CN107127306B - 一种3d打印精密铸造模壳的装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种3D打印精密铸造模壳的装置及使用方法，包括：计算机及控制系统、移动装置、溶液喷射系统、烘干系统、加粉盒、补粉盒和成形台；计算机及控制系统分别与移动装置、溶液喷射系统和烘干系统相连接；加粉盒和补粉盒设置在成形台上方，加粉盒、补粉盒和成形台之间相互独立，溶液喷射系统设置在加粉盒与烘干系统之间。与传统制作精密铸造模壳的先制作蜡模、再进行制壳方法相比，使用该装置进行精密铸造模壳的制造，能够在保证模壳强度和表面粗糙度的基础上，进一步缩短了制作周期，简化了制作工艺，减少了装置的总数量，而且向补粉盒中添加粉料更加方便，烘干过程与喷射过程同步进行进一步提高了模壳的制造效率。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域，涉及一种3D打印的装置及使用方法，尤其涉及一种3D打印精密铸造模壳的装置及使用方法。
背景技术
精密铸造模壳，是精密铸造过程用于金属液浇注的铸型，一般是完成铸件的熔模原型制造后，最后采用陶瓷型制壳工艺、逐层制壳工艺和硅溶胶制壳工艺等传统制壳工艺制造而成。目前，最快的精密铸造模壳的制作方法是先采用熔融沉积制造法（FDM）、选择性激光烧结法（SLS）和立体光刻法（SL）等3D打印技术快速制造出熔模原型后，再采用传统的制壳工艺制作精密铸造模壳，最后将铸模原型熔掉后得到精密铸造模壳。例如一种常用的快速制造蜡模精密铸造模壳方法如下：
1、快速制造蜡模：采用SLS技术快速制造PS模，然后在模样表面进行渗蜡处理得到表面光滑的蜡模；
2、传统模壳制作：通过复杂的传统制壳工艺，经过反复涂挂陶瓷浆料和烘干等过程在蜡模表面得到精密铸造模壳，该过程工艺繁琐，需要相关的精密铸造模壳成形设备；
3、脱蜡得到模壳：通过加热脱蜡处理得到空的精密铸造模壳。
以上过程首先利用3D打印技术快速制造出PS模后渗蜡得到蜡模，然后采用传统的制壳工艺进行精密铸造模壳的制作，最后将蜡模熔化后浇注得到铸件。这种制作精密铸造模壳的方法需要较多的设备和工序，例如3D打印机、渗蜡装置和传统的制壳装置等，而且精密铸造模壳的制作过程繁琐，制造周期较长。
目前采用的砂型砂芯成形装置，补粉装置与成形装置水平分布，成形区域仅占50%左右，成形范围受到限制，且不方便向设备中补充新的粉末；制造过程采用先成形后整体加热烘干的方法，制造效率较低。
发明内容
为了克服背景技术中所述的不足，本发明提供了一种3D打印精密铸造模壳的装置和方法，通过直接打印出精密铸造模壳，省去熔模的制作过程，节省设备和工序，缩短模壳制造周期。
为了实现本发明所述的发明目的，可通过以下技术方案来实现：
一种3D打印精密铸造模壳的装置，包括：计算机及控制系统、移动装置、溶液喷射系统、烘干系统、加粉盒、补粉盒和成形台；计算机及控制系统分别与移动装置、溶液喷射系统和烘干系统相连接；加粉盒和补粉盒设置在成形台上方，加粉盒、补粉盒和成形台之间相互独立，溶液喷射系统设置在加粉盒与烘干系统之间。
所述移动装置包括：加粉盒移动装置、溶液喷射系统移动装置和成形台底板升降装置；补粉盒包括：补粉固定盒、补粉活板和弹簧；成形台包括：成形台粉盒和成形台底板；加粉盒与加粉盒移动装置连接，加粉盒可通过加粉盒移动装置水平移动；溶液喷射系统移动装置固定在加粉盒上，溶液喷射系统通过溶液喷射系统移动装置与加粉盒连接，溶液喷射系统可通过溶液喷射系统移动装置水平移动；成形台底板与成形台底板升降装置连接，成形台底板可通过成形台底板升降装置上下移动，工作过程中加粉盒、补粉盒和成形台内部填充有精密铸造模壳粉末。
所述溶液喷射系统包括：溶液喷射喷头和陶瓷涂料容器；溶液喷射喷头与陶瓷涂料容器连接，陶瓷涂料容器内部填充有陶瓷涂料。
所述烘干系统为加热装置，烘干系统固定在加粉盒上。
