CN107096882A - 基于3d打印的铸造用模具及该模具的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于3D打印的铸造用模具，包括由3D打印得到的部件Ⅰ和部件Ⅱ，部件Ⅰ和部件Ⅱ的空腔由外向内依次填充有树脂纤维层、纤维层和发泡层；其制备方法包括（一）建模，将模型切分为通过燕尾槽连接的若干个部件；（二）用3D打印机打印得到若干个中空结构的部件；（三）在每个部件的平面处加工灌注开口；（四）向部件的空腔填充缓干树脂与强化纤维的混合物；（五）向部件的空腔加入玻璃纤维；（六）向部件的空腔注入发泡材料；（七）将若干个部件通过燕尾槽连接；（八）用A/B胶对燕尾槽缝隙进行填补，后涂覆环氧树脂，再进行打磨抛光。本发明具有精度高、制备周期短、重量轻、模具强度高、生产成本低等优点。

Description

基于3D打印的铸造用模具及该模具的制备方法

技术领域

本发明属于模具技术领域，涉及一种铸造用模具，特别涉及一种基于3D打印的铸造用模具及该模具的制备方法。

背景技术

铸造模具是指为了获得零件的结构形状，预先用其他容易成型的材料做成零件的结构形状，然后再在砂型中放入模具，于是砂型中就形成了一个和零件结构尺寸一样的空腔，再在该空腔中浇注流动性液体，该液体冷却凝固之后就能形成和模具形状结构完全一样的零件。铸造模具常采用金属模型或木模型，它们的特点如下：

1. 金属模型通常采用机械自动化加工，加工精度高、加工周期短，但存在模型重量大、搬运困难以及制作成本高等缺点；

2. 木模型的制作通常都是靠人工手工制作，通过剪纸样，量尺寸，做一步，测一步，效率非常低，只要某一步骤制作出现误差，就会导致整个木模型报废，需重头再来；若模型存在复杂的曲面，对木模师傅的技术和经验要求非常高，很难做到制作的木模型的曲面与模具要求的曲面完全一致，产品的质量得不到保证，故铸造用的木模型存在精度差、加工效率低、对工人要求高和周期长等缺点。

3D打印技术是快速成型技术的一种，原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干平面切片，然后将3D打印材料按切片图形逐层叠加，最终叠积成完整的物体，目前3D打印技术广泛应用于各个领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于3D打印的铸造用模具及该模具的制备方法，该铸造用模具采用3D打印技术生产加工而成，并在3D打印而成的模具内部填充多层复合材料，制备方法简单，具有加工精度高、加工周期短、重量轻、模具强度高、生产成本低、产品质量容易保证等优点，有效的解决了现有技术存在的问题。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种基于3D打印的铸造用模具，包括由3D打印得到的部件Ⅰ和部件Ⅱ，所述部件Ⅰ和部件Ⅱ通过燕尾槽连接为一体；所述部件Ⅰ和部件Ⅱ均为空腔结构，且部件Ⅰ和部件Ⅱ的平面处设有灌注开口，所述部件Ⅰ和部件Ⅱ的空腔由外向内依次填充有树脂纤维层、纤维层和发泡层。

本发明的进一步技术方案是：所述部件Ⅰ和部件Ⅱ的3D打印材料为PLA或ABS材料，且打印材料热软化温度大于80℃；所述部件Ⅰ和部件Ⅱ的外表面还涂覆有环氧树脂或聚脲涂料。

本发明的进一步技术方案是：所述树脂纤维层为缓干树脂与强化纤维的混合物，其中缓干树脂为1~20重量份，强化纤维为1~5重量份；所述纤维层是玻璃纤维或碳纤维；所述发泡层是聚氨酯发泡胶。

本发明的进一步技术方案是：所述树脂纤维层的厚度为0.5~2mm；所述缓干树脂为环氧树脂或聚氨酯树脂添加缓干剂配制而成，其凝胶时间为5~10分钟，凝固硬化时间大于30分钟；所述强化纤维是玻璃纤维或碳纤维，纤维长度为2~10mm。

