CN104985116B - 一种3d打印冰型铸造砂型的成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造技术领域，公开一种无模铸型快速制造方法。该方法是将型砂温度冷却到‑40℃至‑10℃，在低温环境下，计算机控制工作平台下移一段距离并铺设一层冷冻的底砂，然后工作平台下移一个层厚，铺一层低温型砂，计算机根据当前层铸型的截面形状，控制喷头喷射水或水溶液，将砂型凝固。层层打印，完成铸型。本发明还提出了一种3D打印冰型铸造砂型方法的装置，包括：一个低温成形室；可升降的工作平台；铺粉装置和一个二维运动系统；二维运动系统上安装有与供液系统连接的阵列喷头，喷射水或水溶液；上料系统用来提供低温型砂。采用本方法制造铸型具有绿色环保、制造速度快、成本低、发气量低、不变形等优点，具有推广使用的价值。

Description

一种3D打印冰型铸造砂型的成形方法及装置

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种无模铸型快速制成形方法，以及一种无模铸型成形装置。

背景技术

目前的快速原型技术（rapid prototype）大多都基于分层制造技术，分层制造技术是将被加工对象分解为多个平行的薄层，加工过程中，通过逐层成形这些薄层并叠加而完成制造。这一过程往往要借助于计算机技术来实现。

用分层制造技术快速制做铸造砂型（包括砂型和砂芯，以下统称铸型）的常用方法主要有以下两种：

一种是用激光对覆膜砂进行选择性烧结。其基本方法是：先在工作台上铺一层覆膜砂，并加热至略低于覆膜砂融点温度，然后用激光束按照截面形状进行扫描，被扫描的部分融化、粘接成形，该层成形后，工作台下降一个层高，再进行下一层的铺料和烧结，直至最终逐层堆叠固化成铸型。这种方法的主要缺点是制成的铸型变形量大，影响砂型和砂芯的装配，铸件尺寸精度受影响。

另一种是对覆有固化剂的型砂进行选择性喷覆树脂，先在工作台上铺一层覆有固化剂的型砂，然后由计算机控制喷头按照切面形状精确地喷射树脂，树脂和砂粒表面的固化剂发生固化反应，一层层固化的型砂堆叠成铸型。这种方法的主要缺点是砂型树脂含量高，加工完铸型后去砂困难，随后的铸造过程中铸造缺陷发生率高，并且容易污染环境。

发明内容

针对喷射树脂粘接砂型所存在的问题，本发明目的在于提出了一种3D打印冰型铸造砂型的方法，以及提出采用3D打印冰型铸造砂型方法的装置。

3D打印冰型铸造砂型的方法是采用水或水溶液作为粘接剂，在低温环境下结冰凝固砂型，减少制成的铸型变形量，提高铸型和型芯的装配质量，提高铸件尺寸精度；该方法不使用树脂，粘结剂主要成分是水，既起到环保的作用，复合现代绿色制造的理念，又可避免铸型发气量大，去除余砂困难等问题。

