CN107848020B - 通过增材制造复合材料整体模具来直接浇铸铸造元件的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过逐层生成复合材料模具来直接浇铸铸造元件的方法，其中该复合材料模具构造为整体元件同时在组装好的形式中具有各自的型芯。该系统用于由粉末材料在具有可移动底部(2)的可移除容器(1)中逐层生成三维模型，可移除容器与用于提升降下可移动底部的装置(4)分离，用于提升降下可移动底部的装置内置到用于逐层生成三维模型的系统中。模具的生成是通过施加粉末材料以及通过根据程序/仅在容积中的样式选择性添加的粘结剂将每层的颗粒粘结来实现的，在所述容积中生成模型的实体。随后重复该程序直到构造好整个容积，允许在从模具的工作腔室移除不必要的粉末材料之后获得的模具中直接浇铸而无需将它们从生成它们的容器(1)移除。

Description

通过增材制造复合材料整体模具来直接浇铸铸造元件的方法 和系统

技术领域

本发明涉及通过在具有可移动的底板的可移除容器中由粉末材料增材制造整体复合材料模具来直接浇铸铸造元件的方法和系统，其通过施加粉末材料(沙子)层以及通过借助于根据程序/仅在容积中的模版选择性添加的粘结物质将每层的颗粒粘结，建立了实体模型且一致的重复以建立整个容积，允许在将不必要的材料移除之后获得的整体复合材料模具中进行直接浇铸。

背景技术

存在已知的用于在模具中浇铸产品的方法，所述模具通过由粉末材料逐层生成三维模型的方法实现。在这些已知的方法中，模具是两个或更多个型壳以及可选地其构造为单独元件的彼此独立的各自的型芯。在构造这些元件之后，必须将它们组装并放置在特别的型箱中。这样破坏了精度、产生了难度、减慢了模具构造的过程并升高了模具构造过程的成本，进而使这种模具中的铸造效率低。

存在已知的用于由粉末材料逐层生成三维模型的系统(US2004/0035542A1，US20040026418A1)，其中用于升起和降下工作板的装置是可移除容器的一部分，在工作板上施加材料层，可移除容器的可移动的底部是所述工作板。升起和降下装置的竖向驱动是通过位于可移除容器中的螺旋齿轮实现的。

具有内置式驱动装置的提升系统的缺点是需要同步移动，这在技术上实现起来比较困难并且需要精确制造构成元件。它们更难于防止污染物进入而且它们需要更频繁的维护。内置式驱动装置的另一个主要缺陷是由于热量输入和高的加热水平不能使用所述容器用于直接浇铸。

发明内容

本发明的任务是提供一种通过逐层生成复合材料模具来直接浇铸铸造元件的方法，其中该复合材料模具构造为整体元件并同时具有它们各自的型芯。本发明的另一项任务是在构造的复合材料模具中直接浇铸，而无需将模具从构造它们的容器中移除。

本发明的另一项任务是建立用于由粉末材料逐层生成三维模型的系统，其中构造三维模型的容器与用于提升和降下工作板的装置分离。其目的还在于提供一种紧凑且可靠的用于提升和降下工作板的装置，该装置结合到用于由粉末材料逐层生成三维模型的系统中。

为了解决这些问题，根据本发明，建立了一种用于通过逐层生成复合材料模具来直接浇铸铸造元件的方法，包括如下连续的阶段：

–逐层生成复合材料模具的阶段，其包括将粉末材料和合适的粘结剂按顺序施加到用于由粉末材料逐层生成三维物体的系统中的可竖向移动的工作台上，其中粘结剂的施加是在生成的模具层上方按照预先设定好的样式执行的，所述工作台是用于直接浇铸的可移除容器的可竖向移动的底部，所述容器位于该系统的工作区域中，在该系统的工作区域上可移动底部生成一个或多个整体的不可拆卸的复合材料模具，这些复合材料模具结合有一个或多个型芯或者没有型芯；

–在前述的复合材料模具的生成阶段没有使用容器的整个工作高度的情况下，在生成前面提到的一个或多个模具之后将可移动底部降下到下部位置的阶段；

–将具有已经生成的一个或多个模具的、用于直接浇铸的容器从用于由粉末材料逐层生成三维物体的系统的工作区域移除；

–根据所述的一个或多个模具的工作腔室的结构通过抽吸或流出将过剩的未粘结的粉末材料从工作腔体移除的阶段，所述工作腔室因此是为了在用于制备铸造元件容器中直接浇铸而制备的；

