CN103752769A - 基于糖模的溶模铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于糖模的溶模铸造方法，包括：（1）根据不同的制造糖模方法，配制相应的糖料；（2）将配制好的糖料利用三维打印机，制造糖模；（3）将需要的糖模组合修整，形成整体的糖模组；（4）在糖模组的外表面涂上耐火材料和粘结剂，制造型壳；（5）向型壳内注入水，溶化糖模，回收融化的糖液重复利用至步骤（1）；（6）将型壳焙烧；（7）在型壳中浇入金属熔液；（8）待金属熔液冷却后，脱壳得到产品。本发明采用糖料代替现有技术的蜡料，对缓解石油危机，节约石油资源具有较大的作用，且糖具有易溶于水，原料来源广泛，资源充足，价格低廉，可方便的从植物中提取，对环境无污染等优点。

Description

基于糖模的溶模铸造方法

技术领域

本发明属于溶模铸造技术领域，尤其是涉及一种基于糖模的溶模铸造方法。

背景技术

熔模铸造又称“失蜡铸造”，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，再经过焙烧，然后进行浇注，获得铸件的一种方法。由于熔模铸造获得的铸件具有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，故又称“熔模精密铸造”。其工艺流程一般为：制造蜡模→制造型壳→熔化蜡模→型壳的焙烧→浇注→脱壳和清理→成品。熔模铸造工艺可以生产出精密复杂、接近于产品最后形状，可不加工或很少加工就可直接使用的金属零部件或精美工艺品，所以它是一种近净成形的金属液态成形工艺。近年来，随着三维打印技术的发展，熔模铸造又和快速成型技术结合起来，大大缩短了铸件生产周期，使熔模铸造应用面得以扩大，竞争力增强，从而在与其他工艺竞争中处于有利地位。熔模铸造应该是最具有发展前景的铸造工艺之一。之所以称为熔模，是因为后续工艺是通过熔化或焙烧等方法实现石蜡模的去除。

传统熔模铸造多采用蜡料作为制模材料。无论是天然蜡还是合成蜡，在脱蜡工艺中受热时蜡模的膨胀大于型壳的膨胀，往往导致型壳出现微裂纹甚至破裂，影响铸件的尺寸精度。蜡料是一种化工产品，是从石油中提炼的一种副产品。随着工业的飞速发展，石油的需求量越来越大，石油资源日趋枯竭。此外，蜡模中含有有毒物质，清洗模组的有机溶剂也会对人体有害，在焙烧工序时残留在型壳型腔内的蜡料燃烧时产生大量黑烟，对环境造成污染，燃烧后的残留灰分会影响铸件的表面质量。专利文献CN102641989A发明了一种冰火铸造技术，以冰模代替蜡模进行熔模铸造，对环境无污染，但是，铸型必须在低温下制取，限制了它的广泛应用。

开发新型的高效、环保、优质、经济的铸造工艺是未来的重要发展方向。

发明内容

为了克服现有技术所存在的缺陷，满足社会发展和人们生活的需要，本发明提供了一种新型、经济、环保的溶模铸造方法，将传统的熔蜡模铸造改为溶糖模铸造，提高了铸件的表面质量，避免了熔模铸造过程中对人体带来的伤害和对环境带来的污染。

本发明基于糖模的溶模铸造方法，采用糖作原料，利用三维打印技术，获取糖模来替代传统熔模铸造中的蜡模，然后用水溶解掉糖模的溶模铸造的工艺过程，具体过程包括：

（1）模料配制：根据不同的制造糖模方法，配制相应的糖料；

（2）制造糖模：将配制好的糖料利用三维打印机，制造糖模；

（3）组合糖模：将需要的糖模组合修整，形成整体的糖模组；

（4）制备型壳：在糖模组的外表面涂上耐火材料和粘结剂，制造型壳；

（5）脱模：向型壳内注入适量的水，溶化掉糖模，回收糖液重复利用至步骤（1）；

（6）焙烧：将型壳放在焙烧炉中，进行焙烧；

（7）浇注：在烧透的型壳中浇入金属熔液；

（8）脱壳：待金属熔液冷却后，脱壳，清理后得到产品。

采用糖模铸造代替传统的蜡模铸造，一方面在脱模过程中，避免了传统的加热熔蜡操作，直接采用水溶解其中的糖模即可，避免了传统加热对型壳的影响，且节省了能源，降低了成本投入；另一方面，利用糖料代替蜡料，避免了蜡料对环境的污染和对人体的危害，提高了溶模铸造工艺的安全性和环保性。

