CN106623771A - 一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法 - Google Patents

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沈伟
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Abstract

本发明公布一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，操作步骤：（1）获取多组三维模型数据；（2）打印三维模型，填充密度7%—11%；（3）在每个3D模样上设置大于等于一个出气孔，出气孔直径6—8mm；（4）制造型壳：将电热刀放置在蜡质浇注系统的表面使其熔化并与3D模样连接，采用电热刀修整3D模样与蜡质浇注系统的结合端，使蜡质浇注系统与3D模样表面紧贴，在3D模样表面挂砂、挂涂料；（5）脱掉蜡质浇注系统的蜡；（6）焙烧脱3D模样的PLA材料或ABS树脂。本发明采用开源软件绘制三维图形，利用FDM技术打印3D模样，选择熔模铸造生产铸件，减少生产时间和费用，快速响应市场、生产出价格低廉的艺术铸品。

Description

一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法
技术领域
本发明涉及艺术铸品铸造领域，具体涉及一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法。
背景技术
3D打印技术制造速度快、成本低，可制造复杂零件，并可预先消除缺陷；而铸造则几乎可以成形任何一种金属，且不受零件大小形状的限制，成本低廉，但从设计到模型、模型到铸件其铸造周期较长。3D打印技术与传统铸造技术相结合形成快速铸造技术，其基本原理是利用3D打印技术直接或间接地制造铸造用消失模、聚乙烯模、蜡样、模板、铸型、型芯或型壳，然后结合传统铸造工艺，快捷地铸造出艺术铸品。
而现有艺术铸品的制造工艺通常是根据客户提供的模型参数，设计人员综合考虑提供的模型尺寸，制模时受温度变化对收缩率影响等因素，调整模型参数，并将调整后的参数作为厂家制作模具的依据。实际操作中，厂家按照调整后参数制作出的模具，其最终参数与客户提供的模型参数不一致，存在一定偏差。这种情况下，需要根据偏差的情况，重新调整模型参数，厂家再次重新制作模具，如此反复，直至制作出的模具与客户提供的模型参数一致。
可见，现有单件铸钢件艺术铸品由于是单件或小批量生产，从接受客户订单、制作出模具，到根据模具制作出成品的周期，大于等于需要10天以上。对于单件或小批量的生产，周期长，且该过程中需要制作模具，模具本身制作成本较高，相对于最终销售额，整个生产成本提高。
基于此，研究并开发设计一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有单件艺术铸品生产过程中制作出成品时间长、成本高，现提供具体涉及一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，采用FDM技术打印3D模样，熔模铸造生产出艺术铸品模样，将3D打印技术与熔模铸造技术创造性的结合一起，制造出满足客户个性化需求的金属材质艺术铸品，解决了现有单件艺术铸品生产工艺周期长、成本高等问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，包括以下操作步骤，
步骤（1）获取多组艺术铸品三维模型数据，根据三维模型数据获得三维图形；
步骤（2）采用熔融沉积FDM技术打印三维模型，设置3D模样打印的填充密度为7%—11%，获得多个3D打印模样，3D模样打印材质为PLA材料或ABS树脂；
步骤（3）在每个3D模样上设置大于等于一个出气孔，出气孔的直径为6—8mm；
步骤（4）制造型壳：
将电热刀放置在蜡质浇注系统的表面使其熔化并与3D模样连接，然后采用电热刀修整3D模样与蜡质浇注系统的结合端，使蜡质浇注系统与3D模样表面紧贴，最后在3D模样表面挂砂、挂涂料，在3D模样表面形成型壳；
步骤（5）脱掉蜡质浇注系统的蜡
步骤（6）：焙烧脱3D模样的PLA材料或ABS树脂；
步骤（7）：熔炼浇注；
修补出气孔处砂壳，焙烧型壳，向型壳内浇注熔炼的金属液。