所述的3D打印精密铸造模壳的装置，其使用方法如下：
【1】、铺平模壳粉末平面：在补粉盒中加入精密铸造模壳粉末，通过成形台底板升降装置将成形台底板升至距离加粉盒最底部2mm以上，加粉盒移动装置控制加粉盒向补粉盒方向移动，直至顶开补粉活板，补粉盒中的精密铸造模壳粉末向加粉盒内部补充，完成补粉过程；加粉盒背向补粉盒移动，部分活板在弹簧作用下关闭，加粉盒内部的精密铸造模壳粉末向成形台内部补充，完成加粉过程；接着，加粉盒向补粉盒方向移动，直至顶开补粉活板，再次进行补粉过程；通过几次循环的补粉和加粉过程，直至加粉盒将成形台上方的精密铸造模壳粉末铺成一个平面；
【2】、输入输出制壳参数：将三维实体模型输入至计算机及控制系统中，设置好移动装置的移动参数，开始进行第一个单层的制造，计算机及控制系统将第一个单层的轮廓数据处理成指令，准备输送至溶液喷射系统和烘干系统；
【3】、形成模壳第一单层：加粉盒向补粉盒方向移动，加粉盒移动装置和溶液喷射系统移动装置控制溶液喷射系统的移动，溶液喷射系统根据计算机及控制系统的指令，向成形台表层平面上特定轮廓内的精密铸造模壳粉末喷射陶瓷涂料，被喷射区域的精密铸造模壳粉末与陶瓷涂料粘接成形，形成精密铸造模壳的第一个单层，随加粉盒移动的烘干系统对成形后的单层进行烘干和进一步固化，烘干系统的干燥过程与溶液喷射系统的喷射过程同步进行；
【4】、机控粉末平面层级：计算机及控制系统控制成形台底板升降装置，使成形台底板和精密铸造模壳粉末下降一个单层厚度，完成后补粉盒进行一次如步骤【1】的部分和加粉过程，补粉和加粉的量需要满足加粉完成后，加粉盒将成形台上方的精密铸造模壳粉末铺成一个平面，该平面与步骤【1】中的平面位置重合，计算机及控制系统将下一层的轮廓数据处理成指令，准备输送至溶液喷射系统和烘干系统；
【5】、形成模壳下一单层：按照步骤【3】完成下一个单层的制作，同时新的单层形成过程，与之前制造成形的单层粘接成一体，此时下一单层制造过程结束；
【6】、多层制造制作模壳：重复步骤【4】至步骤【5】，直至最终多层制造完成，得到完整的精密铸造模壳；
【7】、取出模壳清理表面：从成形台中小心取出精密铸造模壳，将内外表面未经喷涂陶瓷涂料粘接的余砂去除，将清理好的精密铸造模壳内表面清理出光洁的表面后，得到精密铸造模壳，其强度和表面光洁度满足精密铸造模壳的要求。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
（1）用于精密铸造模壳的快速成形，省去了蜡模制作环节，因而简化了模壳的制作流程，降低了产品的制造周期；
（2）替代了传统的制壳过程，仅仅消耗了低成本的精密铸造模壳粉末等原材料，节省了石蜡和制壳设备的使用；
（3）能够直接得到内表面光洁的精密铸造模壳，省掉了反复挂涂料、烘干以及焙烧脱蜡等过程，成形速度快，制作工艺简单；
（4）补粉区域与成形区域上下分布，增加了模壳的成形尺寸，将补粉区域设置在上方，方便了向设备补充粉末；
（5）烘干过程与喷射过程同步进行，较现有技术的先喷射成形后整体烘干的成形方法，提高了模壳的制造效率。
附图说明
图1是本发明一种3D打印精密铸造模壳的装置的工作状态结构示意图；
图2是本发明一种3D打印精密铸造模壳的装置的主视图；
图3是本发明一种3D打印精密铸造模壳的装置的B-B剖面视图。
图中：
1、计算机及控制系统；2、移动装置；2-1、加粉盒移动装置；2-2、溶液喷射系统移动装置；2-3、成形台底板升降装置；3、溶液喷射系统；3-1、溶液喷射喷头；3-2陶瓷涂料容器、；4、烘干系统；5、加粉盒； 6、补粉盒；6-1、补粉固定盒；6-2、补粉活板；6-3、弹簧； 7、成形台；7-1、成形台粉盒；7-2、成形台底板；8、精密铸造模壳粉末；9、陶瓷涂料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1~3，所述的3D打印精密铸造模壳的装置，包括：计算机及控制系统1、移动装置2、溶液喷射系统3、烘干系统4、加粉盒5、补粉盒6和成形台7；计算机及控制系统1通过分别与移动装置2、溶液喷射系统3和烘干系统4相连接，用于控制三个系统工作的交替进行以及向溶液喷射系统3传输轮廓数据；加粉盒5、补粉盒6和成形台7之间相互独立，加粉盒5和补粉盒6位于成形台7上方；溶液喷射系统3位于加粉盒5与烘干系统4之间。