糖料的选择需要根据制造糖模方法的不同确定。作为优选，所述的制造糖模方法主要是两种：

第一种是熔融沉积法：具体过程为：根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出糖模的三维CAD模型，然后对三维CAD模型进行分层处理，得到水平分层的数据信息。同时利用加热装置对喷头加热，以实现喷头内糖料的融化，加热装置受计算机控制，喷头根据水平分层数据信息（每层的数据信息）作x-y方向的平面运动。三维打印机以气压作为熔融糖料挤压喷射的动力，在合适的条件下，糖料从喷嘴中挤压出来，粘结到工作台面上，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个糖模的造型。此外，在制作糖模时，根据结构需要同时制作支撑。此时三维打印机需要采用双喷头，一个喷头用于沉积糖模材料，一个喷头用于沉积支撑材料，两个喷头均受同一个加热装置加热，同时也可根据需要设置单独的加热装置，打印过程中糖料和支撑材料均处于熔融状态。糖模打印成型完成后，去除糖模的支撑部分，对糖模表面进行处理，使糖模精度、表面粗糙度等达到要求。

上述过程中的加热装置可采用电阻式加热器，加热装置的加热温度根据糖料或者支撑料的熔点确定。采用该方法时，作为进一步优选，所述的糖料可采用麦芽糖或者麦芽糖醇，因为麦芽糖或者麦芽糖醇熔点低，熔融状态下性质稳定，不会出现炭化现象，且极易溶于水，便于脱模。当需要增加支撑时，所述的支撑材料可采用剥离性支撑材料，可选用抗冲击聚苯乙烯（HIPS）和碳酸钙（CaCO₃）按一定比例混合作为支撑材料，作为优选，所述的聚苯乙烯（HIPS）和碳酸钙（CaCO₃）的质量比为5～8：1。

熔融沉积型糖模打印中材料的优选实验：

申请人通过深入研究各种糖粉材料的特性，并进行了一系列相关的实验，最终确定了麦芽糖及其氢化处理后的麦芽糖醇是优选的基于熔融沉积型糖模打印材料。

常见的糖类有蔗糖为主要成分的白砂糖及单晶冰糖、果糖、葡萄糖、使用白砂糖熔融后很快就分解产生大量气体，高温熔融性能不理想。蔗糖纯度较高的单晶冰糖做加热熔融实验，单晶冰糖由白砂糖提纯溶解后洁净而成，呈单晶状。加热时设定目标加热温度为160℃，单晶冰糖在160℃下完全熔融后颜色略微变黑，但是不产生气泡，熔融后的单晶冰糖加热保温＞10min，也会分解产生气泡。

单晶冰糖在完全熔融后，如果继续加热保温，经过一定时间会分解产生气泡，这对熔融沉积过程十分不利，所以确定加热过程中何时开始熔融沉积过程，何时停止熔融沉积过程显得尤为重要。为确定最佳时间，做了多组糖加热实验。

实验分三组，每组加热10g冰糖粉末，温度设定为158℃，在加热腔到达设定温度后，开始计时，观察腔内冰糖粉末随时间的变化规律，并做记录。

a.第一组实验：3分钟时，与壁接触的糖粉熔融，7分钟时糖基本熔融完，同时此时喷出的糖状态正常，15分钟时有少量气泡产生，17分钟时气泡开始大量产生。

b.第二组实验：9分钟后糖基本熔融完毕。12分钟，颜色正常，无气泡；15分钟，内壁微量气泡；17分钟，少量气泡；18分钟，较多气泡。

c.第三组实验：3分钟，内壁有熔融，熔融部分大概占五分之一；6分钟，80%熔融；10分钟，均匀熔融（内壁微量气泡）；14分钟，少量气泡；16分钟，较多气泡，停止加热。

