CN111112552A - 基于3d打印技术的精密铸造成型方法 - Google Patents

基于3d打印技术的精密铸造成型方法 Download PDF

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董志根
江剑
沈光
颜炎
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的精密铸造成型方法，采用三维造型软件进行铸件的数字模型以及浇铸***的绘制，再根据内腔进行型芯的设计，从而获得带有定位***的陶瓷芯的模型。根据陶瓷芯结构进行分型以便陶瓷芯能够进行装配放入，将工艺模型分为前后模型。利用SLA光固化工艺3D打印前后模型以及浇铸***，3DP喷墨工艺3D打印陶瓷芯。固定组合后获得含有陶瓷芯以及含有树脂浇铸***的零件原型。最后再通过传统精密铸造工艺进行制壳、焙烧、浇铸进而获得金属零部件。本发明完全不使用模具即可实现复杂内腔结构铸件的铸造，非常适合复杂内腔结构铸件的工艺验证以及小批量生产。

Description

基于3D打印技术的精密铸造成型方法
技术领域
本发明涉及精密铸件制造领域，具体涉及一种基于3D打印技术的精密铸造成型方法。
背景技术
3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。3D打印技术的制造原理是基于“增材制造”的思想，它与传统的加工工艺通过切削、打磨、冲压等来实现产品成型的过程具有本质区别，仅利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，且无需模具，有效缩短了加工周期，易于实现单件小批量复杂形状产品的快速制造，在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势，目前较为主流的3D打印技术有光固化、选择性激光烧结、熔融沉积以及切纸层叠等几种，其中光固化3D打印技术发展最成熟、打印精度最高。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。
对于含有复杂内腔的精密铸件，内腔中不易进行粘浆和淋浮砂，因此内腔中不利用型壳的形成，上述工艺无法实现含有复杂内腔的铸件制造。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决上述现有技术的不足，提供一种便于形成复杂内腔的铸件快速成型方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于3D打印技术的精密铸造成型方法，包括如下工艺：
(1)采用三维造型软件进行铸件以及铸件浇铸***的数字模型绘制，根据铸件内腔进行型芯的数字模型绘制；其中型芯包含定位结构；
(2)根据型芯结构对铸件模型进行分型，将其分成至少两半以上，使型芯可以放入分型后的铸件模型中；
(3)利用SLA光固化工艺3D打印已分型的铸件模型以及浇铸***，3DP喷墨工艺3D打印型芯形成陶瓷芯；
(4)将打印好的陶瓷芯、铸件的分型模型以及浇铸***进行组合形成零件原型
(5)对零件进行多次粘浆、淋浮砂以及干燥获得多层型壳；
(6)对型壳进行焙烧，去除其中铸件模型已经浇铸***模型；
(7)向型壳的浇铸***中注入金属液体，随后进行冷却；
(8)去除型壳、并且切割掉浇铸***、利用机械振壳以及碱爆的方式去除陶瓷芯，最后得到铸件；
其中定位结构用于焙烧后，将陶瓷芯固定在型壳上。
进一步的，分型的铸件模型以及浇铸***与陶瓷芯之间采用温蜡进行融化粘结固定。
进一步的，焙烧分为初次焙烧和二次焙烧，初次焙烧需要焙烧炉升温至500℃后再放入型壳，放入后焙烧炉升温至800℃后，需要保温2小时；二次焙烧前需要进行水洗去除灰分。二次焙烧升温至金属所需型壳温度并保持15分钟即可进行浇铸。
进一步的，铸件以及浇铸***模型为中空结构，内部填充为蜂窝结构或者十字网状结构或者其他能够使得内部整体联通的空隙结构，内部填充率控制在8％以下。
进一步的，在淋浮砂过程中，后1-3次所淋的砂为100～200目的粗砂，之前所淋的砂为6～90目的细砂。
本发明的优点是：利用陶瓷芯可以形成复杂的内腔结构，不需要开模，便可以小批量快速的铸造出具有复杂内腔的铸件，节约了开模成本以及制作周期；中空的模型结构，不仅节省材料还有便于焙烧，积灰少。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做具体说明。
如图1所示，本发明的基于3D打印技术的精密铸造成型方法，包括如下工艺：
(1)采用三维造型软件进行铸件以及铸件浇铸***的数字模型绘制，浇铸***先进行初步设计，然后利用procast软件进行模流分析后改进浇铸***获得铸造工艺模型；同时以根据铸件内腔进行型芯的数字模型绘制，其中型芯包含定位结构；定位结构用于焙烧后将陶瓷芯固定在型壳上。
(2)根据型芯结构对铸件模型进行分型，将其分成至少两半以上，使型芯可以放入分型后的铸件模型中；分型数量取决于复杂内腔的数量以及位置，一般分成两个模型，即前模和后模；
(3)利用SLA光固化工艺3D打印已分型的铸件模型以及浇铸***，3DP喷墨工艺3D打印型芯形成陶瓷芯；SLA光固化3D打印模型的构成材料为不含有锑金属元素的冠光敏树脂，3DP喷墨打印模型的构成材料为一种含有添加剂的氧化锆陶瓷粉末。
铸件以及浇铸***模型为中空结构，内部填充为蜂窝结构或者十字网状结构或者其他能够使得内部整体联通的空隙结构，内部填充率控制在8％以下。空心结构可以减少树脂原料的消耗，节省大量成本；基本消除了树脂在后期处理过程中的膨胀问题；大大减少了除去型模步骤残留的灰烬量。Materialize公司的Magics软件(含TetraShellTM软件模块。数据处理时可自定义抽壳壁厚、内部支撑臂的长度和宽度、可自由选择位置来放置排料孔。选择合适的参数来进行轻量化处理能避免在脱蜡时出现胀壳。
当零件的实心壁厚大于1.5mm，热膨胀就会胀坏型壳。所以必须把零件空心结构内部的树脂流干净。可以购买用来甩蜂蜜的设备并加以改造成离心甩干机。
把零件置入紫外灯箱中30分钟左右，不仅可以把零件表面未固化的树脂固化，让零件不再粘手，而且可以使零件更结实，尺寸更稳定。
成型方式导致倾斜的面会有细小的台阶痕，一般需要打磨。由于用于铸造的型模是空心结构，壁很薄，打磨时要小心。精细打磨并喷涂层后可以得到非常高的表面光洁度。
(4)将打印好的陶瓷芯、铸件的分型模型以及浇铸***进行组合形成零件原型，组合时，采用温蜡进行融化粘结固定。SL型模可以直接用蜡“焊接”在浇道上面，和正常的蜡型一样装配考虑到去除SL型模的方式。浇口的设计可以比蜡型的大些，这样有助于空气进入帮助燃烧型模。
(5)对固定后的零件原型进行多次粘浆、淋浮砂以及干燥获得多层型壳，制得的型壳为七层，即进行七次淋砂，前四次所淋的砂为细砂，目数为140；后三次所淋的砂为粗砂，目数为50；内层采用细砂可以保证金属模具的精准度，而外层采用粗砂则可以提高型壳的透气性，还可以降低材料成本。
挂第一层浆料前，清洗蜡树的时注意观察是否有气泡出现。如果有，说明型模密封性不好。蜡树浸入浆液时避免浮力对蜡树造成破坏。为了增强型壳的强度，可考虑多制一层壳或采用加强。
(6)对型壳进行焙烧，去除其中铸件模型已经浇铸***模型；焙烧分为初次焙烧和二次焙烧，初次焙烧需要焙烧炉升温至500℃后再放入型壳，放入后焙烧炉升温至800-1100℃后，需要保温2小时；二次焙烧前需要进行水洗去除灰分。二次焙烧升温至金属所需型壳温度并保持15分钟即可进行浇铸。
型模不能像蜡一样熔化！必须通入充足的空气在高温下烧干净！确保炉子里有足够的氧含量，浇口杯需要架空起来，便于空气进入。
(7)随后向型壳的浇铸***中注入金属液体，进行冷却；
(8)去除型壳、并且切割掉浇铸***、利用机械振壳以及碱爆的方式去除陶瓷芯、打磨抛光后得到含有复杂内腔的铸件。
本发明的成型方法不使用模具即可实现复杂内腔结构铸件的铸造，得到的铸件具有较高的尺寸精度、表面光洁度和铸件一致性，非常适合复杂内腔结构铸件的工艺验证以及小批量生产。