本发明的进一步技术方案是：所述聚氨酯发泡胶的发泡倍数为8~15倍。

本发明的另一技术方案是：一种基于3D打印的铸造用模具的制备方法，包括以下步骤：

（一）使用建模软件进行建模得到铸造模具的整体模型，将该整体模型切分为通过燕尾槽连接的若干个部件，并将若干个部件分别导出为STL格式文件；

（二）将STL格式文件分别导入切片软件中进行切片处理，用3D打印机分别打印切片数据，得到若干个中空结构的部件；

（三）在步骤（二）所得的每个部件的平面处加工一个直径为10~20mm的灌注开口，并在每个部件气体不容易流到的死角部位加工直径为1~5mm的通气孔；

（四）分别通过灌注开口向步骤（三）所得部件的空腔内填充缓干树脂与强化纤维的混合物，并摇动部件，使部件内壁均匀粘附一层树脂纤维层，后将多余的混合物倒出；

（五）分别通过灌注开口向步骤（四）所得部件的空腔内加入玻璃纤维或碳纤维，使部件内的树脂纤维层表面沾上长短不一的玻璃纤维或碳纤维，形成纤维层；

（六）分别通过灌注开口向步骤（五）所得部件的空腔内注入发泡材料，发泡材料膨胀后与纤维层以及树脂纤维层紧密的贴合在一起，形成发泡层，待发泡材料冷却硬化后，再将灌注开口和通气孔表面刮平，得到若干个部件产品；

（七）将步骤（六）所得的若干个部件产品通过燕尾槽连接，形成铸造模具的整体模型产品；

（八）用A/B胶对步骤（七）所得的整体模型产品的燕尾槽缝隙处进行填补，后在整体模型产品的外表面涂覆环氧树脂或聚脲涂料，再对环氧树脂或聚脲涂料层进行打磨抛光处理。

本发明的进一步技术方案是：在步骤（四）中，所述树脂纤维层由1~20重量份缓干树脂以及1~5重量份强化纤维混合而成，且所述树脂纤维层的厚度为0.5~2mm；所述缓干树脂为环氧树脂或聚氨酯树脂添加缓干剂配制而成，其凝胶时间为5~10分钟，凝固硬化时间大于30分钟；所述强化纤维是玻璃纤维或碳纤维，纤维长度为2~10mm。

本发明的进一步技术方案是：在步骤（五）中，通过压缩空气将玻璃纤维或碳纤维吹入部件的空腔内。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤（五）和步骤（六）均在步骤（四）的树脂纤维层尚未凝固前进行。

本发明的进一步技术方案是：在步骤（六）中，向部件的内部空腔注入发泡材料时，发泡材料填充满整个部件内腔，并对部件外表面进行降温；所述发泡材料是聚氨酯发泡胶，且所述聚氨酯发泡胶的发泡倍数为8~15倍。

本发明基于3D打印的铸造用模具及该模具的制备方法具有如下有益效果：

1.本发明一种基于3D打印的铸造用模具，其模具壳体采用3D打印技术生产加工而成，并在3D打印而成的模具内部填充树脂纤维层、纤维层和发泡层，采用发泡材料将部件的空腔填充满，不仅能增加部件的硬度及强度，还能大大的降低模具的重量；另外，树脂纤维层和发泡层之间还填充有纤维层，纤维层的强化纤维可以进一步增加部件的硬度及强度，使得模具部件的强度和硬度都接近木质材料、甚至金属材料的强度和硬度；其制备方法简单，具有加工精度高、加工周期短、重量轻、模具强度高、生产成本低、产品质量容易保证等优点；

2.制备部件时，在部件的外表面还涂覆有环氧树脂或聚脲涂料，并对该环氧树脂或聚脲涂料层进行打磨抛光处理；由于在3D打印部件时，打印材料按切片图形逐层叠加，各层之间的连接强度较弱，涂覆环氧树脂或聚脲涂料后，可有效增强部件的表面强度，同时还可降低表面粗糙度，提高铸件的表面质量；