为了实现上述目的，本发明的3D打印冰型铸造砂型方法按以下步骤进行：

步骤1：将被打印的砂型材料冷却成-40℃至-10℃；

步骤2：在低温成形环境中，将工作台下移一段距离并铺设一层冷冻的底砂；

步骤3：工作台下移一个层厚 ，用铺粉辊均匀的铺一层低温型砂；

步骤4：按照当前层铸型的截面形状，在指定区域采用喷头喷射水或水溶液，水或水溶液遇到低温型砂结冰将砂型凝固；

步骤5：重复步骤3、步骤4，层层打印，直至最终逐层堆叠凝固成完整铸型；

步骤6：清理掉未喷射水或水溶液而凝固的剩余型砂。

3D打印制造冰冻铸型的方法，铸型所用砂粉为石英砂或陶粒砂、铬铁矿砂和橄榄石砂等铸造用耐火型砂，常用粒度为70/140目。

3D打印制造冰冻铸型的方法，所述喷射系统喷射所用的液体为水或以水为主的溶液。

采用以上所述的技术方案，有以下优点：

1、用水或水溶液作为粘结剂，绿色环保；

2、制成的铸型，在液态金属充型后，铸型中的水分在高温作用下迅速汽化，可在金属凝固之前逸出，与树脂粘结剂铸型相比，铸件发生气孔缺陷的比率小；

3、所用粘结剂材料为水或水溶液，耐火材料为各种原砂（石英砂、陶粒砂、铬铁矿砂、锆英砂和橄榄石砂等），材料来源广泛，成本低廉。

附图说明

图1 工作台沿g方向，向下移5mm后的示意图；

图2 铺底砂的示意图；

图3 工作台沿g方向，向下移2mm后的示意图；

图4 铺第1层砂的示意图；

图5 喷水或水溶液的示意图；

图6图5的 A向视图；

图7工作台沿g方向，向下移2mm后的示意图；

图8铺第2层砂的示意图；

图9逐层堆叠完成后的示意图；

图10去除余砂后的示意图；

图11制成的铸型示意图；

图12 3D打印冰型铸造砂型的成形装置示意图。

图中：1、铺粉装置；2、固定工作台边框；3、可移动工作台板；4、可移动工作台板与可移动工作台5的连接板； 5、可移动工作台；6、砂粉；7、阵列喷头；8、8字形铸型第1层砂；9、8字形铸型两层砂； 10、8字形完整铸型； 11、去除余砂后的8字形铸型，12、低温成形室；13、Y轴导轨；14、X轴导轨；15、供液系统；16、冷却装置；17、真空上料系统；18、螺旋搅拌系统；19、铺粉机构；20、储砂罐。 另图中： f、铺粉辊向右行走方向； g、工作台向下移动方向。

具体实施方式

本发明提出的3D打印技术制造冰冻铸型的方法，如图1至图11所示，首先将制造铸型用的耐火材料砂粉冷却处理成-40℃至-10℃备用，设备中采用计算机控制铺砂系统，先在工作台上铺一层砂，然后计算机根据铸型在该切面的形状数据信息，驱动阵列喷头装置在成形截面处喷射水或水溶液，喷射的水或水溶液遇到低温型砂冷冻成冰，将该层砂冻结在一起；完成第一层成形后，工作台下降一个层高，再进行第二层的铺砂、喷水或水溶液，被喷射的砂层将水或水溶液冷冻成冰，将该层砂及该层与先前的一层冻结在一起。重复上述步骤，直至最终逐层堆叠固化成铸型实体，去除没有冻结成形的余砂，就获得了需要的冰冻铸型或砂芯，制成的铸型或砂芯不需要加热固化，砂芯基本无变形。在铸型中浇注铸件，当铸件凝固后，铸型解冻，砂型溃散，铸件更容易清理。

本发明提出的3D打印冰型铸造砂型的成形装置，如图12所示，该装置包括：储砂罐20，在打印砂型前存放足够的型砂，储砂罐20与真空上料装置17连接，真空上料装置17将型砂吸入螺旋搅拌系统18中，螺旋搅拌系统18还与冷却装置16连接，冷却装置16将液氮或干冰送入螺旋搅拌系统18与型砂一起进行搅拌，此过程中使得型砂温度降到-40℃至-10℃。然后冷却的型砂被送入铺粉机构19，铺粉机构19是与铺粉辊1固定在一起的。当计算机控制可移动工作台5下降一个层厚时，铺粉机构19与铺粉辊1将从左至右水平移动均匀铺砂，铺设完成后再从右至左水平移动回初始位置。然后，计算机控制阵列喷头7沿着X轴导轨14和Y轴导轨13进行二维平面移动，按铸型截面数据喷射低温水或水溶液，低温水或水溶液遇到冷冻的砂型结冰凝固砂型。重复铺砂和喷射水或水溶液凝固出铸型的各个截面，最终在成形室12中形成完整铸型。采用3D打印方法制成的冰冻铸型不使用模具，可以快速制造出所需铸型。

本发明以8字形试块为例，步骤如下：

步骤1：准备粒度为70/140目的石英砂，将该石英砂装入储砂罐中，作为3D打印铸型所用的原材料。在打印铸型之前，需要根据本发明工艺要求利用真空上料装置将储砂罐中的石英砂吸入螺旋搅拌系统，同时冷却装置将液氮或干冰送入螺旋搅拌装置与石英砂一起搅拌，将石英砂冷却成-40℃至-10℃；

步骤2：打印铸型之前，首先清理3D打印成形装置的工作台边框2及工作台面3上的浮砂，使工作区域干净、无浮砂；然后，计算机控制传动机构带动可移动工作台5，使与之连接的可移动工作台板3 沿g向同时下移5mm，见图1；铺粉装置1在计算机的控制下，在工作台上均匀铺设1层底砂，如图2所示，所述底砂用于将成形铸件与工作台分离；

