CN107617720A - 镂空铸型的3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种镂空铸型的3D打印方法，包括：一：对铸件STL格式的模型进行网格剖分，得到铸件有限差分网格模型。二：将铸件有限差分网格文件向外生长n层网格单元，生成铸件‑壳型有限差分网格模型。三：在铸件‑壳型有限差分网格模型上添加桁架结构，形成铸件‑壳型‑桁架结构的有限差分网格模型。四：将铸件‑壳型‑桁架结构有限差分网格模型的表面网格单元的外表面记为三角面片，生成铸件‑壳型‑桁架结构的外表面模型。五：将铸件STL格式模型的各三角面片的法向反向，得到壳型的内表面模型。六：合并铸件‑壳型‑桁架结构STL格式的外表面模型和壳型STL格式的内表面模型，构成壳型‑桁架结构STL格式的模型。七：打印壳型‑桁架结构STL格式的模型。

Description

镂空铸型的3D打印方法

技术领域

本发明涉及铸造领域，尤其涉及一种镂空铸型的3D打印方法。

背景技术

当前铸型可以用3D打印的方法制备，但是还是直接将铸型进行3D打印，不改变铸型的形状和结构。采用3D打印技术制备铸型，可以脱离传统造型对铸型几何特征的限制，铸型可以采用镂空结构，但是目前还没有专门生成镂空铸型的方法。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种镂空铸型的3D打印方法，其能简化镂空铸型的设计过程，缩短铸型生产周期，降低成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种镂空铸型的3D打印方法，其包括：步骤一：采用有限差分软件对铸件的STL格式的模型进行网格剖分，得到铸件的有限差分网格模型。步骤二：将铸件的有限差分网格文件向外生长n层网格单元，生成用于制备铸件的壳型的有限差分网格模型，壳型的有限差分网格模型与铸件的有限差分网格模型形成铸件-壳型有限差分网格模型。步骤三：根据需要，在铸件-壳型有限差分网格模型上间隔的添加X向、Y向及Z向的由网格单元组成的多个杆状结构，所述多个杆状结构交织组成桁架结构，从而形成铸件-壳型-桁架结构的有限差分网格模型。步骤四：判断铸件-壳型-桁架结构有限差分网格模型的表面网格单元，并将表面网格单元的各外表面记为三角面片，从而生成铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型。步骤五：读取铸件的STL格式的模型文件，将其各三角面片的法向反向，从而得到壳型的STL格式的内表面模型。步骤六：在步骤四中得到的铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型的基础上，续写步骤五得到的壳型的STL格式的内表面模型，即构成壳型-桁架结构的STL格式的模型。步骤七：打印壳型-桁架结构的STL格式的模型，从而生成具有镂空结构的铸型。

本发明的有益效果如下：

由于本发明的镂空铸型的3D打印方法打印出的铸型表面镂空，因此可以实现铸型表面的灵活可控冷却，进而实现铸件各处的可控冷却，进而实现组织和性能可控，同时可以显著节约打印材料，提高打印效率。同时，本发明的镂空铸型的3D打印方法可以形成完整的程序算法，依照需要制备的铸件的模型自动生成壳型-桁架结构的STL格式的模型，并直接打印出具有镂空结构的铸型，而无需根据铸件重新制作模型，简化镂空铸型的设计过程，缩短铸型生产周期，降低成本。