本发明技术方案中，发明人采用开源软件MeshMixer 编辑艺术铸品三维模型参数，如在3D打印设备中设置每组三维模型参数的填充密度、打印速度等，可编辑出多组艺术铸品三维模型数据，根据三维模型数据获得多个三维图形，将多个三维图形通过3D打印设备打印，获得多个艺术铸品3D模样。将多个艺术铸品模样同时送往工厂加工，依次进行制造型壳、脱蜡质浇注系统的蜡、焙烧脱掉3D模样PLA材料或ABS树脂、熔炼浇注。其中经脱蜡质浇注系统的蜡、焙烧脱掉3D模样PLA材料或ABS树脂后，将采用FDM技术打印出3D模样、以及蜡质浇注系统均焙烧掉，形成与3D模样形状相同的空型壳。熔炼浇注具体操作方法是将熔炼的金属液浇注在空型壳内。
现有技术中，熔模铸造的工艺流程是：制定工艺包括设计工艺方案和工艺参数—制作压型—蜡模—焊接—制造型壳包括挂砂和脱蜡—浇注—冷却—清理—检测。试生产中，如果检测后铸件不合格，则需要修改工艺方案与工艺参数不合适，送模具厂修改压型，再次进行上述循环，费时费力，影响了企业快速响应市场需求。
发明人针对上述缺陷利用开源软件绘制或编辑三维图形，设计多组三维模型数据，生成3D打印代码，并优选设置采用熔融沉积FDM打印时3D模样的填充密度，打印速度，然后打印，确保3D模样的质量，将多个艺术铸品模样分别在表面设置出气孔、制造制壳、脱蜡质浇注系统中的蜡、焙烧脱PLA/ABS等工序处理，最终选择成品成型最佳、表面平整的艺术铸品三维模型数据作为生产艺术铸品的三维模型数据。
从上述分析可知，本技术方案所述的单件铸钢件艺术铸品的工艺方法，极大的缩短了从接受订单到交付工艺品成品的时间，一般只要5-7天。且获得的工艺品成型性好，表面平整，能够更好的满足客户的个性化需求。
本技术方案中采用的3D打印技术属于增材制造方法，原材料利用率高、单件成本与生产批量无关。目前，主要的3D打印技术有熔融沉积FDM，选择性激光烧结SLS，立体印刷SLA，三维打印3DP等，其中FDM技术的设备与原材料价格便宜、成型时间短、成品的精度应满足使用要求，成为人们的精选。本发明所述操作方法，极大缩短了艺术铸品成品的生产时间，由原来的3—4周，缩短为5—7天，降低生产成本。
本技术方案中3D打印获得3D模样的具体流程为：获得三维图形、打印前检查、生成3D打印代码，打印与后处理。
其中，步骤（2）中设置3D打印软件打印三维图形时，在打印软件中设置3D模样填充密度为7%—11% 。
本技术方案中，采用熔融沉积FDM技术打印艺术铸品。熔融沉积的工作原理为：直径为1.75mm材料ABS/PLA经过喷头后发生2个变化：直径变细、固态变成了熔融态。工作时，喷头在XY平面内做水平运动，打印完一层后，向Z方向运行，逐层打印得到成型件。
打印过程中设置3D打印参数的填充密度为7—11%，该填充密度表示所打印的工艺品模样所用材料的量。工艺品的模样为层层喷料堆叠而成的实物，如果填充密度设置较高，则浪费了较多原材料和时间，如果填充密度设置较低，则打印出的模样因支撑力不够无法成型。优选，填充密度为7—11%，打印机喷头不需花较多时间来打印模样的内部结构，打印速度得到提高，且同时节省打印机所用PLA/ABS材料，不影响3D打印机的精度，利于工艺品模样成型。
其中，在本技术方案中在每个3D模样上设置大于等于一个出气孔，出气孔的设置将3D模样内部与外界连通，便于快速将后续脱蜡质浇注系统中的蜡、焙烧3D模样的PLA/ABS，产生的液体流出，产生的烟气或液体迅速排出，同时缓解进入3D模样内部气体产生的气压，防止压力过大胀坏型壳。出气孔直径为6—8mm，对出气孔直径的选择，出气孔直径较大则制造的型壳垮塌，较小则通气作用差。
其中，在制造型壳的具体操作中，电热刀放置在蜡质浇注系统的表面，使蜡质浇注系统与电热刀接触面发生熔化，熔化的蜡具有粘性，可将3D模样与蜡质浇注系统粘接在一起，蜡质浇注系统紧贴在3D模样表面。在3D模样与蜡质浇注系统的结合端出现不平整的地方，可采用电热刀进行修整使表面相对平整，预防在对3D型壳挂砂、挂涂层时，表面出现凹凸不平整之处，影响型壳的表面平整性，最终确保铸造出的艺术铸品表面平整。
其中蜡质浇注系统为由浇口盆、直浇道、横浇道、内浇道中的至少一种组成的结构，且该结构及其作用为本领域的公知常识，不再详述。
在蜡质浇注系统上可粘接多个3D模样，形成模组，然后根据3D模样的质量确定挂砂、挂涂料的层数，在蜡质浇注系统、3D模样外表面挂一层型壳，且与3D模样一致。其中，挂砂为耐火材料，高温下，蜡质浇注系统的蜡、3D模样的PLA/ABS容易被熔化，而耐火材料形成型壳保持原状。