步骤3：打印铸型时，计算机控制工作台板3 沿g向下移2mm ，见图3；然后计算机驱动铺粉装置沿工作台铺设第1层砂粉，砂粉厚度为2mm，见图4；

步骤4：计算机根据铸型的第一层截面数据，控制二维运动系统和阵列喷头7向铸型区域喷射水或水溶液，被喷射的低温石英砂将水或水溶液冷冻成冰、冻结成形，获得具有一定强度的第1层砂芯，即8字形第1层砂芯截面，喷射系统所用的溶液为过滤后的工业用水，见图5、6；

步骤5：计算机根据铸型的各个分层数据，重复上述步骤3和步骤4，层层打印出铸型的各截面形状，直至最终逐层堆叠形成铸型10，见图7、8、9；

步骤6：铸型打印完成后，将未经喷设水或水溶液的余砂去除，取出8字形实体铸型11，见图10、11。

Claims (11)

1.一种3D打印冰型铸造砂型的成形方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1：将被打印的砂型材料与液氮或干冰进行搅拌，使型砂冷却至零下温度；

步骤2：在低温成形环境中，将工作平台下移一段距离并铺设一层冷冻的底砂；

步骤3：工作平台下移一个层厚，用铺粉辊均匀的铺一层低温型砂；

步骤4：按照当前层铸型的截面形状，在指定区域采用喷头喷射液体，液体遇到低温型砂结冰将砂型凝固；

步骤5：重复步骤3、步骤4，层层打印，直至最终逐层堆叠凝固成完整铸型。

2.根据权利要求1所述的3D打印冰型铸造砂型的成形方法，其特征在于，将型砂材料冷却成-40℃至-10℃。

3.根据权利要求1所述的3D打印冰型铸造砂型的成形方法，其特征在于，喷头所喷射的液体为低温水或水溶液。

4.根据权利要求1所述的3D打印冰型铸造砂型的成形方法，其特征在于铸型所用砂粉为铸造用耐火型砂。

5.根据权利要求1所述的3D打印冰型铸造砂型的成形方法，其特征在于：所述铸型所用砂粉为石英砂、陶粒砂、宝珠砂、铬铁矿砂、锆英石砂、石灰石砂、刚玉砂、镁砂、橄榄石砂中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的3D打印冰型铸造砂型的成形方法，其特征在于：完成铸型后，清理掉未喷射液体而凝固的剩余型砂。

7.一种3D打印冰型铸造砂型的成形装置，其特征在于，包括：

低温成形室，所述低温成形室是用来使得成形砂型处在一个低温的环境中，确保最终铸型质量；

可升降的工作平台，所述工作平台设置于低温成形室内，用于承托型砂；

铺粉装置，所述铺粉装置位于成形室上方，用于铺设型砂；

二维运动系统，所述二维运动系统位于成形室上方；

阵列喷头，所述阵列喷头位于二维运动系统上，用于按需喷射水或水溶液，凝固砂型，可实现在水平平面内的移动；

供液系统，所述供液系统与阵列喷头连接；

上料系统，所述上料系统位于成形室上方，用于提供打印所需型砂；

控制系统，所述控制系统与所述二维运动系统，阵列喷头，铺粉装置，供液系统，上料系统相连接。

8.根据权利要求7所述的3D打印冰型铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述低温成形室包括：

制冷系统，所述制冷系统与成形室相连接，用于提供成形室所需低温环境。

9.根据权利要求7所述的3D打印冰型铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述二维运动系统包括：

滑动座，所述滑动座与所述阵列喷头固定连接；

X轴导轨和X轴电机，其中所述X轴电机与所述滑动座相连，控制所述滑动座沿着所述X轴导轨移动；

Y轴导轨和Y轴电机，其中所述Y轴电机与所述滑动座相连，控制所述滑动座沿着所述Y轴导轨移动。

10.根据权利要求7所述的3D打印冰型铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述供液系统位于成形室上方，用于提供1℃至5℃的低温水或水溶液。

11.根据权利要求7所述的3D打印冰型铸造砂型的成形装置，其特征在于，所述上料系统包括：

螺旋搅拌冷却装置，所述螺旋搅拌冷却装置位于成形室上方，用于将型砂与通入的液氮或干冰搅拌均匀，降低型砂温度；

真空上料装置，所述真空上料装置与所述螺旋搅拌装置相连接，用于提供型砂。