打印技术属于增材制造方法，是采用材料逐渐累加制造出实体零件的方法。其原材料利用率高、单件成本与生产批量无关。目前，主要的3D打印技术有熔融沉积FDM，选择性激光烧结SLS，立体印刷SLA，三维打印3DP等，其中FDM技术的设备与原材料价格便宜、成型时间短、成品的精度满足使用要求，成为人们的首选。且目前，未有将3D打印技术与砂型铸造技术结合起来生产金属材质创意工艺品的工艺，本技术方案创造性的两种技术结合在一起，相对于传统的砂型铸造工艺品的工艺，本发明所述操作，极大缩短了工艺品成品的生产时间，由原来的7—10天，缩短为1—2天、生产成本极大降低。

本技术方案中通气针的形状为长圆柱状，其主要作用是在3D模样顶端制作出与3D模样内部结构连通的孔状结构，利于后续烧蚀3D模样时产生的气体逸出、熔化的液体流出。

本技术方案中对砂箱内型砂紧实度进行优选，设置型砂紧实度为70—80。紧实度为型砂混合料造型时被紧实的程度，可用硬度间接表示，具体可通过B型硬度计测定，所测硬度值越高，说明紧实度越好。型砂紧实度为70—80，即砂箱中对模样进行造型处理时，型砂与工艺品模样接触紧实，如果型砂的紧实度较低，低于70，则砂箱翻箱过程中，型砂易于跨掉；如果型砂的进度较大，大于80，则透气性差，烧蚀3D模样时产生的气体不易逸出。

优选，所述步骤（2）中在3D打印设备中设置工艺品三维模型打印的填充密度为7—11%。

本技术方案中，采用熔融沉积FDM技术打印工艺品。熔融沉积的工作原理为：直径为1.75mm材料ABS/PLA经过喷头后发生2个变化：直径变细、固态变成了熔融态。工作时，喷头在XY平面内做水平运动，打印完一层后，向Z方向运行，逐层打印得到成型件。

打印过程中设置3D打印参数的填充密度为7—11%，该填充密度表示所打印的工艺品模样所用材料的量。工艺品模样为层层喷料堆叠而成的实物，如果填充密度设置较高，则浪费了较多原材料和时间，如果填充密度设置较低，则打印出的模样因支撑力不够无法成型。优选，填充密度为7—11%，打印机喷头不需花较多时间来打印模样的内部结构，打印速度得到提高，同时节省打印机所用材料，不影响3D打印机精度，利于工艺品模样成型。

优选，所述通气针设置在工艺品模样上的位置是按照工艺品模样表面积每50—80mm²设置一支通气针。通气针的设置，是根据工艺品模样的形状、表面积大小。为了满足后续烧蚀工艺品模样工序中树脂、气体的排出，工艺品模样的表面积较大时，则设置的通气针的支数较多，相反则较小。而根据通常所生产的工艺品大小，通气针的个数一般为1—5支，即可满足后续工艺的需要。

优选，所述步骤（4）烧蚀工艺品模样操作中，采用热风枪在400—550℃下烧蚀，形成工艺品模样的空腔。

根据工艺品模样的材质的熔点，热塑性材料ABS的熔点为217—237℃，可食用材料PLA的熔点为155—185℃，设置烧蚀工艺品模样烧蚀时温度为400—550℃，可将工艺品模样完全烧蚀掉。烧蚀后产生的气体、液体能迅速完全排出，在型砂内部形成工艺品模样的空腔，便于后续浇注金属液，最终得到金属材质的工艺品。

优选，所述热风枪烧蚀时，设置风量大小为250L/min—500L/min。设置热风枪排出的热风风量在合适范围，可快速将工艺品模样烧蚀彻底。

优选，所述步骤（5）熔炼浇注的具体操作方法为，将熔炼的金属液浇注到工艺品模样的空腔，去除向工艺品模样的空腔内浇注金属液的浇冒口，修补工艺品模样。

该步骤中熔炼的具体操作方法是现有技术，为了提高能源利用率，可将回炉料固态金属锭、中间合金、铝硅合金等加入熔炼炉内熔化成金属液。在往工艺品模样浇注金属液的进口端设置浇冒口，金属液通过浇冒口浇注到工艺品模样的空腔内，然后去除浇冒口，修补浇注后的工艺品模样。具体针对工艺品有缺陷的部位进行修补，修补的材料可为原子灰，使修补后的工艺品表面更加平整、有型。