3.本发明的灌注开口设置在部件的平面处，在向空腔内填充复合材料后，易于对灌注开口处进行刮平和打磨处理；

4.本发明的铸造用模具在部件气体不容易流到的死角部位加工有通气孔，在使用压缩空气将玻璃纤维或碳纤维吹入部件的空腔内时，压缩空气可以顺利的带动玻璃纤维或碳纤维对部件内腔的死角进行填充，保证纤维的填充厚度均匀。

下面结合附图和实施例对本发明基于3D打印的铸造用模具及该模具的制备方法作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明一种基于3D打印的铸造用模具的结构示意图；

图2是图1所示的部件的截面剖视图；

附图标号说明：1-部件Ⅰ，2-部件Ⅱ，3-灌注开口，4-燕尾槽，5-树脂纤维层，6-纤维层，7-发泡层。

具体实施方式

实施例1：

如图1、图2所示，本发明一种基于3D打印的铸造用模具，包括由3D打印得到的部件Ⅰ1和部件Ⅱ2，本发明部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的3D打印材料为PLA或ABS材料，且打印材料热软化温度大于80℃；所述部件Ⅰ1和部件Ⅱ2通过燕尾槽4连接为一体。

本发明的部件Ⅰ1和部件Ⅱ2均为空腔结构，且部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的平面处设有灌注开口3，通过灌注开口3依次向部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的空腔内填充树脂纤维层5、纤维层6和发泡层7。灌注开口3设置在部件的平面处，在向空腔内填充复合材料后，易于对灌注开口3处进行打磨处理。

本实施例中，所述树脂纤维层5为缓干树脂与强化纤维的混合物，其中缓干树脂为1~20重量份，强化纤维为1~5重量份；并且，树脂纤维层5的厚度通常为0.5~2mm。本发明的缓干树脂为环氧树脂或聚氨酯树脂添加缓干剂配制而成，也可直接购买市面上的缓干树脂产品，其凝胶时间为5~10分钟，凝固硬化时间大于30分钟；与缓干树脂混合的强化纤维是玻璃纤维或碳纤维，且纤维长度为2~10mm。在本实施例中，树脂纤维层5由10重量份的缓干树脂与1重量份的强化纤维混合形成，当然，缓干树脂与强化纤维的重量份数比也可根据实际需要选择配制。

所述纤维层6是玻璃纤维或碳纤维；通过压缩空气将玻璃纤维或碳纤维吹入部件的空腔内，使部件内的树脂纤维层5表面沾上长短不一的玻璃纤维或碳纤维。

所述发泡层7是聚氨酯发泡胶，聚氨酯发泡胶膨胀后给纤维层6施加压力，将树脂纤维层5压实，并与纤维层6紧密的贴合在一起，形成发泡层7。本实施例的聚氨酯发泡胶的发泡倍数为8~15倍，采用发泡材料将部件的空腔填充满，不仅能增加部件的硬度及强度，还能大大的降低模具的重量；另外，树脂纤维层5和发泡层7之间还填充有纤维层6，纤维层6的强化纤维可以进一步增加部件的硬度及强度，使得模具部件的强度和硬度都接近木质材料、甚至金属材料的强度和硬度。

在本实施例中，向部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的空腔内填充上述复合材料后，还在部件Ⅰ1和部件Ⅱ2的外表面涂覆环氧树脂或聚脲涂料，后进行打磨抛光处理。由于部件Ⅰ1和部件Ⅱ2为3D打印制成，3D打印时，打印材料按切片图形逐层叠加，各层之间的连接强度较弱，涂覆环氧树脂或聚脲涂料后，可有效增强部件的表面强度，同时还可降低表面粗糙度，提高铸件的表面质量。