优选，所述步骤（2）通过3D打印设备打印三维模型，打印速度小于等于50mm/s，温度195—210℃。这里对3D打印机打印速度的限制，可避免打印速度过快，3D模样单位表面的PLA/ABS支撑力较弱，不易成型；打印速度过慢，3D模样的打印质量较差，浪费PLA/ABS材料，增加了脱PLA/ABS时的发气量，容易造成型壳破裂，影响艺术品表面质量。
具体对打印温度的设置，使打印3D模样采用的PLA/ABS呈熔融状态，如本技术方案采用的打印材质为PLA，设置打印温度确保PLA材质处熔融状态。
优选，所述步骤（2）三维模型打印采用分块打印，3D模样之间通过连接件粘接。针对铸造的艺术铸品形状较为复杂，一次打印不便于操作的情况，可采用分块打印，然后将打印的各个部分连接在一起。3D模样之间可通过连接件连接，连接件具体可为U形卡口或卡槽。
优选，所述步骤（3）中出气孔为粘接蜡棒，其按3D模样表面积每50—80mm2设置一个分布，3D模样表面出气孔之间的距离为50—60mm。
在3D模样上设置的出气孔位置，根据3D模样的大小及形状确定，3D模样质量在100g以内的，按表面积每50 mm2设置一个出气孔，出气孔直径为6mm；3D模样质量大于100g的，按表面积每80 mm2设置一个出气孔，出气孔直径为8mm。
优选，所述出气孔的长度为5—8mm，出气孔与蜡质浇注系统的内浇道之间的距离大于等于30mm。
优选，所述步骤（4）制造型壳操作中，电热刀放置在蜡质浇注系统表面的时间为3-5s；将经电热刀熔化处理后的蜡质浇注系统按压在3D模样表面3-5s。
电热刀放置在蜡质浇注系统表面的时间不宜过长，时间能够保证蜡质浇注系统的蜡能够熔化，将蜡质浇注系统与3D模样连接，并将蜡质浇注系统按压在3D模样上，使3D模样与蜡质浇注系统紧密连接。
其中，电热刀的结构及其作用为所属领域的公知常识，不再详述。
优选，所述步骤（4）挂砂的具体操作方法为，根据3D模样质量确定挂砂层数，3D模样质量小于30g挂砂4层半，3D模样质量30g—80g挂砂5层半，3D模样质量80g—210g挂砂6层半，3D模样质量大于210g挂砂7层半。
优选，所述在步骤（5）脱蜡质浇注系统的蜡操作之前，去除出气孔底部外层砂壳，使出气孔外露。
优选，所述步骤（5）脱蜡质浇注系统的蜡操作具体方法为，将3D模样采用置于高压蒸汽釜内，168℃下放置8min，冷却，封闭出气孔底部外壳；步骤（6）焙烧3D模样具体操作方法为：将经高压蒸汽釜处理后的3D模样置于焙烧炉中焙烧，焙烧炉起始温度为350℃—370℃，维持大于等于40min，然后按每10分钟升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙烧，然后开始往型壳内浇注熔炼的金属液，形成金属材质的艺术铸品。
该方法主要针对3D模样质量小于100g以下，先后依次进行脱蜡质浇注系统的蜡、3D模样PLA/ABS，第一步在高压蒸汽釜内脱蜡，可对脱掉的蜡进行回收，实现资源充分利用。
优选，所述步骤（6）焙烧脱PLA/ABS的操作方法为：将3D模样置于焙烧炉中焙烧，入炉温度大于等于450℃，保持大于等于40min，然后按每10分钟升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙烧。
该操作方法主要针对3D模样质量大于100g以上。质量大于100g以上的3D模样直接置于焙烧炉中进行焙烧，可同时脱掉蜡浇注系统的蜡和3D模样PLA/ABS。
出炉后，采用修补膏修补出气孔底部，修补时间小于等于5s，并用天然气烘烤修补端，然后开始浇注金属液。其中，对出气孔底部进行修补，形成完整型壳，避免浇注的艺术铸品外形出现出气孔形状。采用天然气浇注对修补膏修补之处进行固化定型。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
（1）本发明采用开源软件绘制或编辑三维图形，生成3D打印代码，利用FDM技术打印3D模样，选择熔模铸造生产的铸件，通过制造型壳和脱蜡质浇注系统的蜡、焙烧PLA/ABS等处理，制造出满足客户个性化需求的金属材质艺术铸品。
（2）本发明所述单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，将3D打印技术和传统熔模铸造方法相结合，打印出多组3D模样，每组3D模样分别进行制造型壳、脱掉蜡质浇注系统的蜡、焙烧3D模样PLA/ABS、熔炼浇注金属液等处理，然后选择最终制作的满足要求的合格成品的3D模样尺寸，作为批量生产模型参数，整个操作工艺极大的降低生产周期和费用，可快速响应市场、生产出价格低廉的金属材质的单件艺术铸品。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其主要操作步骤和要点如下：