当单晶冰糖完全熔融后，即使使用4.0bar的气压也无法将熔融糖喷出，若提高加热温度（理论上温度上升，流体的粘度会减小），熔融蔗糖糖加速分解，变黑产生气泡，可能引起安全事故。无法喷射的原因主要是熔融糖的粘度较大，喷射时需要较大气压。以蔗糖为例，蔗糖的熔点是186℃，但在120℃下长时间加热也会分解。加热工程中先发生脱水产生棕黄色的焦糖（C₁₂H₁₈O₉），然后继续脱水生成颜色更深的焦糖烯（C₃₆H₅₀O₂₅），最后脱水产生焦糖素（C₉₆H₁₀₂O₅₁）。

果糖、葡萄糖的加热熔融过程也伴随着熔融、分解和溶解。这些糖的熔融特性不仅跟加热温度有关，还与加热时间和加热速率有关。因而单晶冰糖（蔗糖）、果糖、葡萄糖不适合通过熔融沉积的方式进行糖模打印。

而麦芽糖及麦芽糖醇性质比较稳定、高温不易分解，实验中麦芽糖醇在150℃下很快熔化，当麦芽糖醇完全熔化后，加较小的气压就可使其喷出。实验发现，当温度>125℃时，熔融麦芽糖醇的粘度较小，喷出后不易固化成丝。温度<125℃时，喷出糖丝固化效果好，125℃下只要气压不低于2.0bar，熔融麦芽糖醇均能连续均匀喷出。另外，打印喷头的填充速度也是需要控制的因素之一，速度太低，加工效率降低，同时高温的喷头会加热其下已加工层，对于麦芽糖醇的喷出打印来说，可能使得已打印出的糖丝处于半熔融状态，影响后续的打印成型；速度太高时一方面会使喷头产生机械颤动，影响零件精度，而更重要的是当填充速度远远大于喷出速度时，丝被拉成很细的丝线甚至断开，因而不能正常加工。所述的打印糖料的喷头的填充速度一般为1000-3800mm/min。

由上述分析，得到本发明的一个技术方案：所述的打印糖料的喷头加热温度为115℃-125℃；所述的打印糖料的喷头内的驱动气压为2.0-5.0bar；。采用该条件下喷出的丝比较适合打印需要。作为进一步优选，所述的打印糖料的喷头加热温度为125℃；所述的打印糖料的喷头内的驱动气压为2.0bar；采用该条件时，所述的打印糖料的喷头的填充速度为1000-3800mm/min时，喷头喷射出的丝的直径在0.5mm到1.0mm之间，均适于打印要求。

第二种是喷水粘结法：该方法是利用糖受潮变粘的特性，将受潮的糖平铺叠加，层层细密地操作，可以制造出复杂的糖模结构。该方法的具体过程为：在工作台面上均匀铺上一层糖料，计算机控制下，三维打印机按照计算机设定的数据信息，对铺设好的糖料层进行喷水加湿，逐层铺设，逐层加湿，得到糖模。实施该方法的装置可以有多种，例如可采用如下结构的装置，整个工艺装置包括：用于提供糖料的糖粉缸和用于打印糖模的成型缸，糖粉缸内设有用于支撑所述糖料的送粉活塞，成型缸内设有支撑糖模的工作活塞。工作时，送粉活塞带着其上的糖料上升，由设置在工作台面上的铺粉辊将送粉活塞顶出的糖料在工作活塞上均匀铺上一层，此时工作活塞作为打印机的工作台面，计算机根据原型的切片模型（每层的数据信息）控制喷头的二维运动轨迹，有选择地喷水粘结糖粉材料以形成糖模的一个层面。糖料完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉，控制喷头再喷水粘结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维糖模成型。将未粘结的糖粉回收到粉末缸中，并取出糖模。最后对实体表面进行处理，使糖模精度、表面粗糙度等达到要求。

