CN105834360A - 采用3d打印制作壳模的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脱蜡铸造工艺技术领域，特指一种采用3D打印壳模的铸造方法。该3D打印壳模的铸造方法包括以下步骤，第一，按照需要加工的产品进行电脑绘制图纸；第二，将绘制的图纸输入值3D打印机，进行壳模的3D打印；第三，对壳模进行烧结处理，令形成打印的壳模烧结固化；第四，烧结完成后的壳模作为铸造的型腔，将熔融的原料注入，在壳模中成型，最后将整个壳模取出，敲破壳模即可取出成型的产品；第五，对成型的产品进行后处理后，得到成品；上述的3D打印所使用的打印材料混合了光敏树脂和陶瓷粉末的液状混合物。本发明采用上述技术方案后，壳模直接采用3D打印机打印出来，这样就少了传统工艺中的壳模制作过程，提高了生产效率。

Description

采用3D打印制作壳模的铸造方法

技术领域：

本发明涉及脱蜡铸造工艺技术领域，特指一种采用3D打印壳模的铸造方法。

背景技术：

脱蜡铸造是精密铸造的一种，其制作工艺为：

第一，按照需要加工的产品绘制图纸，并根据图纸制作出相应的模具。

第二，利用模具，采用注塑成型的方式，制作出蜡模，并对蜡模进行修正。

第三，将若干的蜡模组装形成蜡树，以实现一次浇铸成型多个产品的目的，提高工作效率。

第四，将蜡树进行浸浆处理，令蜡树表面附着一层浆料，待浆料干燥后，再次经过多次浸浆，为了确保浸浆壳模的厚度，通常需要重复5-6次浸浆工艺，壳模的厚度达到5-7毫米。

第五，完成浸浆工艺后，采用蒸汽脱蜡的方式，将壳模内的蜡模流出，实现蜡模与壳模的分离。

第六，脱蜡完成后，需要对壳模进行烧结处理，令形成壳模的浆料烧结固化，并且将残留的蜡模材料完全燃烧掉。

第七，烧结完成后的壳模作为铸造的型腔，将熔融的原料(例如金属熔液、玻璃溶液等)注入，在壳模中成型，最后将整个壳模取出，敲破壳模即可取出成型的产品。

第八，对成型的产品进行清砂、抛丸等后处理后，得到成品。

由上所述可以看出，目前的脱蜡铸造工艺非常复杂，并且在烧结、清砂工艺中会产生污染。同时，壳模的制作也非常复杂，直接导致了生产效率的低下。

另一个方面，3D打印技术飞速发展，已经被应用在诸多的领域中。目前所谓的3D打印，其本质是一种快速成形技术，其工作过程为：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印，并将薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。多功能3D打印机与传统打印机最大的区别在于：它使用的“墨水”是实实在在的原材料。原材料一般为热熔胶线、蜡质等。该热熔胶线的端部插入3D打印机的热熔打印头中，而热熔打印头通过通电加热而实现对热熔胶线进行熔融，经熔融的胶从热熔打印头下端流出，逐层打印，并将薄型层面堆叠以实现固态物体成型。

目前法国里摩曰3DCeram公司设计出来一种工业级3D打印机Ceramker。Ceramaker 3D打印机使用了一种全新的3D打印工艺，叫做CAM(Ceramics AdditiveManufacturing陶瓷增材制造)，这种工艺是基于陶瓷工艺的激光固化技术应用的研究，1998年由Thierry Chartier在里摩曰的SPCTS(陶瓷工艺及其表面处理科学)上提出。他的成果被3DCeram公司采用，其工艺得到了更加深入的研发并渗入了各个领域的市场。该工艺混合了光敏树脂和陶瓷粉末，液状混合物经过激光打印固化，层厚可达25-100微米，每层经过紫外光固化与上一层粘合，最终形成3D打印物件，最后是进行连续的激光烧结后处理阶段。根据3DCeram所提供的资料，零部件在CAD文件将会根据烧结过程中的收缩率进行尺寸调整。可用材料包括氧化铝、氧化锆和羟基磷灰石/磷酸三钙，这些都需要避光包装和室温储藏。3DCeram的技术目前的应用包括生物医学移植，珠宝制造，还有先进的高精度工业原型设计。

本发明人经过不断研究实验，将3D打印技术引入脱蜡铸造领域，提出以下技术方案。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题就在于利用3D打印技术，将其与传统的脱蜡铸造结合，提出一种采用3D打印制作壳模的铸造方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该3D打印壳模的铸造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：第一，按照需要加工的产品进行电脑绘制图纸；第二，将绘制的图纸输入值3D打印机，进行壳模的3D打印；第三，对壳模进行烧结处理，令形成打印的壳模烧结固化；第四，烧结完成后的壳模作为铸造的型腔，将熔融的原料注入，在壳模中成型，最后将整个壳模取出，敲破壳模即可取出成型的产品；第五，对成型的产品进行后处理后，得到成品；上述的3D打印所使用的打印材料混合了光敏树脂和陶瓷粉末的液状混合物。

