CN104493094B - 一种基于光固化3d打印技术的快速精密铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，它属于熔模精密铸造技术领域。本发明首先基于三维建模软件对目标零件进行CAD优化设计，主要包括建立目标零件三维模型、设计浇注系统、预缩放处理及抽壳处理，其次将目标零件整体模型光固化3D打印成形，获得目标零件及其浇注系统的整体树脂原型，最后以目标零件整体树脂原型为熔模进行硅溶胶熔模精密铸造，依次包括制壳、焙烧、浇注、脱壳、后处理等工序，最终制得目标零件精密金属铸件。本发明节省了模具制造成本，缩短了零件制造周期，提高了产品开发效率，可实现复杂形状零件的快速精密铸造。
Description
技术领域
本发明涉及一种工艺，尤其是涉及一种基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，它属于熔模精密铸造技术领域。
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。
熔模精密铸造是铸造行业中一项优异的工艺技术，是一种近净成形先进工艺，它获得的产品精密、复杂，接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直接使用，其应用非常广泛。但是，传统熔模精密铸造方法需要通过模具或者机加工来制造熔模，生产工艺复杂、开发周期长、制造成本高、制造精度不易控制，尤其是对于一些形状复杂零件的熔模制作异常困难，有时甚至需要采用多模块组拼装成型的方式，耗费大量的人力、物力和财力，难以实现复杂精密铸件的快速制造，直接影响产品开发效率，无法适应快速多变的市场需求,因此，设计一种快速准确的制作熔模的方法，来替代目前传统的熔模制作方式，显得尤为必要。
公开日为2014年04月16日，公开号为103722127A的中国专利中，公开了一种名称为“一种基于光固化(SL)的快速熔模铸造方法”的发明专利。该专利运用 3D 打印技术制作的树脂原型代替熔模铸造中的蜡型，树脂原型为薄壁的蜂窝结构，内浇道设置在树脂原型上，浇注系统采用常规的蜡浇注系统，在蜡浇注系统上设置凹槽（4），组树时内浇道插入凹槽中粘接固定 ；在树脂原型上设置蜡棒，制壳后形成排气孔。该方法虽然降低了铸造成本，减小生产周期，避免了型壳在焙烧过程中的开裂现象，但是常规的蜡浇注系统，仅把内浇道设置在树脂原型上，还需在制作完成后的零件树脂原型上人工设置蜡棒，费时费力，且难以保证所制作浇注系统与最优化设计方案保持一致，从而对最终浇铸金属零件质量存在一定的影响，并且将降低批量铸件产品的质量稳定性，而且受到手工工艺的限制，增加了工艺复杂性，故其还是存在缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种工艺合理、生产周期短、生产成本低、制造精度高的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）三维模型CAD优化设计
通过三维建模软件对目标零件进行CAD铸造工艺的优化设计，建立目标零件的三维模型，并在该目标零件的三维模型上直接设计相应的浇注系统，使目标零件的三维模型及其浇注系统形成一个目标零件整体模型，对目标零件整体模型的各个部位按一定的尺寸比例进行预缩放处理，然后再对完成预缩放处理的目标零件整体模型进行抽壳处理；
（2）光固化3D打印成形
将目标零件整体模型转换成STL数据格式，并导入前处理软件进行前处理，该前处理依次包括零件造型方向定位、设计支撑以及分层处理，再将完成分层处理的模型数据导入激光快速成型机，设置工艺参数，进行光固化3D打印成形，制作完成后得到带支撑的目标零件整体树脂原型，再进行后处理；
（3）硅溶胶熔模精密铸造
对目标零件的整体树脂原型进行逐层硅溶胶挂浆撒砂制壳，完成制壳后将目标零件的整体树脂原型及其型壳整体放入高温焙烧炉里进行高温焙烧，将完成焙烧后的目标零件型壳从高温焙烧炉中取出并浇注熔融金属液，待其冷却后进行震动脱壳，去除包覆在铸件外表面的坚硬型壳，将浇注系统切除，再进行铸件后处理，最终制得目标零件精密金属铸件。
作为优选，本发明所述步骤（1）中，抽壳处理中的抽壳壁厚设置范围为0.8mm-2.0mm。
作为优选，本发明所述步骤（1）中，三维建模软件采用Pro/E、UG和SolidWorks中的一种；也可选用其他的三维建模软件。
作为优选，本发明所述步骤（2）中，前处理软件采用RPData和Imageware中的一种；并不局限于这两种软件。