优选，所述步骤（6）工艺品后处理为依次对工艺品上腻子、上色。在对工艺品模样经熔炼浇注处理后，开始对其上腻子、上色等后加工处理。

优选，所述步骤（1）中获取工艺品三维模型的方法为通过设计人员正向设计或对工艺品模样三维扫描获得。

优选，所述步骤（2）中3D打印工艺品模样操作中，利用Mesh Mixer编辑工艺品三维模型数据，并开源软件Cura打印。Mesh Mixer软件为所属领域的公知设备，为现有技术，其操作及其原理为所属领域的公知常识，不再详述。本技术方案中采用开源软件绘制或编辑三维图形，生成3D打印代码，该操作过程中，可调整工艺品模样的数据获得多组三维模型，打印得到多个模样。

优选，所述步骤（2）中3D打印工艺品模样操作中，采用熔融沉积FDM技术打印获得工艺品模样，工艺品模样采用的打印材料为热熔性塑料或可食用材料。

本技术方案中涉及到的通气针、热风枪其结构及其原理为所属领域的公知常识，不再详述。同时起模针、热风枪为现有结构。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

（1）本发明采用开源Cura软件绘制或编辑三维图形，生成3D打印代码，利用FDM技术打印3D模样，选择砂型铸造生产得工艺品铸件，通过打磨和上色等处理，制造出客户个性化需求的创意工艺品。

（2）本发明所述操作工艺，不用生产模具，减少模具生产时间和费用，可快速响应市场、生产出价格低廉的金属材质创意工艺品。

（3）本发明技术方案创造性将3D打印与砂型铸造技术相结合，在传统砂型铸造技术上作出极大的改进，尤其适用于单件金属材质艺术品的生产，节约生产时间、成本，最终可快速实现批量化生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其主要操作步骤和要点如下：

步骤（1）获取多组工艺品三维模型数据；

与常规砂型铸造的方式不同，本实施例所述金属材质的工艺品不需要铸造零件的蜡型，也不需要制作压蜡模具，只需要通过开源软件MeshMixer编辑或绘制多组三维模型，获取多组三维模型数据。

其中，获取三维模型数据的主要方式是通过设计人员正向设计或通过对现有工艺品结构进行逆向测量获得。

步骤（2）通过3D打印设备打印工艺品三维模型，获得多个工艺品模样；

在开源软件MeshMixer内绘制或编辑获得多个三维图形，生成3D打印代码，采用熔融沉积技术打印。

打印过程中，关键点是对3D打印参数设置，如打印圆角、不打印部分进行填补等，根据浇注的金属种类，确定金属液的收缩量，根据金属液的收缩量，确定三维数模结构需要整体放大的比例，实现精确控制3D打印的模样尺寸。

合理设置打印速度，打印速度较慢则增加打印时间，加大对打印材料的浪费，较快则打印出的模样表面容易出现凹陷，支撑力较差；

合理设置工艺品三维模型的填充密度，优选7—11%，确保喷头不花较多时间来打印模样的内部结构，且打印速度合适，节约打印工艺品所用树脂材料，不影响3D打印机的精度，最大限度利于工艺品模样成型，得多个工艺品模样。

本实施例中打印采用熔融沉积FDM技术，工艺品模样打印是采用的打印材料为热熔性塑料或可食用材料。

步骤（3）将工艺品模样置于砂箱中，工艺品模样的顶端放置至少1支通气针，往砂箱内舂砂，型砂紧实度为70—80，通气针与工艺品模样接触部位形成与工艺品模样内部连通的孔状结构，拔除通气针，翻箱；

通气针按工艺品模样的表面积进行放置，工艺品模样表面积每50—80mm²设置一支通气针，孔状结构与工艺品模样内部连通，便于将烧蚀时空气进入工艺品模样内部使燃烧充分，并可通过孔状结构迅速将气体、液体排出。

砂箱内的型砂通过紧密压实处理，达到紧实度为70—80，工艺品模样与周围的型砂紧密接触，此时，拔除通气针，翻箱，工艺品模样和砂箱呈倒立状态；

步骤（4）烧蚀模样：

采用热风枪在400—550℃下烧蚀，形成工艺品模样的空腔，设置热风枪风量大小为250L/min—500L/min。

步骤（5）熔炼浇注：

该工序与常规熔模铸造相同，浇注前用耐火泥堵上通气针在工艺品模样形成的空腔所在外表面的孔状结构，防止浇注的金属液泄露，用压缩空气取出铸造的工艺品型壳内部残留的灰分，加热到浇注金属要求的预热温度浇注；

将熔炼的金属液浇注到工艺品模样的空腔，去除向工艺品模样的空腔内浇注金属液的浇冒口，修补工艺品模样。

步骤（6）工艺品后处理：

将经过熔炼浇注处理后获得的工艺品模具依次进行上腻子、上色处理获得最终成品，满足客户个性化需求。

实施例2：

以生产兔子模型工艺品为例，其操作步骤与实施例1的区别点在于：步骤（2）中通过3D打印设备打印工艺品三维模型中，设置兔子三维模型的填充密度为10%；步骤（3）中，往砂箱内舂砂，设置型砂的紧实度为70；步骤（4）烧蚀模样操作步骤中，采用热风枪在550℃，以风量500L/min，烧蚀模样，形成兔子模样空腔。其余操作步骤与实施例1相同，最终获得兔子工艺品成品的时间为1.5天，采用传统操作方法生产周期为8天。

