CN105328121A - 基于熔融沉积工艺的无模快速铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于熔融沉积工艺的金属无模快速铸造方法，其特征在于包括的步骤为：一是制备陶瓷塑料混合丝料，二是准备铸造壳型三维CAD数据，三是打印铸造壳型，四是脱脂，五是烧结，六是浇注金属液，七是后处理，得到所需铸件。其优点为：所需设备简单，成本低，生产周期短，且铸件精度较高，无需设置拔模斜度和分型面，可用于各种金属的铸造成型，尤其适用于具备复杂型腔的中小型零件的快速铸造成型。

Description

基于熔融沉积工艺的无模快速铸造方法

技术领域

本发明涉及一种金属铸造方法，特别是涉及一种基于熔融沉积工艺的无模快速铸造方法，尤其适用于具有复杂型腔的中、小型金属零件的快速铸造成型。

背景技术

铸造技术已有约6000年的历史，由于可以铸出各种形状复杂的毛坯，如箱体、床身、机架等，且其适应广、工业上常用的各种金属都可进行铸造，因此直至今天铸造仍是最重要的制造技术之一。然而传统铸造技术柔性较差，零件的结构和尺寸稍有改变就需要重做铸模和铸型，且铸模、铸型的制造需时很长，单件、小批生产成本很高。

近年来快速成型技术发展迅速，并且不断渗透到包括铸造在内的各个领域。快速成型技术与传统铸造技术相结合，形成了快速铸造技术，而无模铸造技术是快速铸造技术的一种，即无需铸造模具，直接采用快速成型技术制造出铸型用于铸件的生产，该技术完全改变了传统铸造技术先做模具后做铸型的模式，省去了铸模的设计及制造环节，大大缩短了铸件的生产周期，在新产品开发以及单件小批生产中应用越来越多。目前无模快速铸造的方法主要有以下几种：

（1）树脂砂扫描喷射固化工艺该工艺用传统树脂砂工艺中的水洗砂、树脂和固化剂，经轮廓扫描喷射固化剂后固化砂型。该工艺原材料与传统工艺相同，成本低廉，铸型强度高，无需特殊的后处理，尤其适合制造大中型铸件。但该工艺树脂砂的用量较大，粘结剂比例高，从而导致加工精度不高，且加工获得的铸型透气性差。

（2）选择性激光烧结铸型工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功，已被美国DTM公司商品化，德国EOS公司等也分别推出了各自SLS工艺的铸型成形机。SLS工艺用于制造铸型，若选用粒度较细的陶瓷粉和覆膜砂，选择较小的分层厚度，可以得到表面质量较好的铸型，但该方法受设备成型空间和成型速度的限制，只适合于制造中小件，且设备价格昂贵。

（3）三维印刷工艺由美国麻省理工学院研究成功，Soligen、ZCorp.等公司将其商品化。该工艺采用逐点喷洒粘接剂来粘接粉末材料从而制造出原型，所用粉末材料主要是陶瓷粉末和金属粉末。与SLS工艺不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过多通道喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，粘结时只进行一次扫描，由于用粘接剂粘接的强度较低，还必须将其放入加热炉中作进一步的固化或烧结，以提高粘结强度。

（4）喷洒树脂固化工艺由德国Generis公司开发，其工艺路线是将砂粒铺平之后，先用多通道喷头向砂床均匀喷洒树脂，然后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂，催化剂遇树脂后发生胶联反应，使铸型层层固化堆积成形。该工艺砂箱尺寸可达1500×750×750mm，分层厚度可达0.3mm，可用于制造大中型铸型，但其缺点很明显：由于树脂喷洒在整个砂床表面，铸型制作完毕后是在含有树脂的砂包围之中，这样给后续取砂型时清砂带来困难，需有特殊处理工序，同时也影响了砂型的精度和表面质量。

以上几种无模铸造工艺，均需采用价格昂贵的大型专用设备，设备的使用、维护困难，生产成本高，对于小型铸件的生产并无优势，也不适合小型铸造企业使用。因此，需要研制一种适用于中、小型铸件生产且性价比高、使用维护方便的无模快速铸造方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足而提供一种基于熔融沉积工艺的无模快速铸造方法，该方法所需设备简单，成本低，生产周期短，且铸件精度较高，无需设置拔模斜度和分型面，可用于各种金属的铸造成型，尤其适用于具备复杂型腔的中小型零件的快速铸造成型。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的，其是一种金属无模快速铸造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一制备陶瓷塑料混合丝料

将500~2000目的陶瓷微粉与ABS塑料粉或PLA塑料粉混合均匀，得到陶瓷微粉与ABS塑料粉或PLA塑料粉的混合料，在混合料中陶瓷微粉占比为45%~65%，用塑料挤出机将混合料挤成直径为1.75±0.03mm或3±0.05mm的丝状卷料，该丝状卷料适合熔融沉积工艺（FDM）打印机专用；