步骤（1）获取多组艺术铸品三维模型数据，根据三维模型数据获得三维图形；
与常规熔模铸造的方式不同，本实施例所述的金属材质的艺术铸品不需要制作零件的蜡型，也不需要制作压型，只需要通过开源软件MeshMixer编辑或绘制多组三维模型，获取多组三维模型数据。可知，获取三维模型数据的主要方式是通过设计人员正向设计或通过对现有工艺品结构进行逆向测量获得，然后该数据基础上，通过开源软件设计出多组三维模型，得到多组三维模型数据；
步骤（2）采用熔融沉积FDM技术打印三维模型，设置3D模样打印的填充密度为7%—11%，获得多个3D打印模样，3D模样打印材质为PLA材料或ABS树脂；
在开源软件MeshMixer内绘制或编辑获得的多个三维图形，生成3D打印代码，采用熔融沉积技术打印3D模样。
在打印过程中，关键点是对3D打印参数进行处理设置，如打印圆角、不打印部分进行填补等，根据浇注的金属种类，确定金属液的收缩量，根据金属液的收缩量，确定三维数模结构需要整体放大的比例，实现精确控制3D打印的模样尺寸。
在生成3D打印代码时，合理设置打印速度，打印速度小于等于50mm/s，温度195—210℃。较慢则3D模样表面质量高，较快则表面质量差；
合理设置3D打印软件的3D模样的填充密度，优为7%—11%，确保喷头不花较多时间来打印模样的内部结构，且打印速度快，节约打印艺术铸品所用材料，不影响3D打印机的精度，最大限度利于工艺品模样成型，从而获得到多个工艺品模样。
本实施例中打印采用熔融沉积技术，工艺品模样打印是采用的打印材料为热熔性塑料ABS或可食用材料PLA。
步骤（3）在每个3D模样上设置大于等于一个出气孔，出气孔的直径为6—8mm；
3D模样质量小于100g，按表面积每50mm2设置一个出气孔，出气孔直径为6mm；
3D模样质量大于100g，按表面积每80mm2设置一个出气孔，出气孔直径为8mm；
出气孔为粘接蜡棒，直径为6mm，其长度为5—6mm；
出气孔为粘接蜡棒，直径为8mm，其长度为6—8mm；
若设置多个出气孔，则每两个出气孔在艺术铸品表面相互之间距离为50—60mm。
步骤（4）制造型壳：
一般平板类艺术铸品采用阶梯注入式浇注系统，其余均采用顶注式浇注系统，而本实施例中采用蜡质浇注系统，具体操作方法为：
将电热刀放置在蜡质浇注系统的表面使其熔化并与3D模样连接，然后采用电热刀修整3D模样与蜡质浇注系统的结合端，使蜡质浇注系统与3D模样表面紧贴，最后在3D模样表面挂砂、挂涂料，外表面形成空型壳；
所述步骤（4）制造型壳操作中，电热刀放置在蜡质浇注系统表面的时间为3-5s；将经电烙铁熔化处理后的蜡质浇注系统按压在3D模样表面3-5s。
根据3D模样质量确定挂砂层数，3D模样质量小于30g挂砂4层半，3D模样质量30g—80g挂砂5层半，3D模样质量80g—210g挂砂6层半，3D模样质量大于210g挂砂7层半。
步骤（5）脱掉蜡质浇注系统的蜡；
步骤（6）焙烧脱掉3D模样的PLA/ABS；
所述步骤（5）脱蜡浇注系统的蜡操作之前需要消除出气孔底部外层砂壳。
将小于100g的3D模样采用在高压蒸汽釜内脱蜡，具体步骤为，168℃下放置8min，冷却，封闭出气孔底部外壳，然后将将小于100g的3D模样送入焙烧炉中焙烧，焙烧程序为：大于等于450℃，保持大于等于40min，然后按每10分钟升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙烧。
将大于100g以上的3D模样置于焙烧炉中焙烧，焙烧程序为：大于等于450℃，保持大于等于40min，然后按每10分钟升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙烧出炉。
以上焙烧脱PLA/ABS的完全根据3D模样的质量选择不同的焙烧程序，可回收蜡，在节约能源的同时，可达到完全焙烧3D模样PLA/ABS的效果。
焙烧出炉后，可采用修补膏修补出气孔底部，操作时间小于5s，然后采用天然气烘烤出气孔底部的修补处。
修补膏具体配方为面层涂料0.1Kg、锆砂1.9Kg，在SHY混砂机中混碾大于等于5小时，即得。
步骤（7）：熔炼浇注：