进一步而言，上述技术方案中，所述打印材料中的陶瓷粉末包括:氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石或磷酸三钙。

进一步而言，上述技术方案中，所述打印的壳模厚度为0.1-2毫米。

本发明采用上述技术方案后，壳模直接采用3D打印机打印出来，这样就少了传统工艺中的壳模制作过程，提高了生产效率。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明的壳模采用的是3D打印，其加工快，并且便于修改，如果出现误差可以直接在计算机中修改输出图纸的尺寸、参数即可。

2、相对于先有工艺方法，本发明可以大大提高生产效率，并且降低人员的工作强度，减少污染。提高产品的精度。

附图说明：

图1是本发明实施例一中浇铸装置的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

本发明的方法包括以下步骤：

第一，按照需要加工的产品进行电脑绘制图纸。一般采用可输出至3D打印的绘图软件。

第二，将绘制的图纸输入值3D打印机，进行壳模的3D打印。本发明所述的3D打印与传统的3D打印不同的是，其不是采用热熔型材料直接打印固化，本发明采用的打印材料混合了光敏树脂和陶瓷粉末的液状混合物。打印的方式与现有的方式相同，仍采用分层“切片”的逐层打印方式，每层打印的厚度为25-100微米。每层打印完成后，需要经过紫外光辐照，令光敏树脂固化，从而将陶瓷粉末材料一通固化成型。经过这种逐层打印，逐层光照固化后，最终形成3D打印的壳模。所述打印材料中的陶瓷粉末包括:氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石或磷酸三钙、莫莱石粉。所述打印的壳模最终的厚度为0.1-2毫米。

第三，对壳模进行烧结处理，令形成打印的壳模烧结固化。虽然通过3D打印机打印出的壳模已经成型，但是这种成型是通过光敏树脂材料的粘接固化，其并不能直接应用到铸造工艺中，还是需要通过烧结的方式，将打印的壳模中的树脂烧结清除，并且令剩下的陶瓷材料烧结固化，成为可进行浇铸的壳模。

所述的烧结方式有两种，一种是直接对打印后的壳模进行烧结固化，这种方式与目前铸造工艺中的烧结方式相同，调整好温度和时间即可。另一种方式是直接利用3DCeram生产的Ceramaker 3D打印机，在打印完成后直接使用激光对打印的壳模进行连续的烧结后处理即可。

第四，烧结完成后的壳模作为铸造的型腔，将熔融的原料注入，在壳模中成型，最后将整个壳模取出，敲破壳模即可取出成型的产品。

在本步骤中，由于通过3D打印的壳模无法直接承受熔融金属原料的直接浇铸，需要将壳模进行埋砂处理。即，将壳模埋设在砂箱中，预留好浇铸用水口，并对砂箱进行振动，令壳模外部的砂子紧实。最后进行浇铸。浇铸完成后，将整个壳模从砂箱中取出，然后敲碎壳模即可取出成型的产品。

第五，对成型的产品进行后处理后，得到成品。

成型后的需要进行抛丸处理等后续的加工处理，最终得到成品。

上述实施例中，在浇铸的过程中，为了防止浇铸的产品中出现气泡等不良现象，整个浇铸过程是在真空换进中进行的。见图1所示，本发明所使用的浇铸装置包括：一密闭的腔室，该腔室内放置有砂箱，以及用于熔融金属的电炉。砂箱被放置在一个振动装置上。腔室与一抽真空泵连接，以对腔室进行抽真空处理。使用时，将壳模埋设在砂箱中，预留好浇铸用水口，并对砂箱进行振动，令壳模外部的砂子紧实。最后，关闭腔室，然后对腔室进行抽真空处理，令腔室内的空间称为负压状态，然后进行浇铸。浇铸完成后，将整个壳模从砂箱中取出，然后敲碎壳模即可取出成型的产品。

本发明采用的打印材料混合了光敏树脂和陶瓷粉末的液状或者凝膏状的混合物。光敏树脂是指由树脂单体(monomer)及预聚体(oligomer)组成，含有活性官能团，能在紫外光照射下由光敏剂(light initiator)引发聚合反应，形成固态物质。简单而言，光敏树脂就是常说的UV树脂，当其紫外光照射下产生聚合反应,完成固化。光敏树脂通常为液态，其一般可使用在SLA打印机(立体光固化成型打印机)。本发明中是借助光敏树脂完成对壳模的粗布成型，但是实际壳模材料是需要通过陶瓷砂浆不断浸浆、干燥，然后烧结形成的。

配置本发明所使用的打印材料时，首先准备陶瓷粉末材料，常用的陶瓷粉末包括:氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石或磷酸三钙、莫莱石粉。然后加入光敏树脂，令二者充分的混合，称为液态或者凝膏状的混合物，作为打印的材料。其中陶瓷粉末材料与光敏树脂的质量比为：陶瓷粉末60-90％，光敏树脂：10-40％。