步骤二准备铸造壳型三维CAD数据

用三维CAD软件将待铸零件的三维实体模型转换为壳型模型并放大，放大比例按混合料烧结后的综合收缩率即0.70~0.85的倒数；在壳型模型上设置浇道壳及冒口壳，将设置了浇道壳及冒口壳的三维壳型模型数据转为3D打印机能识别的STL数据；

步骤三打印铸造壳型

用FDM工艺双喷头3D打印机打印步骤二中设置了浇道壳及冒口壳的三维铸造壳型模型，其中一个喷头用于打印壳型实体部位，打印材料用步骤一中所得到的混合丝料，打印填充率为100%，另一个喷头用于打印壳型内部空腔及其他支撑部位，打印材料为ABS塑料丝或PLA塑料丝，打印填充率为10%~30%；

步骤四脱脂

将步骤三中所打印的铸造壳型放入高温烘箱或烘炉中加热，升温速度控制在2±0.2℃/min内，温度超过300℃后，每升高50±5℃保温20~40分钟，升高至450℃~600℃后保温度1~2小时，烧空混合料及支撑/空腔部位的ABS或PLA，得到疏松状的陶瓷铸造壳型，在所述陶瓷铸造壳型内形成了零件型腔壳、浇道壳及冒口壳，在高温烘箱或烘炉内冷却至200℃~300℃后，将陶瓷铸造壳型（8）从炉内取出；

步骤五烧结

将步骤四中取出的陶瓷铸造壳型放入真空炉中加热，升温速度控制在10±1℃/min内，温度超过600℃后，每升高100±5℃保温20~40分钟，升高至900℃~1300℃后保温0.5~1小时，将疏松状的陶瓷壳型烧结成较为致密的陶瓷铸造壳型，随炉冷却至200℃~300℃后取出；

步骤六浇注金属液

将步骤五中所得到的较为致密的陶瓷铸造壳型放在铸造箱中，在陶瓷铸造壳型外围填砂加固，浇入金属液；

步骤七后处理

金属液冷却后敲碎陶瓷铸造壳型，切除浇道、冒口，得到所需铸件。

所述陶瓷微粉可以是陶土微粉或瓷土微粉或粘土微粉或高岭土微粉；在转换三维壳型模型时，需根据所选用的微粉及其比例所对应的综合收缩率的倒数进行放大，使烧结收缩后的铸造壳型能符合实际尺寸。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）可直接在双喷头FDM打印机上使用，无需昂贵的专用设备；

（2）制造出来的陶瓷壳型耐高温，可用于各种高熔点金属的铸造；

（3）壳型具备较好的透气性；

（4）精度较高，柔性好，可制造出传统方法很难得到的各种复杂的铸造壳型；

（5）可通过改变混合料的比例、烧结温度与时间使型壳具备不同的透气能力与硬度。

附图说明

图1是本发明的铸造结构示意图；

图2是本发明的脱脂、烧结后得到的铸造型壳图；

图3是浇注后的铸型图。

图1中：1―左喷头，2―打印头，3―右喷头，4―导轨，5―塑料丝卷料，6―陶瓷塑料复合丝卷料，7―打印平台，8―铸型，9―冒口壳，10―零件型腔壳，11―内腔，12―打印支撑，13―浇道壳。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明，但本发明的保护范围并不受这些实例的限制。

实施例一

用该方法铸造减速器外壳，其材料为HT200，轮廓尺寸为318mm×268mm×225mm，最小壁厚6mm。

其是一种金属无模快速铸造方法，包括如下步骤：

步骤一制备陶瓷塑料混合丝料

将500目的陶土微粉与500目的ABS塑料粉混合均匀，得到陶土微粉与ABS塑料粉的混合料，在混合料中陶土微粉占比为50%，用塑料挤出机将混合料挤成直径为1.75±0.03mm的丝状卷料6；

步骤二准备铸造壳型三维CAD数据

用三维CAD软件将待铸零件的三维实体模型转换为壳型模型并放大1.22倍，在放大后的三维壳型模型上设置浇道壳13、冒口壳9，并将设置了浇道壳13及冒口壳9的三维壳型模型数据转为3D打印机能识别的STL数据；

步骤三打印铸造壳型

用FDM工艺双喷头3D打印机打印铸造壳型，其中左喷头1用于打印铸造壳型8的实体部位，打印材料用步骤一中所得到的复合的丝状卷料6，打印填充率为100%，右喷头3用于打印壳型内部空腔11及支撑部位12，打印材料用ABS丝状卷料5，打印填充率为12%；如图1所示；