上述方法中的糖料可以采用晶粒较小的糖和水溶性胶粉组合物。为了实现高精度的糖模打印，作为优选，所述的糖选用颗粒直径非常小的砂糖粉，水溶性胶粉选用聚乙烯醇胶粉（PVA），二者的质量比为10～20：1。每层铺粉厚度为0.05～0.75mm。喷头可以采用热泡式或压电式打印喷头。

本发明所有的糖料原材料均可直接从市场上购买。

上述两种方法制备糖模完成后，为提高糖模表面的精度，可对糖模表面进行处理，作为优选，可以采用以下两种方法：

一是浸蜡法，将成型的糖模移放于60～70℃熔化的石蜡中，于60～70℃的电热恒温箱中浸渍，浸渍完成后将糖模取出即可；采用该方法处理后，糖模的表面贴覆一层石蜡层，表面光滑度达到了与蜡膜同样的精度，由于该层膜较薄，不会增加脱膜的难度。

二是蒸汽抛光法，该工艺将糖模置于采用可溶解糖的蒸汽中，糖模的外表面由于和蒸汽接触，局部溶解后在表面张力的作用下，其表面自动光顺流平。具体过程为：将成型的糖模用悬挂线吊起来放在玻璃容器内，容器底部装有可以溶解糖的液体，糖模位于液体的上方，保持糖模与液体分离，将玻璃容器放在加热台上，控制温度略高于液体的沸点，使液体变成蒸汽，让它慢慢溶解糖模的外表面，使糖模表面重新平整，保持5～10分钟。采用该方法处理后，糖模的表面在蒸汽的作用下逐渐进行优化，突出表面的糖模部分，优先与蒸汽进行反应，使得糖模表面变得更加光滑。该方法处理的时间较为关键，处理时间太长，蒸汽对糖模产生过度溶解，影响糖模的尺寸精度；时间太短则得不到光滑的糖模表面。拿出糖模后，烘干去除内部的水分即可。作为优选，该方法中的液体采用水。

步骤（4）～（10）均可采用现有的溶模铸造中使用的技术，例如在制备型壳过程，即可采用多层铸型法，也可采用石膏铸型法。当采用多层铸型时，一般是采用在模组的外表面涂上耐火材料和粘结剂，进行型壳的制造。当采用石膏铸型法时，一般步骤如下：按比例配制石膏铸型粉料，和适当水混合制备浆料，按照常规方法在糖模外制备石膏铸型。上述技术均可采用现有方法实施。

本发明的基于糖模的溶模铸造方法与传统的基于蜡模的溶模铸造方法相比较，具有以下优点：

（1）本发明采用糖料代替现有技术的蜡料，对缓解石油危机，节约石油资源具有较大的作用，且糖具有易溶于水，原料来源广泛，资源充足，价格低廉，可方便的从植物中提取，对环境无污染等优点。

（2）本发明在脱膜过程中，采用糖模溶解工艺，溶模材料和成形后处理过程对环境都没有污染；且处理工艺简单，不需要高温或低温操作，降低了能耗。

（3）本发明在脱模工序时，由于不需要高温加热，型壳不会变形和开裂，降低了对型壳材料及制作工艺的要求，同时提高了型壳的尺寸精度，进而保证了最终浇铸产品的外形精度和质量。

（4）糖模可以通过三维打印的方法获得，容易实现工业化生产，可以实现复杂铸件的制作。

附图说明

图1为本发明采用熔融沉积的方法制造糖模的示意图。

图2为本发明采用喷水粘结的方法制造糖模的示意图。

图3为本发明脱糖模前的铸型示意图。

图中：1、气压入口，2、喷头，3、电阻式加热器，4、糖料，5、糖模，6、支撑，7、工作台，8、支撑材料，9、运动平台，10、铺粉辊，11、送粉活塞，12、糖粉缸，13、糖粉，14、工作活塞，15、成型缸，16、喷头，17、内浇道，18、浇口杯、19型壳。