实施例2：

一种实施例1所述的基于3D打印的铸造用模具的制备方法，包括以下步骤：

（一）使用建模软件进行建模得到铸造模具的整体模型，将该整体模型切分为通过燕尾槽连接的若干个部件，并将若干个部件分别导出为STL格式文件；

（二）将STL格式文件分别导入切片软件中进行切片处理，用3D打印机分别打印切片数据，得到若干个中空结构的部件；

（三）在步骤（二）所得的每个部件的平面处加工一个直径为10~20mm的灌注开口，并在每个部件气体不容易流到的死角部位加工直径为1~5mm的通气孔；

（四）分别通过灌注开口向步骤（三）所得部件的空腔内填充缓干树脂与强化纤维的混合物，并摇动部件，使部件内壁均匀粘附一层树脂纤维层，后将多余的混合物倒出；

（五）分别通过灌注开口向步骤（四）所得部件的空腔内加入玻璃纤维或碳纤维，使部件内的树脂纤维层表面沾上长短不一的玻璃纤维或碳纤维，形成纤维层；

（六）分别通过灌注开口向步骤（五）所得部件的空腔内注入发泡材料，发泡材料膨胀后与纤维层以及树脂纤维层紧密的贴合在一起，形成发泡层，待发泡材料冷却硬化后，再将灌注开口和通气孔表面刮平，得到若干个部件产品；

（七）将步骤（六）所得的若干个部件产品通过燕尾槽连接，形成铸造模具的整体模型产品；

（八）用A/B胶对步骤（七）所得的整体模型产品的燕尾槽缝隙处进行填补，后在整体模型产品的外表面涂覆环氧树脂或聚脲涂料，再对环氧树脂或聚脲涂料层进行打磨抛光处理。由于部件在3D打印时，打印材料按切片图形逐层叠加，各层之间的连接强度较弱，涂覆环氧树脂或聚脲涂料后，可有效增强部件的表面强度，同时还可降低表面粗糙度，提高铸件的表面质量。

在本实施例的步骤（四）中，所述树脂纤维层由1~20重量份缓干树脂以及1~5重量份强化纤维混合而成，且所述树脂纤维层的厚度为0.5~2mm；所述缓干树脂为环氧树脂或聚氨酯树脂添加缓干剂配制而成，其凝胶时间为5~10分钟，凝固硬化时间大于30分钟；所述强化纤维是玻璃纤维或碳纤维，纤维长度为2~10mm。

在步骤（五）中，通过压缩空气将玻璃纤维或碳纤维吹入部件的空腔内，由于在部件气体不容易流到的死角部位加工有通气孔，使得压缩空气可以顺利的带动玻璃纤维或碳纤维对部件内腔的死角进行填充，保证纤维的填充厚度均匀。

所述步骤（五）和步骤（六）均在步骤（四）的树脂纤维层尚未凝固前进行。

在步骤（六）中，向部件的内部空腔注入发泡材料时，发泡材料填充满整个部件内腔，并对部件外表面进行降温，以防止部件外壳变形融化，避免烧坏部件壳体。该步骤所述的发泡材料是聚氨酯发泡胶，且所述聚氨酯发泡胶的发泡倍数为8~15倍。

采用发泡材料将部件的空腔填充满，不仅能增加部件的硬度及强度，还能大大的降低模具的重量；另外，树脂纤维层和发泡层之间还填充有纤维层，纤维层的强化纤维可以进一步增加部件的硬度及强度，使得模具部件的强度和硬度都接近木质材料、甚至金属材料的强度和硬度。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，本发明的结构并不限于上述实施例列举的形式，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于3D打印的铸造用模具，包括由3D打印得到的部件Ⅰ（1）和部件Ⅱ（2），所述部件Ⅰ（1）和部件Ⅱ（2）通过燕尾槽（4）连接为一体；其特征在于，所述部件Ⅰ（1）和部件Ⅱ（2）均为空腔结构，且部件Ⅰ（1）和部件Ⅱ（2）的平面处设有灌注开口（3），所述部件Ⅰ（1）和部件Ⅱ（2）的空腔由外向内依次填充有树脂纤维层（5）、纤维层（6）和发泡层（7）。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的铸造用模具，其特征在于，所述部件Ⅰ（1）和部件Ⅱ（2）的3D打印材料为PLA或ABS材料，且打印材料热软化温度大于80℃；所述部件Ⅰ（1）和部件Ⅱ（2）的外表面还涂覆有环氧树脂或聚脲涂料。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的铸造用模具，其特征在于，所述树脂纤维层为缓干树脂与强化纤维的混合物，其中缓干树脂为1~20重量份，强化纤维为1~5重量份；所述纤维层是玻璃纤维或碳纤维；所述发泡层是聚氨酯发泡胶。