步骤四脱脂

将步骤三中所打印的铸造壳型放入高温烘箱或烘炉中加热，升温速度为2℃/min，温度超过300℃后，每升高50℃保温30分钟，升高至550℃后保温度1小时，烧空陶瓷混合料内及支撑/空腔部位的ABS塑料，得到疏松状的陶瓷铸造壳型8，在所述陶瓷铸造壳型内形成了零件型腔壳10、浇道壳13、冒口壳9，然后在高温烘箱或烘炉冷却至250℃后，取出陶瓷铸造壳型；

步骤五烧结

将步骤四中所取出的陶瓷铸造壳型8放入真空炉中加热，升温速度为10℃/min，温度超过600℃后，每升高100℃保温30分钟，升高至980℃后保温1个小时，将疏松状的壳型烧结成较为致密的陶瓷铸造壳型8，随炉冷却至250℃后取出；如图2所示；

步骤六浇注金属液

将步骤五中所取出的较为致密的陶瓷铸造壳型8放在铸造箱中，在陶瓷铸造壳型8外围填砂加固，浇入HT200金属液；如图3所示；

步骤七后处理

金属液冷却后敲碎陶瓷铸造壳型8，切除浇道及冒口，得到所需减速器外壳铸件。

实施例二

用该方法铸造齿轮泵泵体，其材料为铸铝ZL104，轮廓尺寸为220mm×128mm×225mm，最小壁厚15mm。

其是一种金属无模快速铸造方法，包括如下步骤：

步骤一制备陶瓷塑料混合丝料

将800目的瓷土微粉与800目的PLA塑料粉混合均匀，得到瓷土微粉与PLA塑料粉的混合料，在混合料中瓷土微粉占比为65%，用塑料挤出机将混合料挤成直径为3±0.05mm的丝状卷料6；

步骤二准备铸造壳型三维CAD数据

用三维CAD软件将待铸零件的三维实体模型转换为壳型模型并放大1.182倍，在放大后的三维壳型模型上设置浇道壳13、冒口壳9，并将设置了浇道壳13及冒口壳9的三维壳型模型数据转为3D打印机能识别的STL数据；

步骤三打印铸造壳型

用FDM工艺双喷头3D打印机打印铸造壳型，其中左喷头1用于打印铸造壳型8的实体部位，打印材料用步骤一中所得到的复合的丝状卷料6，打印填充率为100%，右喷头3用于打印壳型内部空腔11及支撑部位12，打印材料用PLA丝状卷料5，打印填充率为20%；如图1所示；

步骤四脱脂

将步骤三中所打印的铸造壳型放入高温烘箱或烘炉中加热，升温速度为1.5℃/min，温度超过300℃后，每升高50℃保温20分钟，升高至520℃后保温度1小时，烧空陶瓷混合料内及支撑/空腔部位的PLA塑料，得到疏松状的陶瓷铸造壳型8，在所述陶瓷铸造壳型内形成了零件型腔壳10、浇道壳13、冒口壳9，然后在高温烘箱或烘炉冷却至220℃后，取出陶瓷铸造壳型；

步骤五烧结

将步骤四中所取出的陶瓷铸造壳型8放入真空炉中加热，升温速度为8℃/min，温度超过600℃后，每升高100℃保温25分钟，升高至1050℃后保温40分钟，将疏松状的壳型烧结成较为致密的陶瓷铸造壳型8，随炉冷却至220℃后取出；如图2所示；

步骤六浇注金属液

将步骤五中所取出的较为致密的陶瓷铸造壳型8放在铸造箱中，在陶瓷铸造壳型8外围填砂加固，浇入ZL104金属液；如图3所示；

步骤七后处理

金属液冷却后敲碎陶瓷铸造壳型8，切除浇道、冒口，得到所需齿轮泵泵体铸件。

实施例三

用该方法铸造阀体，其材料为可锻铸铁KTH300-06，轮廓尺寸为210mm×210mm×125mm，最小壁厚12mm。

其是一种金属无模快速铸造方法，包括如下步骤：

步骤一制备陶瓷塑料混合丝料

将1200目的高岭土微粉与1200目的ABS塑料粉混合均匀，得到高岭土微粉与ABS塑料粉的混合料，在混合料中高岭土微粉占比为45%，用塑料挤出机将混合料挤成直径为1.75±0.03mm的丝状卷料6；

步骤二准备铸造壳型三维CAD数据

用三维CAD软件将待铸零件的三维实体模型转换为壳型模型并放大1.26倍，在放大后的三维壳型模型上设置浇道壳13、冒口壳9，并将设置了浇道壳13及冒口壳9的三维壳型模型数据转为3D打印机能识别的STL数据；