具体实施方式

结合附图1，图2详细说明本发明中利用三维打印技术制造糖模的过程。

首先，制作糖模，制作糖模时可采用如下两种方法：

（1）熔融沉积法：如图1所示，根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD模型，然后进行分层处理，得到水平分层的数据信息，这些均为现有技术，在此不再详述。根据结构需要同时设计支撑。设备采用了两个喷头2，一个喷头用于沉积糖模材料麦芽糖醇，另一个喷头用于沉积支撑材料抗冲击聚苯乙烯（HIPS）和碳酸钙（CaCO₃）的混合物，混合比例为5～8：1。通过电阻式加热器3分别加热两个喷头，实现糖粉4和支撑材料8的熔化，糖料喷头的加热温度为125℃，喷头的驱动压力为2.0bar，喷头的填充速度为0.8mm/min，喷头的喷嘴直径为0.3mm，支撑喷头的加热温度为180℃。对于无悬空结构的糖模，不需要支撑喷头打印支撑结构。喷头2受计算机控制，根据水平分层的数据信息作x-y平面运动。气压通过气压入口1给熔融后的材料提供挤压喷射的动力，糖料从喷嘴中挤压出来，粘结到工作台7上，然后快速冷却并凝固，同时在需要的结构处沉积支撑。每一层截面完成后，运动平台9和工作台7下降一层的高度（z方向），保证工作台台面与喷头2之间的垂直距离始终保持在打印最佳间距（该间距的确定为现有技术），再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个糖模的造型。成型完成后，去除糖模5的支撑6，对部分糖模表面进行处理，使糖模精度、表面粗糙度等达到要求。

（2）喷水粘结法：如图2所示，整个工艺装置由糖粉缸12和成型缸15组成。糖粉可以采用砂糖粉和水溶性胶粉PVA，质量比为10～20：1。工作时，送粉活塞11上升，由铺粉辊10将糖粉13在工作活塞14上均匀铺上一层，厚度为0.1mm。计算机根据原型的切片模型控制喷头16的二维运动轨迹（x，y方向的运动），有选择地喷水粘结糖粉材料以形成糖模的一层截面（通过计算机控制喷射频率和喷头移动速度，以保证糖粉充分粘结）。糖粉完成一层后，工作活塞14下降一个层厚（z轴方向的运动），铺粉系统（糖粉缸12、送粉活塞11和铺粉辊10）铺上新粉，控制喷头16再喷水粘结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维糖模5成型。将未粘结的糖粉回收到粉末缸中，并取出糖模，制作过程中，工作活塞14上为粘结的糖粉，未粘结的糖粉为糖模提供支撑作用，不需要另外设置支撑。最后对实体表面进行处理，使糖模精度、表面粗糙度等达到要求。

（1）和（2）两种方法制备得到的糖模均可进行表面处理，以进一步提高表面质量。对糖模进行表面处理时，可以采用以下两种方法：一是浸蜡法，将成型的糖模移放于65℃左右熔化的石蜡中，于65℃的电热恒温箱中浸渍，浸渍0.5小时，取出糖模冷却晾干即可；二是蒸汽抛光法，将成型的糖模用悬挂线吊起来放在玻璃容器内，容器底部装有液态水，保持糖模最底端与液态水顶面之间的距离为10cm，将玻璃容器放在加热台上，温度控制在110℃左右，使水变成蒸汽，让它慢慢溶解糖模外表面，保持5分钟即可。通过熔化的高浓度糖液体的自然流平，获得高光滑的糖模表面。