为了有利于产品在打印的成型，光敏树脂的比例不能太低，如果太低，打印的壳模无法被光敏树脂粘接成型，容易坍塌。如果光敏树脂的比例太高，则会导致最终烧结时，陶瓷粉末难以成型，或者成型产品表面太过粗糙。

另外，为了便于打印时的成型，可适当加入其他一些热熔型树脂材料，例如ABS,尼龙等，以便于产品在打印时成型。

在浇铸的过程中，为了防止浇铸的产品中出现气泡等不良现象，整个浇铸过程是在真空换进中进行的。

见图1所示，上述方法中，第四步中需要使用一种真空浇铸装置，其包括：一真空箱1，该真空箱1具有一密闭空间10，所述的空间10内设置有砂箱2和可转动的电炉3；于所述的空间10外安装有对其抽真空的气泵5，所述的空间10内还设置有振动装置4，所述的砂箱2放置在该振动装置4上，在砂箱2内埋设有通过3D打印的壳模6，通过振动装置4将壳模6外部的砂子振动紧实；所述的壳模6的浇铸口显露于砂箱2的砂面，并对应电炉3的出口，通过电炉3的转动将熔融的原料注入壳模6的浇铸口内。

在浇铸的过程中，为了防止浇铸的产品中出现气泡等不良现象，整个浇铸过程是在真空箱1的真空空间10内进行的。该空间10与一抽真空的泵5连接，以对空间10进行抽真空处理。使用时，将壳模6埋设在砂箱2中，预留好浇铸用水口，并通过振动装置4对砂箱2进行振动，令壳模6外部的砂子紧实。最后，关闭空间10，然后对空间10进行抽真空处理，令空间10内的成为负压状态，

浇铸时，直接驱动电炉3转动，将熔融的原料倒入与之对应的壳模6中即可。浇铸完成后，将整个壳模6从砂箱2中取出，然后敲碎壳模6即可取出成型的产品。

本与其采用上述的真空浇铸装置，浇铸时将壳模6埋设在砂箱2中，通过振动装置4对砂箱2进行振动，令壳模6外部的砂子紧实。利用砂箱中的铸造用砂子对壳模6的外部形成支撑。由于壳模6通过3D打印机打印出来，其厚度很薄，通过砂子在外部对其形成紧实的支撑后，壳模6在浇铸过程中就不会产生破裂的情况，确保整个浇铸的顺利完成。

以下是本发明与现有传统铸造工艺的对比：

以每个月生产50噸，两种铸造法所用车间工人与管理人员之比较:

车间工人与管理人员	传统脱蜡铸造法	3D打印壳模铸造法
			壳模(含注蜡、修蜡、组树)	60人	10人
浇注	10人	8人
			抛丸(含清砂)	8人	4人
品检入库	42人	26人
			间接管理人员	20人	30人
合计	140人	78人

将两种铸造法生产工艺相关数据比较，以传统的脱蜡铸造为参考，将本发明与其进行比对，相关的对比数据如下：

	传统脱蜡铸造法	3D列印壳模铸造法
			电力	100％	70％
人工	100％	58％
			物科	100％	50％
场地面積	100％	60％
			污染	100％	10％

由上述对比可以看出，本发明采用上述技术方案后，壳模直接采用3D打印机打印出来，这样就少了传统工艺中的壳模制作过程，提高了生产效率，并且降低人员的工作强度，减少污染。

当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (6)

1.采用3D打印制作壳模的铸造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

第一，按照需要加工的产品进行电脑绘制图纸；

第二，将绘制的图纸输入3D打印机，进行壳模的3D打印；

第三，对打印出的壳模进行烧结处理，令形成打印的壳模烧结固化；

第四，烧结完成后的壳模作为铸造的型腔，将熔融的原料注入，在壳模中成型，最后将整个壳模取出，敲破壳模即可取出成型的产品；

第五，对成型的产品进行后处理后，得到成品；

上述的3D打印所使用的打印材料混合了光敏树脂和陶瓷粉末的液状混合物。

2.根据权利要求1所述的采用3D打印制作壳模的铸造方法，其特征在于：所述打印材料中的陶瓷粉末包括:氧化铝、氧化锆、羟基磷灰石或磷酸三钙。

3.根据权利要求1所述的采用3D打印制作壳模的铸造方法，其特征在于：所述打印的壳模厚度为0.1-2毫米。

4.根据权利要求1所述的采用3D打印制作壳模的铸造方法，其特征在于：所述的步骤三中，采用的激光连续烧结处理。

5.根据权利要求1所述的采用3D打印制作壳模的铸造方法，其特征在于：所述的步骤四中，在浇铸前，首先需要对壳模进行埋砂处理，将壳模埋设在砂箱中，预留好浇铸用水口，并对砂箱进行振动，令壳模外部的砂子紧实；最后进行浇铸。

6.根据权利要求5所述的采用3D打印制作壳模的铸造方法，其特征在于：所述的步骤四中，浇铸在真空或负压环境中进行。