所述移动装置2包括：加粉盒移动装置2-1、溶液喷射系统移动装置2-2和成形台底板升降装置2-3；所述补粉盒6包括：补粉固定盒6-1、补粉活板6-2和弹簧6-3；所述成形台7包括：成形台粉盒7-1和成形台底板7-2；加粉盒5与加粉盒移动装置2-1连接，加粉盒5可通过加粉盒移动装置2-1水平移动；溶液喷射系统移动装置2-2固定在加粉盒5上，溶液喷射系统3通过溶液喷射系统移动装置2-2与加粉盒5连接，溶液喷射系统3可通过溶液喷射系统移动装置2-2水平移动；成形台底板7-2与成形台底板升降装置2-3连接，成形台底板7-2可通过成形台底板升降装置2-3上下移动，工作过程中加粉盒5、补粉盒6和成形台7内部填充有精密铸造模壳粉末8。成形台7是精密铸造模壳的成形区域，补粉盒6用于为加粉盒5补充新的粉末，加粉盒5用于成形台7中精密铸造模壳粉末8的补充、推移和铺平，使得成形台7上方的精密铸造模壳粉末8保持平面状态；位于成形台7底部的成形台底板升降装置2-3，用于控制成形台7内部精密铸造模壳粉末8的升降；移动装置2的运动由计算机及控制系统1控制，在精密铸造模壳每个单层的制造前快速准确的提供一个新的精密铸造模壳粉末8平面。
所述溶液喷射系统3包括：陶瓷涂料容器3-2和溶液喷射喷头3-1；陶瓷涂料容器3-2与溶液喷射喷头3-1连接，工作过程中陶瓷涂料容器3-2内部填充有陶瓷涂料9，溶液喷射喷头3-1用于将陶瓷涂料9按照计算机及控制系统1传来的数据信息级及指令，喷至成形台7表面特定轮廓的精密铸造模壳粉末8上，被喷射的区域粘接成形后形成一个单层。
所述烘干系统4为加热装置，固定在加粉盒5上，在成形台7的上方；在溶液喷射系统3和烘干系统4随加粉盒5向补粉盒6方向移动时，溶液喷射系统3将陶瓷涂料8喷射至成形台7表面精密铸造模壳粉末8上，被喷射的区域粘接成形后形成一个单层后，烘干系统4通过对所形成的单层加热，进行单层的干燥和强化；在溶液喷射系统3和烘干系统4随加粉盒5背向补粉盒6方向移动时，加粉盒5向成形台7补充精密铸造模壳粉末8并铺成一个平面，溶液喷射系统3和烘干系统4不工作。
选择某一三维模型13，结合图1至图3，具体说明3D打印精密铸造模壳装置的使用方法，其步骤如下：
【1】、铺平模壳粉末平面：在补粉盒6中加入精密铸造模壳粉末8，通过成形台底板升降装置2-3将成形台底板7-2升至适当的高度，优选的，成形台底板7-2距离加粉盒5最底部2mm以上，加粉盒移动装置2-1控制加粉盒5向补粉盒6方向移动，直至顶开补粉活板6-2，补粉盒6中的精密铸造模壳粉末8向加粉盒5内部补充，完成补粉过程；加粉盒5背向补粉盒6移动，部分活板6-2在弹簧6-3作用下关闭，加粉盒5内部的精密铸造模壳粉末8向成形台7内部补充，完成加粉过程；接着，加粉盒5向补粉盒6方向移动，直至顶开补粉活板6-2，再次进行补粉过程；通过几次循环的补粉和加粉过程，直至加粉盒5将成形台7上方的精密铸造模壳粉末8铺成一个平面，优选的方式为：精密铸造模壳粉末8采用石英粉等；
【2】、输入输出制壳参数：将三维实体模型输入至计算机及控制系统1中，设置好移动装置的移动参数，开始进行第一个单层的制造，计算机及控制系统1将第一个单层的轮廓数据处理成指令，准备输送至溶液喷射系统3和烘干系统4；