–在所述一个或多个模具中直接浇铸而无需将它们从所述容器移除的阶段；

–在铸造元件冷却之后将铸造元件从相同的容器移除并随后将残余的粉末材料清除的阶段；

–将注口系统、冒口和铸造元件的其他元件最终移除直到获得所需的铸造元件的阶段。

根据提出的方法，复合材料模具生成为整体的模具并同时以组装好的形式具有它们各自的型芯，然后将过剩的未粘结的粉末材料移除以形成具有工作腔室的模具以填充熔化的金属。这就具有了在可移除的容器中的整体式复合材料模具中直接浇铸的可能性，而无需像传统的技术那样生成单独的模具和型芯。

优选地，粉末材料的移除是通过振动或者真空抽吸或者通过这二者的结合实施的。

在该方法的一个优选实施方式中，通过结合在用于由粉末材料逐层生成三维物体的系统中的用于提升和降下可移动底部的装置来使用于直接浇铸的容器的所述可移动底部在上端位置与下端位置之间竖向移动。

在生成模具的过程中，用于直接浇铸的容器通过保持器定位并固定在用于逐层生成三维物体的系统中。

建立了一种用于由粉末材料生成三维物体以便直接浇铸的系统，其包括可竖向移动的工作台、多次相继施加粉末材料和合适的粘结剂的装置，所述粘结剂按照所述工作台上生成的三维物体层上的预先设定好的样式施加，其中施加装置位于所提到的工作台上方，工作台是用于直接浇铸的可移除容器的可竖向移动的底部。该系统还包括用于在上端位置与下端位置之间提升和逐步降下容器的所述可竖向移动的底部的内置式装置，其中当可移动的底部到达下端位置时被限制从容器移出，所述容器是由在将其从用于逐层生成三维物体的系统移除之后允许在容器中进行直接浇铸的材料制成。

优选地，可移除容器在底部上设置四个旋转轮。

优选地，该系统具有用于将可移除容器定位并锁定在工作位置中的保持器。

在该系统的优选实施方式中，用于提升和降下所述可竖向移动的底部的装置包括剪叉式提升系统，其安装在该系统的基部上且位于固定在该系统中工作位置中的可移除容器下方。

在本发明的优选实施方式中用于提升和降下可移除容器的可竖向移动的底部的装置是剪叉式系统，该剪叉式系统是紧凑的且可以固定不动地定位在可移除容器之下。位于所述容器外部的该剪叉式驱动系统避免了结合在容器中的提升装备的缺点而且在容器从所述系统移除并将过剩的未粘结的粉末材料清洁以形成填充熔化的金属的工作腔室之后允许在该可移除容器中进行直接浇铸。

在一个优选实施方式中，所述剪叉式提升系统由两对细长的剪臂构成，这两对剪臂彼此距离一段距离布置，其中每对剪臂的两个臂彼此交叉布置，这两对臂通过这些臂的交叉点处的中心轴和连接这些臂的端部的四根端轴彼此连接，其中两个端轴连接这些臂的下端并在竖向方向上固定，其中一个下端轴在水平方向上固定，另一个下端轴可水平移动并由两个水平下导轨导向，另外两个端轴连接这些臂的上端和上支撑元件并且可在竖向方向上移动，其中一个上端轴在水平方向上固定，另一个上端轴可水平移动且由两个水平上导轨导向，其中剪叉式提升系统的驱动装置包括具有减速箱的电机，其驱动相对的轴承支撑的螺钉-螺母齿轮，该齿轮适于在两个相反的方向上驱动两组四个辊轮，其分别由两个水平支承梁承载，其中这些支承梁布置在两侧上且与其水平面上的中心轴平行，且在每个支承梁的相对两端上安装彼此靠近两个辊轮以便于相应地与其中一个臂的其中一个侧表面一直接触并能够在其上滚动，其中这些臂的侧表面指向中心轴的水平面，剪叉式系统的驱动装置适配成使得在辊轮承载件的分离方向上，使每对中的剪臂的端部朝向中心轴的水平面聚在一起并相应地将上支撑元件降下，在将辊轮承载件聚在一起的方向上，使剪臂的端部远离中心轴的水平面移动，并相应地将支撑元件升起，其中驱动装置是电驱动的且装备有受保护的柔性电线。