作为优选，本发明所述步骤（2）中，设计支撑包括设计基础工艺支撑与设计零件内部支撑。
作为优选，本发明所述步骤（2）中，后处理包括依次进行清洗、去支撑、后固化和表面打磨。
作为优选，本发明所述步骤（3）中的硅溶胶挂浆撒砂制壳，每挂一次浆对应地撒一层砂，等前一层型壳干燥硬化后再次挂浆撒砂制下一层型壳，且除首次挂浆后撒锆英砂作为面层砂外后面每次撒砂都用莫来砂，如此反复进行4-6次硅溶胶挂浆并撒砂过程，然后再进行硅溶胶封浆处理，待其干燥硬化后型壳制作完成。
作为优选，本发明所述步骤（3）中，高温焙烧炉的温度设置为高于树脂材料熔点50℃-100℃，焙烧时间持续1-3小时，使型壳中树脂原型充分燃烧干净，型壳内部树脂原型完全消失，随后继续升温至型壳焙烧固化温度，将型壳完全烧结固化。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、省去了传统熔模精密铸造过程中压蜡模具的加工制造环节，精简了零件制造工序，节省了蜡模模具制造成本及工时；2、采用光固化3D打印技术直接快速制作出目标零件及其浇注系统整体树脂原型，省去了复杂铸件的蜡模拼装所需的人工费用及工时；3、在有效继承了硅溶胶熔模精密铸造所具备的尺寸精度高及表面质量好的基础上，缩短了零件制造周期，提高了产品开发效率，可实现复杂形状零件的快速精密铸造。
附图说明
图1是本发明实施例的工艺流程示意图。
图2为本发明实施例目标零件整体模型示意图。
图3为本发明实施例目标零件整体模型剖视图。
图4为本发明实施例目标零件整体模型完成抽壳处理后的剖视图。
图5为本发明实施例目标零件整体模型设计零件内部支撑后的剖视图。
图中：目标零件的三维模型1，浇注系统2，零件内部支撑3，抽壳壁厚H。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1，一种基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，包括以下步骤：
（1）三维模型CAD优化设计
基于三维建模软件如Pro/E、UG、SolidWorks等，对目标零件模型进行CAD铸造工艺的优化设计。
参见图2-图3，建立目标零件的三维模型1，并在零件模型上直接设计相应的浇注系统2，浇注系统2包括浇口杯、直浇口、横浇口和内浇口等结构，使得目标零件的三维模型1及其浇注系统2形成一个目标零件整体模型。
根据目标零件的结构特点，结合前期积累的实验数据分析和经验，确定零件在快速铸造过程中各个部位的线收缩率，据此对目标零件整体模型在各个部位按一定的尺寸比例进行预缩放处理。
为了防止树脂原型在高温焙烧过程中胀裂型壳，参见图4，对完成预缩放处理的目标零件整体模型进行抽壳处理，使得目标零件整体模型成为具有一定壁厚的中空结构，这样有利于在后续高温焙烧脱树脂过程中使树脂原型受热膨胀时向内部中空部位塌陷，有效减小对外部型壳的作用力，防止胀裂型壳，且抽壳壁厚设置范围为0.8mm-2.0mm，目标零件尺寸越大则相应地抽壳壁厚数值越大，具体需根据目标零件的三维模型1实际情况确定。
（2）光固化3D打印成形
目标零件整体模型光固化3D打印成形，获得目标零件及其浇注系统2的整体树脂原型。
将前述完成CAD优化设计的目标零件整体模型转换成STL数据格式，并导入前处理软件如RPData、Imageware等进行前处理，依次包括零件造型方向定位、设计支撑以及分层处理，其中设计支撑包括设计基础工艺支撑与设计零件内部支撑3。
参见图5，零件内部支撑3将极大地提高模型强度，减小模型变形，而且所设计的零件内部支撑3间需留有气体通道，以保证目标零件的三维模型1内部中空部位直接与零件外部相通，这样可以避免高温焙烧脱树脂过程中因树脂原型烧蚀气化产生的气体在零件内部形成高压而胀裂外部型壳。
将完成分层处理的模型数据导入激光快速成型机，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数后开始光固化3D打印成形，制作完成后得到带支撑的目标零件整体树脂原型，将制作完成得到的目标零件整体树脂原型依次进行清洗、去支撑、后固化、表面打磨等后处理工序，以提高目标零件树脂原型的尺寸精度、强度、表面质量等性能。
（3）硅溶胶熔模精密铸造
以目标零件整体树脂原型为熔模进行硅溶胶熔模精密铸造，最终制得目标零件精密金属铸件。
对目标零件整体树脂原型进行逐层硅溶胶挂浆撒砂制壳，其中每挂一次浆对应地撒一层砂，等前一层型壳干燥硬化后再次挂浆撒砂制下一层型壳，且除首次挂浆后撒锆英砂作为面层砂外后面每次撒砂都用莫来砂，如此反复进行4～6次硅溶胶挂浆并撒砂过程，然后再进行硅溶胶封浆处理，待其干燥硬化后型壳制作完成。