【3】、形成模壳第一单层：加粉盒5向补粉盒6方向移动过程，加粉盒移动装置2-1和溶液喷射系统移动装置2-2控制溶液喷射系统3的移动，溶液喷射系统3根据计算机及控制系统1的指令向成形台7表层平面上特定轮廓内的精密铸造模壳粉末8喷射陶瓷涂料9，优选的方式为：陶瓷涂料9采用硅溶胶溶液，被喷射区域的精密铸造模壳粉末8与陶瓷涂料9粘接成形，形成精密铸造模壳的第一个单层，随加粉盒5移动的烘干系统4对成形后的单层进行烘干和进一步固化，烘干系统4的干燥过程与溶液喷射系统3的喷射过程同步进行，该步骤提出了一种由陶瓷涂料9将精密铸造模壳粉末8选择性粘接成形后形成一个模壳单层的方法，是精密铸造模壳直接成形的关键技术，在设备尺寸和铺粉速度相同的前提下，精密铸造模壳单层成形的时间为1-1.5分钟，成形尺寸更大，而使用传统的3D打印装置，仅蜡模单层成形的时间为2-4分钟，需要再进行制壳后才能形成精密铸造模壳，受限于补粉装置与成形装置水平分布的特点，成形尺寸减小50%；
【4】、机控粉末平面层级：计算机及控制系统1控制成形台底板升降装置2-3，使成形台底板7-2和精密铸造模壳粉末8下降一个单层厚度，完成后补粉盒6进行一次如步骤【1】的部分和加粉过程，补粉和加粉的量需要满足加粉完成后，加粉盒5将成形台7上方的精密铸造模壳粉末8铺成一个平面，该平面与步骤【1】中的平面位置重合，计算机及控制系统1将下一层的轮廓数据处理成指令，准备输送至溶液喷射系统3和烘干系统4；
【5】、形成模壳下一单层：按照步骤【3】完成下一个单层的制作，同时新的单层形成过程，与之前制造成形的单层粘接成一体，此时下一单层制造过程结束；
【6】、多层制造制作模壳：重复步骤【4】至步骤【5】，直至最终多层制造完成，得到完整的精密铸造模壳；
【7】、取出模壳清理表面：从成形台7中小心取出精密铸造模壳，将内外表面未经喷涂陶瓷涂料9粘接的余砂去除，将清理好的精密铸造模壳内表面清理出光洁的表面后，得到精密铸造模壳，其强度和表面光洁度满足精密铸造模壳的要求。
以上技术方案能够直接打印出精密铸造模壳，替代了蜡模制作和后续的传统工艺制壳过程，与背景技术里先制作蜡模后制作精密铸造模壳的方法相比，以上技术方案只有一个直接3D打印精密铸造模壳的过程，模壳的成形时间更短，省去了传统工艺制壳所需要的挂浆机等设备，且成形过程得到了简化。
用传统方法中速度最快的先3D打印蜡模再制壳的方法制造某一尺寸100mm*50mm*50mm的模壳，所用时间13小时，装置4套以上；采用本申请所述的3D打印精密铸造模壳方法所用时间2小时，装置1套。因此，精密铸造模壳的整体制作时间减少，设备使用数量少。
与传统制作精密铸造模壳的先制作蜡模、再进行制壳方法相比，使用该装置进行精密铸造模壳的制造，能够在保证模壳强度和表面粗糙度的基础上，进一步缩短了制作周期，简化了制作工艺，减少了装置的总数量，而且向补粉盒中添加粉料更加方便，烘干过程与喷射过程同步进行进一步提高了模壳的制造效率。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的思路启示之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。
Claims (2)
1.一种3D打印精密铸造模壳的装置，包括：计算机及控制系统（1）、移动装置（2）、溶液喷射系统（3）、烘干系统（4）、加粉盒（5）、补粉盒（6）和成形台（7）；其特征在于：计算机及控制系统（1）分别与移动装置（2）、溶液喷射系统（3）和烘干系统（4）相连接；加粉盒（5）和补粉盒（6）设置在成形台（7）上方，加粉盒（5）、补粉盒（6）和成形台（7）之间相互独立，溶液喷射系统（3）设置在加粉盒（5）与烘干系统（4）之间；所述移动装置（2）包括：加粉盒移动装置（2-1）、溶液喷射系统移动装置（2-2）和成形台底板升降装置（2-3）；补粉盒（6）包括：补粉固定盒（6-1）、补粉活板（6-2）和弹簧（6-3）；成形台（7）包括：成形台粉盒（7-1）和成形台底板（7-2）；加粉盒（5）与加粉盒移动装置（2-1）连接，加粉盒（5）可通