实施例3：

以生产机器人模型工艺品为例，其操作步骤与实施例1的区别点在于：步骤（2）中通过3D打印设备打印工艺品三维模型中，设置机器人三维模型的填充密度为7%；步骤（3）中，往砂箱内舂砂，设置型砂的紧实度为75；步骤（4）烧蚀模样操作步骤中，采用热风枪在500℃，以风量300L/min，烧蚀模样，形成兔子模样空腔。其余操作步骤与实施例1相同，最终获得机器人工艺品成品的时间为1天，采用传统操作方法生产周期为7天。

实施例4：

以大象笔筒模型工艺品为例，其操作步骤与实施例1的区别点在于：步骤（2）中通过3D打印设备打印工艺品三维模型中，设置大象笔筒三维模型的填充密度为9%；步骤（3）中，往砂箱内舂砂，设置型砂的紧实度为70；步骤（4）烧蚀模样操作步骤中，采用热风枪在550℃，以风量500L/min，烧蚀模样，形成兔子模样空腔。其余操作步骤与实施例1相同，最终获得大象笔筒工艺品成品的时间为2天，采用传统操作方法生产周期为10天。

实施例5：

以冰淇淋模型工艺品为例，其操作步骤与实施例1的区别点在于：步骤（2）中通过3D打印设备打印工艺品三维模型中，设置冰淇淋三维模型的填充密度为8%；步骤（3）中，往砂箱内舂砂，设置型砂的紧实度为75；步骤（4）烧蚀模样操作步骤中，采用热风枪在450℃，以风量250L/min，烧蚀模样，形成冰淇淋模样空腔。其余操作步骤与实施例1相同，最终获得冰淇淋工艺品成品的时间为1天，采用传统操作方法生产周期为7天。

实施例6：

以大眼公仔模型工艺品为例，其操作步骤与实施例1的区别点在于：步骤（2）中通过3D打印设备打印工艺品三维模型中，设置大眼公仔三维模型的填充密度为11%；步骤（3）中，往砂箱内舂砂，设置型砂的紧实度为80；步骤（4）烧蚀模样操作步骤中，采用热风枪在450℃，以风量300L/min，烧蚀模样，形成大眼公仔模样空腔。其余操作步骤与实施例1相同，最终获得大眼公仔工艺品成品的时间为1.5天，采用传统操作方法生产周期为8天。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：包括以下操作步骤，

步骤（1）获取多组工艺品三维模型数据；

步骤（2）通过3D打印设备打印工艺品三维模型，获得多个工艺品模样；

步骤（3）将工艺品模样置于砂箱中，在工艺品模样的顶端放置至少1支通气针，往砂箱内舂砂，型砂紧实度为70—80，通气针与工艺品模样接触部位形成与工艺品模样内部连通的孔状结构，拔除通气针，翻箱；

步骤（4）烧蚀模样：

经步骤（3）工艺品模样造型后砂箱翻转，将工艺品模样烧蚀掉；

步骤（5）熔炼浇注；

步骤（6）工艺品后处理。

2.根据权利要求1所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述步骤（2）中在3D打印设备中设置工艺品三维模型打印的填充密度为7—11%。

3.根据权利要求2所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述按工艺品模样表面积每50—80mm²设置一支通气针。

4.根据权利要求3所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述步骤（4）烧蚀工艺品模样操作中，采用热风枪在400—550℃下烧蚀，形成工艺品模样的空腔。

5.根据权利要求4所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述热风枪烧蚀时，设置风量大小为250L/min—500L/min。

6.根据权利要求5所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述步骤（5）熔炼浇注的具体操作方法为，将熔炼的金属液浇注到工艺品模样的空腔，去除向工艺品模样的空腔内浇注金属液的浇冒口，修补工艺品模样。

7.根据权利要求1至6任一一项所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述步骤（6）工艺品后处理方法为依次对工艺品上腻子、上色。

8.根据权利要求7所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述步骤（1）中获取工艺品三维模型的方法为通过设计人员正向设计或对工艺品模样三维扫描获得。

9.根据权利要求8所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述步骤（2）中3D打印工艺品模样操作中，利用Mesh Mixer编辑工艺品三维模型数据，并通过开源设备Cura打印。

10.根据权利要求9所述的一种快速低成本生产金属材质创意工艺品的方法，其特征在于：所述步骤（2）中3D打印工艺品模样操作中，采用熔融沉积FDM技术打印获得工艺品模样，打印材料为热熔性塑料或可食用材料。