结合附图3通过具体实施例进一步描述本发明中基于糖模的溶模铸造方法，但发明不仅仅局限于以下实施例。本实例中采用喷水粘结的方法制造糖模，采用多层铸型法制造型壳。

（1）模料配制：基于喷水粘结制造糖模的方法，糖料可以采用细晶粒砂糖和水溶性胶粉PVA，质量比为10：1。如想获得更好的表面质量，可以将砂糖进行进一步研磨，获得更为细密的砂糖粉末；

（2）制糖模：利用上述喷水粘结三维打印技术，制造糖模，喷射过程中，控制喷射频率和喷头移动速度，以保证糖粉充分粘结；

（3）组合糖模：制作内浇道17及浇口杯18，将做好的糖模5粘结到内浇道17上，制成糖模组。

（4）浆料配制：在糖模组的外表面涂上耐火材料和粘结剂，制造型壳；

（5）脱模：型壳19充分胶凝后，多次注入温水，溶化掉糖模，回收糖液重复利用；

（6）焙烧：型壳的焙烧温度为1000℃，焙烧时间为30分钟；

（7）浇注：在烧透的型壳中浇入金属熔液；

（8）脱壳：待金属熔液冷去后，脱壳，清理后得到产品。

Claims (10)

1.一种基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，包括：

（1）根据不同的制造糖模方法，配制相应的糖料；

（2）将配制好的糖料利用三维打印机，制造糖模；

（3）将需要的糖模组合修整，形成整体的糖模组；

（4）在糖模组的外表面涂上耐火材料和粘结剂，制造型壳；

（5）向型壳内注入水，溶化糖模，回收溶化的糖液重复利用至步骤（1）；

（6）将型壳焙烧；

（7）在型壳中浇入金属熔液；

（8）待金属熔液冷却后，脱壳得到产品。

2.根据权利要求1所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的制造糖模方法为熔融沉积法，具体过程为：利用加热装置对三维打印机的喷头进行加热，将糖料融化，在计算机控制下，三维打印机将融化的糖料按照设定的数据信息，进行打印，逐层沉淀得到糖模。

3.根据权利要求2所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的糖料为麦芽糖或者麦芽糖醇。

4.根据权利要求3所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的喷头的加热温度为115℃-125℃；所述的喷头内的驱动气压为2.0-5.0bar。

5.根据权利要求4所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的喷头的加热温度为125℃；所述的喷头内的驱动气压为2.0bar。

6.根据权利要求4所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，还包括打印支撑材料的喷头，所述支撑材料在所述加热装置的加热下融化，在计算机控制下，三维打印机将融化的支撑材料按照设定的数据信息，进行打印，逐层沉淀得到用于支撑糖模的支撑；所述的支撑材料为抗冲击聚苯乙烯和碳酸钙的混合物，抗冲击聚苯乙烯和碳酸钙的质量比为5～8：1。

7.根据权利要求1所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的制造糖模方法为喷水粘结法，具体过程为：在工作台面上均匀铺上一层糖料，计算机控制下，三维打印机按照计算机设定的数据信息，对铺设好的糖料层进行喷水加湿，逐层铺设，逐层加湿，得到糖模。

8.根据权利要求7所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的糖料为砂糖粉和聚乙烯醇的组合物，砂糖粉和聚乙烯醇的质量比为10～20：1，每层糖料厚度为0.05～0.75mm。

9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的糖模制备完成后，对糖模进行表面处理，具体过程为：将成型的糖模移放于60～70℃熔化的石蜡中，于60～70℃的电热恒温箱中浸渍，浸渍完成后将糖模取出。

10.根据权利要求1～8任一权利要求所述的基于糖模的溶模铸造方法，其特征在于，所述的糖模制备完成后，对糖模进行表面处理，具体过程为：将成型的糖模悬挂在玻璃容器内，容器底部装有可以溶解糖的液体，糖模位于液体的上方，将玻璃容器放在加热台上，控制温度高于液体的沸点，使液体变成蒸汽，让它慢慢溶解糖模外表面，使糖模表面重新平整，保持5～10分钟，将糖模取出。

Images