将目标零件树脂原型及其型壳整体放入高温焙烧炉里进行焙烧脱树脂，其中高温焙烧炉的温度设置成高于树脂材料熔点50℃-100℃，焙烧时间持续1-3小时，使型壳中树脂原型充分燃烧干净，型壳内部树脂原型完全消失；随后继续升温至型壳焙烧固化温度，将型壳完全烧结固化。
将完成焙烧后的目标零件型壳从高温焙烧炉中取出并直接往型壳内部浇注熔融金属液，待其冷却后进行震动脱壳，去除包覆在铸件外表面的坚硬型壳，将浇注系统2切除，最后进行打磨、喷砂、抛光等后处理工序，以提高铸件的表面质量，最终制得目标零件精密金属铸件。
本实施例中的目标零件的三维模型1及其浇注系统2设计成一个目标零件整体模型，并直接一次光固化3D打印成形，可快速制造目标零件及其浇注系统2整体树脂原型，整个制造过程中无需模具，也无需像普通蜡模那样组装拼接，既节约了模具制造成本及人工成本，又缩短了零件制造周期。
本实施例的工艺是将光固化3D打印技术与传统的硅溶胶熔模精密铸造工艺相结合，且硅溶胶对光固化树脂原型具有良好的涂挂性，使得该快速精密铸造工艺在有效继承了硅溶胶熔模精密铸造所具备的尺寸精度高及表面质量好的基础上，缩短了零件制造周期，提高了产品开发效率，可实现复杂形状零件的快速精密铸造。
本实施例附图中的目标零件的三维模型1仅仅是为了解释本发明而设定的一个虚拟的一个应用目标零件，并不影响本发明实际适用零件的广泛性。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）三维模型CAD优化设计
通过三维建模软件对目标零件进行CAD铸造工艺的优化设计，建立目标零件的三维模型，并在该目标零件的三维模型上直接设计相应的浇注系统，使目标零件的三维模型及其浇注系统形成一个目标零件整体模型，对目标零件整体模型的各个部位按一定的尺寸比例进行预缩放处理，然后再对完成预缩放处理的目标零件整体模型进行抽壳处理；
（2）光固化3D打印成形
将目标零件整体模型转换成STL数据格式，并导入前处理软件进行前处理，该前处理依次包括零件造型方向定位、设计支撑以及分层处理，再将完成分层处理的模型数据导入激光快速成型机，设置工艺参数，进行光固化3D打印成形，制作完成后得到带支撑的目标零件整体树脂原型，再进行后处理；
（3）硅溶胶熔模精密铸造
对目标零件的整体树脂原型进行逐层硅溶胶挂浆撒砂制壳，完成制壳后将目标零件的整体树脂原型及其型壳整体放入高温焙烧炉里进行高温焙烧，将完成焙烧后的目标零件型壳从高温焙烧炉中取出并浇注熔融金属液，待其冷却后进行震动脱壳，去除包覆在铸件外表面的坚硬型壳，将浇注系统切除，再进行铸件后处理，最终制得目标零件精密金属铸件。
2.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，抽壳处理中的抽壳壁厚设置范围为0.8mm-2.0mm。
3.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，三维建模软件采用Pro/E、UG和SolidWorks中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，前处理软件采用RPData和Imageware中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，设计支撑包括设计基础工艺支撑与设计零件内部支撑。
6.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，后处理包括依次进行清洗、去支撑、后固化和表面打磨。
7.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于：所述步骤（3）中的硅溶胶挂浆撒砂制壳，每挂一次浆对应地撒一层砂，等前一层型壳干燥硬化后再次挂浆撒砂制下一层型壳，且除首次挂浆后撒锆英砂作为面层砂外后面每次撒砂都用莫来砂，如此反复进行4-6次硅溶胶挂浆并撒砂过程，然后再进行硅溶胶封浆处理，待其干燥硬化后型壳制作完成。
8.根据权利要求1所述的基于光固化3D打印技术的快速精密铸造工艺，其特征在于：所述步骤（3）中，高温焙烧炉的温度设置为高于树脂材料熔点50℃-100℃，焙烧时间持续1-3小时，使型壳中树脂原型充分燃烧干净，型壳内部树脂原型完全消失，随后继续升温至型壳焙烧固化温度，将型壳完全烧结固化。
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