修补出气孔处砂壳，焙烧型壳，向型壳内浇注熔炼的金属液。
该工序与常规熔模铸造相同，浇注前用手砂轮机取出浇注孔形成的空腔所在外表面的孔结构，防止浇注的金属液泄露，用压缩空气取出铸造的工艺品型壳内部残留的灰分，加热到浇注金属要求的预热温度浇注。
这里的金属液可为废弃的金属锭、含杂质的合金等，将其熔炼为金属液，浇注到型壳内，完成艺术铸品的铸造，对废弃含金属物质的回收，实现资源回收再利用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：包括以下操作步骤，
步骤（1）获取多组艺术铸品三维模型数据，根据三维模型数据获得三维图形；
步骤（2）采用熔融沉积FDM技术打印三维模型，设置3D模样打印的填充密度为7%—11%，获得多个3D打印模样，3D模样打印材质为PLA材料或ABS树脂；
步骤（3）在每个3D模样上设置大于等于一个出气孔，出气孔的直径为6—8mm；
步骤（4）制造型壳：
将电热刀放置在蜡质浇注系统的表面使其熔化并与3D模样连接，然后采用电热刀修整3D模样与蜡质浇注系统的结合端，使蜡质浇注系统与3D模样表面紧贴，最后在3D模样表面挂砂、挂涂料，在3D模样表面形成型壳；
步骤（5）脱掉蜡质浇注系统的蜡；
步骤（6）：焙烧脱3D模样的PLA材料或ABS树脂；
步骤（7）：熔炼浇注；
修补出气孔处砂壳，焙烧型壳，向型壳内浇注熔炼的金属液。
2.根据权利要求1所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述步骤（2）打印三维模型，打印速度小于等于50mm/s，温度195—210℃。
3.根据权利要求2所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述步骤（2）打印三维模型采用分块打印，3D模样之间通过连接件粘接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述步骤（3）中出气孔为粘接蜡棒，其按3D模样表面积每50—80mm2设置一个分布，3D模样表面出气孔之间的距离为50—60mm。
5.根据权利要求4所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述出气孔的长度为5—8mm，出气孔与蜡质浇注系统的内浇道之间的距离大于等于30mm。
6.根据权利要求5所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述步骤（4）制造型壳操作中，电热刀放置在蜡质浇注系统表面的时间为3-5s；将经电热刀熔化处理后的蜡质浇注系统按压在3D模样表面3-5s。
7.根据权利要求6所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述步骤（4）挂砂的具体操作方法为，根据3D模样质量确定挂砂层数，3D模样质量小于30g挂砂4层半，3D模样质量30g—80g挂砂5层半，3D模样质量80g—210g挂砂6层半，3D模样质量大于210g挂砂7层半。
8.根据权利要求6所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述在步骤（5）脱蜡质浇注系统的蜡操作之前，去除出气孔底部外层砂壳，使出气孔外露。
9.根据权利要求8所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述步骤（5）脱掉蜡质浇注系统的蜡操作具体方法为，将3D模样采用置于高压蒸汽釜内，168℃下放置8min，冷却，封闭出气孔底部外壳；步骤（6）焙烧3D模样具体操作方法为：将经高压蒸汽釜处理后的3D模样置于焙烧炉中焙烧，焙烧炉起始温度为350℃—370℃，维持大于等于40min，然后按每10分钟升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙烧。
10.根据权利要求8所述的一种单件铸钢件艺术铸品的快速熔模铸造方法，其特征在于：所述步骤（6）焙烧脱3D模样的具体操作方法为，将3D模样置于焙烧炉中焙烧，入炉温度大于等于450℃，保持大于等于40min，然后按每10分钟升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙烧。
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