CN105579161A - 三维打印的金属铸造模具和其制造方法 - Google Patents

Abstract

揭示了通过三维打印过程来制造金属铸造模具和其构件的方法，其中未经处理的砂用作构建材料并且聚合物用作打印到构建材料上的粘结剂的组分。

Description

三维打印的金属铸造模具和其制造方法

技术领域

本发明涉及通过三维打印制造的金属铸造模具和制造这种模具的方法。

背景技术

用于在其中铸造熔融金属的模具所需的特征是本领域中熟知的。例如，参看美国专利No.6,080,813和下面的美国公开的专利申请：Asano等人的2010/0140823Al、Stotzel等人的2011/0073270Al、Stancliffe等人的2011/0129387Al、Fuqua等人的2011/0220316Al、Jattke的2012/0126092、Ide等人的2012/0217373Al以及Haanepen等人的2013/0032689Al。

三维打印在1990年代在美国麻省理工学院研发并且描述于若干美国专利中，包括以下美国专利：授予Sachs等人的5,490,882、授予Cima等人的5,490,962、授予Cima等人的5,518,680、授予Bredt等人的5,660,621、授予Sachs等人的5,775,402、授予Sachs等人的5,807,437、授予Sachs等人的5,814,161、授予Bredt等人的5,851,465、授予Cima等人的5,869,170、授予Sachs等人的5,940,674、授予Sachs等人的6,036,777、授予Sachs等人的6,070,973、授予Sachs等人的6,109,332、授予Sachs等人的6,112,804、授予Vacanti等人的6,139,574、授予Sachs等人的6,146,567、授予Vacanti等人的6,176,874、授予Griffith等人的6,197,575、授予Monkhouse等人的6,280,771、授予Sachs等人的6,354,361、授予Sachs等人的6,397,722、授予Sherwood等人的6,454,811、授予Yoo等人的6,471,992、授予Sachs等人的6,508,980、授予Monkhouse等人的6,514,518、授予Cima等人的6,530,958、授予Sachs等人的6,596,224、授予Sachs等人的6,629,559、授予Teung等人的6,945,638、授予Sachs等人的7,077,334、授予Sachs等人的7,250,134、授予Payumo等人的7,276,252、授予Pryce等人的7,300,668、授予Serdy等人的7,815,826、授予Pryce等人的7,820,201、授予Payumo等人的7,875,290、授予Pryce等人的7,931,914、授予Wang等人的8,088,415、授予Bredt等人的8,211,226、以及授予Wang等人的8,465,777。

在本质上，三维打印涉及摊开微粒材料层并且将流体选择性地喷射打印到该层上以造成微粒层的选定部分粘结在一起。对于额外层重复这个顺序直到构建了所希望的部分。构成微粒层的材料常常被称作“构建材料”并且喷射的流体常常被称作“粘结剂”，或者在某些情况下，“活化剂”。常常需要对三维打印部件进行后处理以便使部件加强和/或致密该。

在过去三维打印用来制造用于铸造金属的模具。例如，参看以下美国专利：授予Bredt等人的7,087109B2、授予Bredt等人的7,332,537B2、授予Ederer等人的7,531,117B2、授予Ederer等人的7,955,537B2以及授予Ederer等人的8,211,226B2。

利用三维打印来生产铸造模具的现有技术方法的一个困难在于其复杂性。在上文所引用的技术中，需要使用多组分构建材料。例如，在美国专利7,955,537中所公开的构建材料需要构建材料包括微粒材料和反应性材料并且喷射的流体与反应性材料起反应。现有技术的另一困难在于用来制造层床但并不在打印的部分中的构建材料可能无法再用作构建材料。

发明内容

本发明提供一种用来通过三维打印制造金属铸造模具的方法来克服现有技术的困难，三维打印并不需要复杂的构建材料。而是，在根据本发明的铸造模具或模具构件三维打印中使用的构建材料可以是未经处理或者与另一材料结合的任何常规铸砂。在下文中，这种铸砂将被称作“未经处理的”。令人吃惊地发现未经处理的铸砂能结合聚合物基粘结剂用于三维打印过程中以制造适用于铸造金属部件的铸造模具和其构件。

根据本发明的一方面，所提供的方法包括：摊开未经处理的铸砂层并且然后将粘结剂选择性地施加到该层上，摊开另一未经处理的铸砂层并且将粘结剂选择性地施加到该层上，并且以此类推，直到构建了所希望的金属铸造模具或铸造模具构成部件。术语“构建部件”在下文中用来指所打印的金属铸造模具或金属铸造模具构成部件。构建的部件随后可以被加热以使粘结剂固化并且用于铸造过程中以进行金属铸造。根据本发明制造的构建部件令人吃惊地较强。