附图说明

图1为铸件的示意图；

图2为铸件的有限差分网格模型的示意图；

图3为铸件-壳型的示意图；

图4为铸件-壳型-桁架结构的示意图；

图5为一个网格单元的示意图；

图6为壳型-桁架结构的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1 铸件 S 型腔

2 壳型 S1 表面

3 桁架结构 G 网格单元

P 杆状结构

具体实施方式

下面参照附图来详细说明本发明的镂空铸型的3D打印方法。

参照图1至图6，根据本发明的镂空铸型的3D打印方法包括：步骤一：采用有限差分软件对铸件1的STL格式的模型进行网格剖分，得到铸件1的有限差分网格模型。步骤二：将铸件1的有限差分网格文件向外生长n层网格单元G，生成用于制备铸件1的壳型2的有限差分网格模型，壳型2的有限差分网格模型与铸件1的有限差分网格模型形成铸件-壳型有限差分网格模型。步骤三：根据需要，在铸件-壳型有限差分网格模型上间隔的添加X向、Y向及Z向的由网格单元G组成的多个杆状结构P，所述多个杆状结构P交织组成桁架结构3，从而形成铸件-壳型-桁架结构的有限差分网格模型。步骤四：判断铸件-壳型-桁架结构有限差分网格模型的表面网格单元G，并将表面网格单元G的各外表面记为三角面片，从而生成铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型。步骤五：读取铸件1的STL格式的模型文件，将其各三角面片的法向反向，从而得到壳型2的STL格式的内表面模型。步骤六：在步骤四中得到的铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型的基础上，续写步骤五得到的壳型2的STL格式的内表面模型，即构成壳型-桁架结构的STL格式的模型。步骤七：打印壳型-桁架结构的STL格式的模型，从而生成具有镂空结构的铸型。

STL文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个顶点的三维坐标及三角形面片的法矢量。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法的步骤一中，铸件1的STL格式文件输入到有限差分软件中，然后依照要求对铸件1的STL格式的模型进行网格剖分。其中，所述有限差分软件可为铸造之星(FT-STAR)。经过网格剖分后，铸件1的有限差分网格模型由多个网格单元G组成。网格单元G可为四面体或六面体，优选地，参照图2和图5，网格单元G为正交六面体。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法的步骤二中，向外生长的n层网格单元G的总厚度为6mm～200mm。其中，向外生长的n层网格单元G的总厚度也就是用于铸造铸件1的壳型2的厚度，而壳型2的厚度与铸件1的高度和壁厚成正比。另外，向外生长的层数n依照壳型2所需的厚度以及网格单元G的大小而定，优选地，n＝10。

具体地，以正交六面体的网格单元G为例，步骤二中生长网格单元G的方法如下：

首先，在铸件1有限差分网格模型中的任何一个网格单元G(i,j,k)的周围补充26个新网格单元G。其中，(i,j,k)为网格单元G的编号，i代表其相对原点在X方向上的顺序编号，j代表其相对原点在Y方向上的顺序编号，k代表其相对原点在Z方向上的顺序编号。

新生长的26各新网格单元G的编号依次为(i-1,j,k)、(i,j-1,k)、(i,j,k-1)、(i+1,j,k)、(i,j+1,k)、(i,j,k+1)、(i-1,j-1,k)、(i,j-1,k-1)、(i-1,j,k-1)、(i+1,j+1,k)、(i,j+1,k+1)、(i+1,j,k+1)、(i-1,j+1,k+1)、(i+1,j-1,k+1)、(i+1,j+1,k-1)、(i+1,j-1,k-1)、(i-1,j+1,k-1)、(i-1,j-1,k+1)、(i-1,j-1,k-1)、(i+1,j+1,k+1)、(i,j-1,k+1)、(i-1,j,k+1)、(i-1,j+1,k)、(i+1,j,k-1)、(i,j+1,k-1)、(i+1,j-1,k)。在生长的过程中，如果生长的新网格单元G与已有的网格单元G重合，则越过该新网格单元G的生长。

补充后，即在铸件1的表面生长一层网格单元G；然后，在已有的所有网格单元G(包括铸件1的网格单元G及新生长的一层网格单元G)中的各网格单元G的周围再次补充26个新网格单元G，从而生长第二层网格单元G；如此循环n次，就可以在铸件1的有限差分网格模型表面生长n层网格单元G，进而形成壳型2的有限差分网格模型。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法中，对于步骤三，以Z向的杆状结构P为例说明杆状结构P的形成方法：

首先，在壳型2的有限差分网格模型挑选一个或多个网格单元G(优选在壳型2的沿Z向的表面网格单元G中挑选)，然后，沿Z向在该网格单元G上补充多层新的网格G单元，从而形成一个杆状结构P。以网格单元G(i,j,k)为例，新生长的网格单元G为(i,j,k+1)、(i,j,k+2)…(i,j,k+m)，生长的数量m以杆状结构P沿Z向所需的高度而定。