Claims (5)

1.一种基于3D打印技术的精密铸造成型方法，包括如下工艺：
(1)采用三维造型软件进行铸件以及铸件浇铸***的数字模型绘制，根据铸件内腔进行型芯的数字模型绘制；其中型芯包含定位结构；
(2)根据型芯结构对铸件模型进行分型，将其分成至少两半以上，使型芯可以放入分型后的铸件模型中；
(3)利用SLA光固化工艺3D打印已分型的铸件模型以及浇铸***，3DP喷墨工艺3D打印型芯形成陶瓷芯；
(4)将打印好的陶瓷芯、铸件的分型模型以及浇铸***进行组合形成零件原型
(5)对零件进行多次粘浆、淋浮砂以及干燥获得多层型壳；
(6)对型壳进行焙烧，去除其中铸件模型已经浇铸***模型；
(7)向型壳的浇铸***中注入金属液体，随后进行冷却；
(8)去除型壳、并且切割掉浇铸***、利用机械振壳以及碱爆的方式去除陶瓷芯，最后得到铸件；
其中定位结构用于焙烧后，将陶瓷芯固定在型壳上。
2.根据权利要求1所述的3D打印技术的精密铸造成型方法，其特征在于：分型的铸件模型以及浇铸***与陶瓷芯之间采用温蜡进行融化粘结固定。
3.根据权利要求1所述的3D打印技术的精密铸造成型方法，其特征在于：焙烧分为初次焙烧和二次焙烧，初次焙烧需要焙烧炉升温至500℃后再放入型壳，放入后焙烧炉升温至800℃后，需要保温2小时；二次焙烧前需要进行水洗去除灰分。二次焙烧升温至金属所需型壳温度并保持15分钟即可进行浇铸。
4.根据权利要求1所述的3D打印技术的精密铸造成型方法，其特征在于：铸件以及浇铸***模型为中空结构，内部填充为蜂窝结构或者十字网状结构或者其他能够使得内部整体联通的空隙结构，内部填充率控制在8％以下。
5.根据权利要求1所述的3D打印技术的精密铸造成型方法，其特征在于：在淋浮砂过程中，型壳的面层为70-140目的细砂，背层为30-60目粗砂。
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