根据本发明的另一方面，提供铸造模具和铸造模具构件，其包括利用粘结剂粘结在一起的铸砂微粒。

附图说明

通过参考附图，本发明的特点和优点的关键性将更好地理解。但应了解附图仅出于说明目的而设计并且不应认为限定对本发明的限制。

图1是示出了经选择如示例1中所描述制造的模具内部的示意图。

图2是示出如示例1中所描述的根据本发明制造的模具的照片。

图3是如在示例2和3中所描述的根据本发明制造的圆盘和测试杆的照片。

图4是利用常规模具制造的铸件A和利用根据本发明做出的示例1中所描述的模具制成的铸件B和C的照片。

具体实施方式

通过参考附图，本发明的特点和优点的关键性将更好地理解。但应了解附图仅出于说明目的而设计并且不应认为限定对本发明的限制。应了解每当在本文中或者在所附权利要求中描述值的范围时，该范围包括端点和在端点之间的每个点，如同每一个这样的点明确地描述。除非另外陈述，如在本文和权利要求中所用的词语“大约”将被理解为表示与词语“约”所修饰的值有关的一般测量和/或制造限制。

本发明的方法实施例采用三维打印过程来制造金属铸造模具(包括离心铸造)和用于金属铸造模具的构件例如型芯、冷冻机和熔模铸造图案。在未经处理条件下的任何常规铸砂可以用作构建材料。这些铸砂的示例包括硅砂、熔融硅砂、湖砂、岸砂、坑砂、铬铁矿砂、锆砂、橄榄石砂、刚玉砂、莫莱石砂和合成砂以及其组合。构建材料可以具有能进行三维打印的任何粒度；然而，优选地，平均粒度在约10微米至约1毫米的范围，并且更优选地约20微米至约700微米的范围。

本发明的方法实施例采用适用于三维打印过程的粘结剂。合适粘结剂包括聚合物、载体、润湿剂和可选地，表面活性剂。合适聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮(优选地K值在约10与约100之间)、蔗糖、果糖、高果糖玉米糖浆和聚乙烯醇。合适载体包括水、2-丁氧基乙醇和异丙醇。合适润湿剂包括二甘醇、乙二醇、丙二醇、聚丙二醇和甘油。合适表面活性剂包括2-甲氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、硅酮油、十二烷基硫酸钠、乙醇、异丙醇。粘结剂组分中每一种的量经调整以提供可接受的三维打印和打印部件特征。对于喷射沉积，即喷射打印条件(包括周围温度、湿度、构建材料、干热、打印头特征、打印速度等)最敏感的组分为载体、表面活性剂和润湿剂，因此这些组分的量被选择为实现所希望的打印行为。优选地，载体的相对量在约75％重量至95％重量的范围，润湿剂的相对量不超过约3％重量，并且表面活性剂(在使用时)的相对量不超过约3％重量。聚合物的相对量被选择为提供构建部件所需的粘结量。优选地，聚合物的相对量在约5％重量至约20％重量的范围。

为了实施本发明的方法，选择粘结剂和构建材料作为三维打印设备和待制造的一种或多种铸造模具或铸造模具构件。为待制造的构件中每一个采集适合于三维打印设备的打印文件。如果一次制造多于一个部件，创建一构建文件，其中，在构建床中做出待构建部件的布置。然后用未经处理的构建粉末和粘结剂逐层做出这些部件。在构建过程结束时，加热一个或多个构建部件以驱散剩余载体并且使粘结剂固化并且然后从构建床移除。然后可以将构建部件组装到模具组上并且熔融金属可以浇注到模具组内。可选地，涂层，诸如洗剂或脱离剂，例如氮化硼可以施加到在铸造期间接触熔融金属的构建部件的表面上。

应了解根据某些实施例做出的型芯可以通过将型芯溶解于溶剂中而从金属铸件移除，溶剂与用作粘结剂组分的载体相同或相似，用作粘结剂组分的载体在三维打印过程中用来制造模具，从模具制造型芯。

示例

示例1

使用由美国宾夕法尼亚州诺斯亨廷顿(NorthHuntingdon,Pennsylvania,US)ExOneCompany构建的双底座三维打印设备来进行本发明的实施例的试验，这种三维打印设备具有构建箱，构建箱大小为在构建方向上约19厘米英寸宽，在横向方向上约19厘米宽并且约7.6厘米深。构建粉末为未经处理的铬铁矿砂，具有500微米的平均粒度。选择粘结剂，其中聚合物为聚乙烯吡咯烷酮K-15，载体是2-甲氧基乙醇，并且润湿剂是二甘醇。在粘结剂中的聚合物的部分是约10％重量。构建层厚度为约600微米。