步骤三打印铸造壳型

用FDM工艺双喷头3D打印机打印铸造壳型，其中左喷头1用于打印铸造壳型8的实体部位，打印材料用步骤一中所得到的复合丝状卷料6，打印填充率为100%，右喷头3用于打印壳型内部空腔11及支撑部位12，打印材料用ABS丝状卷料5，打印填充率为25%；如图1所示；

步骤四脱脂

将步骤三中所打印的铸造壳型放入高温烘箱或烘炉中加热，升温速度为1.8℃/min，温度超过300℃后，每升高50℃保温25分钟，升高至530℃后保温度1小时，烧空陶瓷混合料内及支撑/空腔部位的ABS塑料，得到疏松状的陶瓷铸造壳型8，在所述陶瓷铸造壳型内形成了零件型腔壳10、浇道壳13、冒口壳9，然后在高温烘箱或烘炉冷却至200℃后，取出陶瓷铸造壳型；

步骤五烧结

将步骤四中所取出的陶瓷铸造壳型8放入真空炉中加热，升温速度控制在9℃/min，温度超过600℃后，每升高100℃保温28分钟，升高至1000℃后保温1个小时，将疏松状的壳型烧结成较为致密的陶瓷铸造壳型8，随炉冷却至200℃后取出；如图2所示；

步骤六浇注金属液

将步骤五中所取出的较为致密的陶瓷铸造壳型8放在铸造箱中，在陶瓷铸造壳型8外围填砂加固，浇入可锻铸铁KTH300-06金属液；如图3所示；

步骤七后处理

金属液冷却后敲碎陶瓷铸造壳型8，切除浇道、冒口，得到所需阀体铸件。

以上结合附图及实施例对本发明作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于熔融沉积工艺的金属无模快速铸造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一制备陶瓷塑料混合丝料

将500~2000目的陶瓷微粉与ABS塑料粉或PLA塑料粉混合均匀，得到陶瓷微粉与ABS塑料粉或PLA塑料粉的混合料，在混合料中陶瓷微粉占比为45%~65%，用塑料挤出机将混合料挤成直径为1.75±0.03mm或3±0.05mm的丝状卷料，该丝状卷料适合熔融沉积工艺（FDM）打印机专用；

步骤二准备铸造壳型三维CAD数据

用三维CAD软件将待铸零件的三维实体模型转换为壳型模型并放大，放大比例按混合料烧结后的综合收缩率即0.70~0.85的倒数；在壳型模型上设置浇道壳（13）及冒口壳（9），将设置了浇道壳及冒口壳的三维壳型模型数据转为3D打印机能识别的STL数据；

步骤三打印铸造壳型

用FDM工艺双喷头3D打印机打印步骤二中设置了浇道壳及冒口壳的三维铸造壳型模型，其中一个喷头用于打印壳型实体部位，打印材料用步骤一中所得到的丝状卷料，打印填充率为100%，另一个喷头用于打印壳型内部空腔及其他支撑部位，打印材料为ABS塑料丝或PLA塑料丝，打印填充率为10%~30%；

步骤四脱脂

将步骤三中所打印的铸造壳型放入高温烘箱或烘炉中加热，升温速度控制在2±0.2℃/min内，温度超过300℃后，每升高50±5℃保温20~40分钟，升高至450℃~600℃后保温度1~2小时，烧空混合料及支撑/空腔部位的ABS或PLA，得到疏松状的陶瓷铸造壳型（8），在所述陶瓷铸造壳型内形成了零件型腔壳（10）、浇道壳（13）及冒口壳（9），在高温烘箱或烘炉内冷却至200℃~300℃后，将陶瓷铸造壳型（8）从炉内取出；

步骤五烧结

将步骤四中取出的陶瓷铸造壳型（8）放入真空炉中加热，升温速度控制在10±1℃/min内，温度超过600℃后，每升高100±5℃保温20~40分钟，升高至900℃~1300℃后保温0.5~1小时，将疏松状的陶瓷壳型烧结成较为致密的陶瓷铸造壳型，随炉冷却至200℃~300℃后取出；

步骤六浇注金属液

将步骤五中所得到的较为致密的陶瓷铸造壳型（8）放在铸造箱中，在陶瓷铸造壳型外围填砂加固，浇入金属液；

步骤七后处理

金属液冷却后敲碎陶瓷铸造壳型（8），切除浇道及冒口，得到所需铸件。

2.根据权利要求1所述的金属无模快速铸造方法，其特征在于所述陶瓷微粉可以是陶土微粉或瓷土微粉或粘土微粉或高岭土微粉；在转换三维壳型模型时，需根据所选用的微粉及其比例所对应的综合收缩率的倒数进行放大，使烧结收缩后的铸造壳型能符合实际尺寸。