过加粉盒移动装置（2-1）水平移动；溶液喷射系统移动装置（2-2）固定在加粉盒（5）上，溶液喷射系统（3）通过溶液喷射系统移动装置（2-2）与加粉盒（5）连接，溶液喷射系统（3）可通过溶液喷射系统移动装置（2-2）水平移动；成形台底板（7-2）与成形台底板升降装置（2-3）连接，成形台底板（7-2）可通过成形台底板升降装置（2-3）上下移动，工作过程中加粉盒（5）、补粉盒（6）和成形台（7）内部填充有精密铸造模壳粉末（8）；所述溶液喷射系统（3）包括：溶液喷射喷头（3-1）和陶瓷涂料容器（3-2）；溶液喷射喷头（3-1）与陶瓷涂料容器（3-2）连接，陶瓷涂料容器（3-2）内部填充有陶瓷涂料（9）；所述烘干系统（4）为加热装置，烘干系统（4）固定在加粉盒（5）上，能够在打印过程中随着加粉盒（5）和溶液喷射系统（3）向前移动。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印精密铸造模壳的装置，其特征在于：具体的使用方法如下：
【1】、铺平模壳粉末平面：在补粉盒（6）中加入精密铸造模壳粉末（8），通过成形台底板升降装置（2-3）将成形台底板（7-2）升至距离加粉盒（5）最底部2mm以上，加粉盒移动装置（2-1）控制加粉盒（5）向补粉盒（6）方向移动，直至顶开补粉活板（6-2），补粉盒（6）中的精密铸造模壳粉末（8）向加粉盒（5）内部补充，完成补粉过程；加粉盒（5）背向补粉盒（6）移动，部分活板（6-2）在弹簧（6-3）作用下关闭，加粉盒（5）内部的精密铸造模壳粉末（8）向成形台（7）内部补充，完成加粉过程；接着，加粉盒（5）向补粉盒（6）方向移动，直至顶开补粉活板（6-2），再次进行补粉过程；通过几次循环的补粉和加粉过程，直至加粉盒（5）将成形台（7）上方的精密铸造模壳粉末（8）铺成一个平面；
【2】、输入输出制壳参数：将三维实体模型输入至计算机及控制系统（1）中，设置好移动装置的移动参数，开始进行第一个单层的制造，计算机及控制系统（1）将第一个单层的轮廓数据处理成指令，准备输送至溶液喷射系统（3）和烘干系统（4）；
【3】、形成模壳第一单层：加粉盒（5）向补粉盒（6）方向移动，加粉盒移动装置（2-1）和溶液喷射系统移动装置（2-2）控制溶液喷射系统（3）的移动，溶液喷射系统（3）根据计算机及控制系统（1）的指令，向成形台（7）表层平面上特定轮廓内的精密铸造模壳粉末（8）喷射陶瓷涂料（9），被喷射区域的精密铸造模壳粉末（8）与陶瓷涂料（9）粘接成形，形成精密铸造模壳的第一个单层，随加粉盒（5）移动的烘干系统（4）对成形后的单层进行烘干和进一步固化，烘干系统（4）的干燥过程与溶液喷射系统（1）的喷射过程同步进行；
【4】、机控粉末平面层级：计算机及控制系统控制成形台底板升降装置，使成形台底板（7-2）和精密铸造模壳粉末（8）下降一个单层厚度，完成后补粉盒（6）进行一次如步骤【1】的部分和加粉过程，补粉和加粉的量需要满足加粉完成后，加粉盒（5）将成形台（7）上方的精密铸造模壳粉末（8）铺成一个平面，该平面与步骤【1】中的平面位置重合，计算机及控制系统（1）将下一层的轮廓数据处理成指令，准备输送至溶液喷射系统（3）和烘干系统（4）；
【5】、形成模壳下一单层：按照步骤【3】完成下一个单层的制作，同时新的单层形成过程，与之前制造成形的单层粘接成一体，此时下一单层制造过程结束；
【6】、多层制造制作模壳：重复步骤【4】至步骤【5】，直至最终多层制造完成，得到完整的精密铸造模壳；
【7】、取出模壳清理表面：从成形台（7）中小心取出精密铸造模壳，将内外表面未经喷涂陶瓷涂料（9）粘接的余砂去除，将清理好的精密铸造模壳内表面清理出光洁的表面后，得到精密铸造模壳，其强度和表面光洁度满足精密铸造模壳的要求。
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