所选择的部件是金属铸造模具并且在图1中示出。根据本发明的一实施例构建这些模具中的两个。构建模具之一在图2中示出。模具具有约18.41厘米的内底部直径和约6.96厘米的内部深度。模具之一随后被浸涂锆石/乙醇模具洗液并且然后在82℃干燥持续大约15分钟。在大约1583℃的熔融WC-9低合金钢倾倒到两个模具内并且允许凝固。从模具移除铸件。图4示出了该铸件以及使用常规呋喃结合硅石模具制造的铸件。在常规硅石模具中制造铸件A。在未经洗涤的本发明的模具中制造铸件B并且在用锆石/乙醇模具洗液洗涤的本发明的模具中制造铸件C。

示例2

使用与示例1所描述的相同的条件和材料，制造根据本发明的一实施例的测试圆盘。这些齿圆盘具有约5.0厘米的直径并且2.54厘米高并且在图3中示出。这些测试圆盘用来测量浸没损失(“LOI”)和渗透性。

LOI测试通过取得在烧制之后的部件的重量与烧制之前的部件的重量比来测量烧制部件时的重量损失。根据本发明制造的两个测试圆盘的LOI结果特别好，为0.3％和0.4％。

渗透率测试测量部件的气体流率。测试的目的在于确保部件具有充分的渗透性以在铸造期间允许除气。可用性的阈值最大值是120。根据本发明制造的两种测试圆盘的中的每一个具有375的渗透率测试值。

示例3

使用与示例1所描述的相同的条件和材料，根据本发明的一实施例制造测试杆。这些测试杆为约17.20厘米长，约2.24厘米宽，并且约2.24厘米高，并且在图3中示出。使用这些测试杆来测量拉伸强度。250牛顿/平方厘米的最小拉伸强度被认为是模具构件必需的。根据本发明制造的这些测试杆中的两个经受测试并且分别具有409牛顿/平方厘米和340牛顿/平方厘米的拉伸强度。

虽然仅示出和描述了本发明的几个实施例，对于本领域技术人员显然，可以对本发明的实施例做出许多修改和变化而不偏离如在权利要求中描述的本发明的精神和范围。在本文中确认的所有美国专利和专利申请，所有外国专利和专利申请，以及所有其它文献以引用的方式并入到本文中，如同在本文中全面陈述到法律许可的最大程度。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于制造制品的方法，所述制品为金属铸造模具或金属铸造模具的构件，所述方法包括以下步骤：

a)获得所述制品的表示；

b)选择未经处理的砂作为构建材料；

c)选择粘结剂，包括聚合物、载体和润湿剂；

d)利用所述制品的表示、所述构建材料和所述粘结剂来三维打印所述制品；

其中，所述制品适于用作金属铸造模具或者金属铸造模具的构件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物选自聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖、果糖、高果糖玉米糖浆和聚乙烯醇所构成的组群。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚合物是K值在约10与约100之间的聚乙烯吡咯烷酮。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述载体选自水、2-丁氧基乙醇和异丙醇所构成的组群。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述润湿剂选自二乙二醇、乙二醇、丙二醇、聚丙二醇和甘油所构成的组群。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘结剂还包括选自以下组群的表面活性剂：2-甲氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、硅酮油、十二烷基硫酸钠、乙醇、异丙醇。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述未经处理的砂选自硅砂、熔融硅砂、湖砂、岸砂、坑砂、铬铁矿砂、锆砂、橄榄石砂、刚玉砂、莫莱石砂和合成砂以及其组合所构成的组群。

Claims (7)

1.一种用于制造制品的方法，所述制品是金属铸造模具或金属铸造模具的构件，所述方法包括以下步骤：

a)获得所述制品的表示；

b)选择未经处理的砂作为构建材料；

c)选择粘结剂，包括聚合物、载体和润湿剂；

d)利用所述制品的表示、所述构建材料和所述粘结剂来三维打印所述制品；

其中，所述制品适于用作金属铸造模具或者金属铸造模具的构件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物选自聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖、果糖、高果糖玉米糖浆和聚乙烯醇所构成的组群。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚合物是K值在约10与约100之间的聚乙烯吡咯烷酮。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述载体选自水、2-丁氧基乙醇和异丙醇所构成的组群。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述润湿剂选自二甘醇、乙二醇、丙二醇、聚丙二醇和甘油所构成的组群。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述粘结剂还包括选自以下组群的表面活性剂：2-甲氧基乙醇、2-丁氧基乙醇、硅酮油、十二烷基硫酸钠、乙醇、异丙醇。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述未经处理的砂选自硅砂、熔融硅砂、湖砂、岸砂、坑砂、铬铁矿砂、锆砂、橄榄石砂、刚玉砂、莫莱石砂和合成砂以及其组合所构成的组群。