4.根据权利要求3所述的基于3D打印的铸造用模具，其特征在于，所述树脂纤维层的厚度为0.5~2mm；所述缓干树脂为环氧树脂或聚氨酯树脂添加缓干剂配制而成，其凝胶时间为5~10分钟，凝固硬化时间大于30分钟；所述强化纤维是玻璃纤维或碳纤维，纤维长度为2~10mm。

5.根据权利要求3所述的基于3D打印的铸造用模具，其特征在于，所述聚氨酯发泡胶的发泡倍数为8~15倍。

6.一种基于3D打印的铸造用模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（一）使用建模软件进行建模得到铸造模具的整体模型，将该整体模型切分为通过燕尾槽连接的若干个部件，并将若干个部件分别导出为STL格式文件；

（二）将STL格式文件分别导入切片软件中进行切片处理，用3D打印机分别打印切片数据，得到若干个中空结构的部件；

（三）在步骤（二）所得的每个部件的平面处加工一个直径为10~20mm的灌注开口，并在每个部件气体不容易流到的死角部位加工直径为1~5mm的通气孔；

（四）分别通过灌注开口向步骤（三）所得部件的空腔内填充缓干树脂与强化纤维的混合物，并摇动部件，使部件内壁均匀粘附一层树脂纤维层，后将多余的混合物倒出；

（五）分别通过灌注开口向步骤（四）所得部件的空腔内加入玻璃纤维或碳纤维，使部件内的树脂纤维层表面沾上长短不一的玻璃纤维或碳纤维，形成纤维层；

（六）分别通过灌注开口向步骤（五）所得部件的空腔内注入发泡材料，发泡材料膨胀后与纤维层以及树脂纤维层紧密的贴合在一起，形成发泡层，待发泡材料冷却硬化后，再将灌注开口和通气孔表面刮平，得到若干个部件产品；

（七）将步骤（六）所得的若干个部件产品通过燕尾槽连接，形成铸造模具的整体模型产品；

（八）用A/B胶对步骤（七）所得的整体模型产品的燕尾槽缝隙处进行填补，后在整体模型产品的外表面涂覆环氧树脂或聚脲涂料，再对环氧树脂或聚脲涂料层进行打磨抛光处理。

7.根据权利要求6所述的基于3D打印的铸造用模具的制备方法，其特征在于，在步骤（四）中，所述树脂纤维层由1~20重量份缓干树脂以及1~5重量份强化纤维混合而成，且所述树脂纤维层的厚度为0.5~2mm；所述缓干树脂为环氧树脂或聚氨酯树脂添加缓干剂配制而成，其凝胶时间为5~10分钟，凝固硬化时间大于30分钟；所述强化纤维是玻璃纤维或碳纤维，纤维长度为2~10mm。

8.根据权利要求6所述的基于3D打印的铸造用模具的制备方法，其特征在于，在步骤（五）中，通过压缩空气将玻璃纤维或碳纤维吹入部件的空腔内。

9.根据权利要求6所述的基于3D打印的铸造用模具的制备方法，其特征在于，所述步骤（五）和步骤（六）均在步骤（四）的树脂纤维层尚未凝固前进行。

10.根据权利要求6或9所述的基于3D打印的铸造用模具的制备方法，其特征在于，在步骤（六）中，向部件的内部空腔注入发泡材料时，发泡材料填充满整个部件内腔，并对部件外表面进行降温；所述发泡材料是聚氨酯发泡胶，且所述聚氨酯发泡胶的发泡倍数为8~15倍。