同理，在壳型2的有限差分网格模型上添加X向、Y向的杆状结构P。

在X向、Y向及Z向的杆状结构P的生长过程中，需要将这些杆状结构P交织在一起以形成桁架结构3，因此，在壳型2上挑选网格单元G时，需要注意X向、Y向及Z向的杆状结构P的位置和间隔。同时，为了形成桁架结构3，也可以在已经生成的杆状结构P上挑选网格单元G，并以杆状结构P上的网格单元G为基础生长新的杆状结构P。例如，在一个沿Z向延伸的杆状结构P上，有一个网格单元G(i,j,k)，那么，在这个网格单元G(i,j,k)上补充(i+1,j,k)、(i+2,j,k)…(i+m,j,k)，就可以形成新的沿X向的杆状结构P，在这个网格单元G(i,j,k)上补充(i,j+1,k)、(i,j+2,k)…(i,j+m,k)，就可以形成新的沿Y向的杆状结构P。

由于杆状结构P是由网格单元G组成的，因此各杆状结构P的断面上为整数个网格单元G。优选地，杆状结构P断面上网格单元G的数目为平方数。

另外，对于X向延伸的杆状结构P，其在YZ平面内阵列布置，且沿Y向布置的间隔为网格单元G的整数倍，且间隔的距离优选为10mm-100mm；沿Z向布置的间隔为网格单元G的整数倍，且间隔的距离优选为10mm-100mm。对于Y向延伸的杆状结构P，其在XZ平面内阵列布置，沿X向布置的间隔为网格单元G的整数倍，且间隔的距离优选为10mm-100mm；沿Z向布置的间隔为网格单元G的整数倍，且间隔的距离优选为10mm-100mm。对于Z向延伸的杆状结构P，其在XY平面内阵列布置，沿X向布置的间隔为网格单元G的整数倍，且间隔的距离优选为10mm-100mm；沿Y向布置的间隔为网格单元G的整数倍，且间隔的距离优选为10mm-100mm。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法中，对于步骤四，以正交六面体的网格单元G为例，可采用下述方式实现。

对于铸件-壳型-桁架结构有限差分网格模型中的任一个网格单元G(i,j,k)，检测其周围的6个网格单元G是否均存在，如果有一个不存在，那么该网格单元G即为表面网格单元G。所述6个网格单元G的编号为(i+1,j,k)、(i-1,j,k)、(i,j+1,k)、(i,j-1,k)、(i,j,k+1)、(i,j,k-1)。

具体地，如果该网格单元G(i,j,k)周围的网格单元G(i+1,j,k)不存在，那么网格单元G(i,j,k)的与网格单元G(i+1,j,k)相邻的表面即为外表面。参照图5，该外表面即可计为两个三角面片。其中，三角面片1的坐标为((i+1)×dx,j×dy,k×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,k×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(1,0,0)；三角面片2的坐标为((i+1)×dx,j×dy,k×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz、((i+1)×dx,j×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(1,0,0)。

如果该网格单元G(i,j,k)周围的网格单元G(i-1,j,k)不存在，那么网格单元G(i,j,k)的与网格单元G(i-1,j,k)相邻的表面即为外表面。参照图5，该外表面即可计为两个三角面片。其中，三角面片3的坐标为(i×dx,j×dy,k×dz)、(i×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)、(i×dx,(j+1)×dy,k×dz)，法向方向为(-1,0,0)；三角面片4的坐标为(i×dx,j×dy,k×dz)、(i×dx,j×dy,(k+1)×dz)、(i×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(-1,0,0)。

如果该网格单元G(i,j,k)周围的网格单元G(i,j+1,k)不存在，那么网格单元G(i,j,k)的与网格单元G(i,j+1,k)相邻的表面即为外表面。参照图5，该外表面即可计为两个三角面片。其中，三角面片5的坐标为(i×dx,(j+1)×dy,k×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,k×dz)，法向方向为(0,1,0)；三角面片6的坐标为(i×dx,(j+1)×dy,k×dz)、(i×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(0,1,0)。

如果该网格单元G(i,j,k)周围的网格单元G(i,j-1,k)不存在，那么网格单元G(i,j,k)的与网格单元G(i,j-1,k)相邻的表面即为外表面。参照图5，该外表面即可计为两个三角面片。其中，三角面片7的坐标为(i×dx,j×dy,k×dz)、((i+1)×dx,j×dy,k×dz)、((i+1)×dx,j×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(0,-1,0)；三角面片8的坐标为(i×dx,j×dy,k×dz)、((i+1)×dx,j×dy,(k+1)×dz)、(i×dx,j×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(0,-1,0)。

如果该网格单元G(i,j,k)周围的网格单元G(i,j,k+1)不存在，那么网格单元G(i,j,k)的与网格单元G(i,j,k+1)相邻的表面即为外表面。参照图5，该外表面即可计为两个三角面片。其中，三角面片9的坐标为(i×dx,j×dy,(k+1)×dz)、((i+1)×dx,j×dy,(k+1)×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(0,0,1)；三角面片10的坐标为(i×dx,j×dy,(k+1)×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)、(i×dx,(j+1)×dy,(k+1)×dz)，法向方向为(0,0,1)。

如果该网格单元G(i,j,k)周围的网格单元G(i,j,k-1)不存在，那么网格单元G(i,j,k)的与网格单元G(i,j,k-1)相邻的表面即为外表面。参照图5，该外表面即可计为两个三角面片。其中，三角面片11的坐标为(i×dx,j×dy,k×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,k×dz)、((i+1)×dx,j×dy,k×dz)，法向方向为(0,0,-1)；三角面片12的坐标为(i×dx,j×dy,k×dz)、(i×dx,(j+1)×dy,k×dz)、((i+1)×dx,(j+1)×dy,k×dz)，法向方向为(0,0,-1)。

其中，dx、dy和dz分别为个网格单元G沿X向、Y向及Z向的步长(也就是每个网格单元G的长宽高)。

按照上述方式，将铸件-壳型-桁架结构有限差分网格模型的各表面网格单元G的各外表面以三角面片表示，从而生成铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法中，对于步骤五，由于壳型2的内表面与铸件1的外表面重合，而铸件1初始时的STL格式的模型文件就是由铸件1外表面的三角面片组成的，因此，将铸件1的各三角面片的法向反向后(三角面片的法向是指向实体外部的)，就是壳型2的STL格式的内表面模型。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法中，由于STL文件就是以表面来描述实体模型，因此，在步骤六中，将壳型2的STL格式的内表面模型续写到铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型之后，就可以从铸件-壳型-桁架结构中去除铸件1，从而得到壳型-桁架结构的STL格式的模型。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法的步骤七中，壳型-桁架结构的打印高度需要设置。设置原因和方式如下。

打印出的铸型包括壳型2和桁架结构3，而壳型2内部的型腔S就是用于铸造铸件1，型腔S就是由壳型2的STL格式的内表面模型围成。为了铸造铸件1，需要向型腔S内浇注金属熔液，但是，参照图6，在生成壳型-桁架结构的STL格式的模型时，型腔S的四周封闭，没有供金属熔液流入的开口。因此，在由下而上打印壳型-桁架结构的STL格式的模型时，只需打印到型腔S顶部表面S1所在的高度即可，而顶部表面S1上方的剩余部分可以不打印，这样，打印出的铸型就会在顶部留有开口。当然，打印的高度也可以略低于型腔S顶部表面S1所在的高度。

当然，也可以直接将壳型-桁架结构的STL格式的模型全部打印出来，然后再在铸型的顶部开口即可。

在根据本发明的镂空铸型的3D打印方法的步骤三中，在Z向上，所有杆状结构P的高度均不超过铸件1顶部表面的高度。铸件1顶部表面也就是型腔S顶部表面S1，由于在打印壳型-桁架结构的STL格式的模型时，超过顶部表面S1的部分不会打印，因此，也就无需将杆状结构P延伸到铸件1顶部表面的上方。

本发明的镂空铸型的3D打印方法步骤一到步骤七的流程可以通过自主编写的程序算法实现，并通过程序算法自动生产所需的模型结构。

由于本发明的镂空铸型的3D打印方法打印出的铸型表面镂空，因此可以实现铸型表面的灵活可控冷却，进而实现铸件1各处的可控冷却，进而实现组织和性能可控，同时可以显著节约打印材料(如型砂和粘结剂)，提高打印效率。同时，本发明的镂空铸型的3D打印方法可以形成完整的程序算法，依照需要制备的铸件1的模型自动生成壳型-桁架结构的STL格式的模型，并直接打印出具有镂空结构的铸型，而无需根据铸件1重新制作模型，简化镂空铸型的设计过程，缩短铸型生产周期，降低成本。

Claims (10)

1.一种镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，包括：

步骤一：采用有限差分软件对铸件(1)的STL格式的模型进行网格剖分，得到铸件(1)的有限差分网格模型；

步骤二：将铸件(1)的有限差分网格文件向外生长n层网格单元(G)，生成用于制备铸件(1)的壳型(2)的有限差分网格模型，壳型(2)的有限差分网格模型与铸件(1)的有限差分网格模型形成铸件-壳型有限差分网格模型；

步骤三：根据需要，在铸件-壳型有限差分网格模型上间隔的添加X向、Y向及Z向的由网格单元(G)组成的多个杆状结构(P)，所述多个杆状结构(P)交织组成桁架结构(3)，从而形成铸件-壳型-桁架结构的有限差分网格模型；

步骤四：判断铸件-壳型-桁架结构有限差分网格模型的表面网格单元(G)，并将表面网格单元(G)的各外表面记为三角面片，从而生成铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型；

步骤五：读取铸件(1)的STL格式的模型文件，将其各三角面片的法向反向，从而得到壳型(2)的STL格式的内表面模型；

步骤六：在步骤四中得到的铸件-壳型-桁架结构的STL格式的外表面模型的基础上，续写步骤五得到的壳型(2)的STL格式的内表面模型，即构成壳型-桁架结构的STL格式的模型；

步骤七：打印壳型-桁架结构的STL格式的模型，从而生成具有镂空结构的铸型。

2.根据权利要求1所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，步骤二中向外生长的n层网格单元(G)的总厚度为6mm～200mm。

3.根据权利要求1所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，n为10。

4.根据权利要求1所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，所述网格单元(G)为正交六面体。

5.根据权利要求4所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，各杆状结构(P)的断面上为整数个网格单元(G)。

6.根据权利要求4所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，

对于X向延伸的杆状结构(P)，其在YZ平面内阵列布置，且沿Y向布置的间隔为网格单元(G)的整数倍，沿Z向布置的间隔为网格单元(G)的整数倍；

对于Y向延伸的杆状结构(P)，其在XZ平面内阵列布置，沿X向布置的间隔为网格单元(G)的整数倍，沿Z向布置的间隔为网格单元(G)的整数倍；

对于Z向延伸的杆状结构(P)，其在XY平面内阵列布置，沿X向布置的间隔为网格单元(G)的整数倍，沿Y向布置的间隔为网格单元(G)的整数倍。

7.根据权利要求6所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，

对于X向延伸的杆状结构(P)，在YZ平面内阵列布置，且沿Y向布置的间隔为10mm-100mm，沿Z向布置的间隔为10mm-100mm；

对于Y向延伸的杆状结构(P)，在XZ平面内阵列布置，沿X向布置的间隔为10mm-100mm，沿Z向布置的间隔为10mm-100mm；

对于Z向延伸的杆状结构(P)，在XY平面内阵列布置，沿X向布置的间隔为10mm-100mm，沿Y向布置的间隔为10mm-100mm。

8.根据权利要求4所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，步骤四中的表面网格单元(G)的各外表面记为两个三角面片。

9.根据权利要求1所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，在Z向上，所有杆状结构(P)的高度均不超过铸件(1)顶部表面的高度。

10.根据权利要求1或9所述的镂空铸型的3D打印方法，其特征在于，

步骤五中得到壳型(2)的STL格式的内表面模型形成壳型(2)用于铸造的型腔(S)；

在步骤七中，壳型-桁架结构的打印高度与型腔(S)顶部表面(S1)的高度齐平。