附图说明

通过参照附图以对本发明的范围不构成限制的示例给出的优选实施方式对根据本发明的方法和系统进行更详细的说明，其中：

图1以透视图示意性地示出了根据本发明的用于由粉末材料逐层生成三维模型的系统。

图2示出了在提升和降下装置上方的在用于逐层生成的所述系统的工作位置中的用于直接浇铸的容器，其中该容器的可移动的底部处于上端位置。

图3示出了在提升和降下装置上方的在用于逐层生成的所述系统的工作位置中的用于直接浇铸的容器，其中该容器的可移动的底部处于下端位置。

图4以纵向剖面的侧视图示出了用于直接浇铸的容器和用于在上部位置中提升和降下的剪叉式系统。该图以及图5仅示出了剪叉式系统的其中一对臂。

图5以纵向剖面示出了用于直接浇铸的容器和用于在上部位置中提升和降下的剪叉式系统。

图6以剖视图示出了具有生成的模具的用于直接浇铸的容器，从右到左分别是：

–在工作腔室中具有未移除的未粘结的粉末材料的完成的模具，

–通过抽吸从工作腔室移除过剩的未粘结的粉末材料的阶段中的模具，

–具有空的工作腔室的准备用于直接浇铸的模具。

图7以剖视图示出了在直接浇铸阶段中利用生成的模具用于直接浇铸的容器。

图8示出了完成的铸造元件，从该铸造元件上移除了模具，但是具有未移除的注口。

具体实施方式

根据本发明，通过由诸如沙子之类的粉末材料逐层生成三维物体的系统来生成用在直接浇铸方法中的复合材料模具。图1是作为不对本发明的范围构成限制的示例给出的由粉末材料逐层生成三维物体的系统实施方式的示意图。该系统包括可竖向移动的工作台2、用于多次相继施加粉末材料的装置41、粉末材料装载装置42、按照在正在所述工作台2上生成的三维物体的层的上方预先设定好的样式多次施加合适的粘结剂的装置43，其中施加装置41和43位于工作台2上方。该系统的这些元件定位并安装成使得支撑结构44具有移动的可能性。

根据本发明，工作台2是用于直接浇铸的可移除容器1的可竖向移动的底部。优选地，容器1具有与工作面积相等的面积以及还与用于由粉末材料逐层生成三维模型的系统的高度相等的高度。当容器1是空的时，可移动的底部2位于容器1的下部中。可移动的底部2在到达下端位置时被限制移出容器1以便于在从用于逐层生成的系统移除之后允许在该容器中直接浇铸。容器1可以由适合于直接浇铸目的的任何材料构成，比如耐受高达300℃的温度的结构钢。

优选地，在该系统中设置保持器3用于将容器1锁定在工作位置。这些保持器固定不动地安装在用于逐层生成三维物体的系统的基部处。

该系统还包括适于在上端位置与下端位置之间提升和逐步降下所述可竖向移动的底部2的一体的提升装置4。该提升装置4结合到该系统的基部中并位于该系统的工作区域中，相应地在用于直接浇铸的容器1的工作位置之下。优选地，该提升装置4是剪叉式的。其具有使其可以从最初的低高度实现高提升的剪叉式运动结构。

在图3、4和5中示出的优选实施方式中，提升装置4是剪叉式提升系统，其由彼此相距一段距离布置的两对细长剪臂构成，其中每对中的两个臂10和11彼此交叉布置并适于提升和降下上支撑元件35。上支撑元件设计成与根据本发明的容器1的可移动的底部2的下部接触。在本发明的一个优选实施方式中，上支撑元件35具有立方体的形状，其在下面敞开，由上水平支撑板和四个侧壁构成。在本发明的该实施方式中，上支撑元件35在下端位置中时还用作在更换该系统中的用于直接浇铸的容器1的过程中防止剪叉式提升系统4被污染的盖。两对臂10和11通过在这些臂的交叉点中的一个中心轴12和连接这两对的这些臂10和11的端部的四根端轴相互连接。其中两根端轴13和16分别连接这些臂11和10的下端且在竖向方向上固定，其中一个下端轴13水平固定且可转动地安装在系统的基部处，另一个下端轴16可水平移动并由固定在系统基部处的两个水平下导轨21导向。另外两根端轴14和15分别连接这些臂11和10的上端且可以在竖向方向上移动，因为其中一个上端轴15在水平方向上固定且可转动地安装到上支撑元件36的其中两个侧壁，另一个上端轴14可水平移动且由固定在上支撑元件36的所述两个侧壁中的两个水平上导轨22导向。剪叉式提升系统的驱动装置包括具有减速箱20的电机，其驱动相对的轴承支撑的螺钉-螺母齿轮19，该齿轮适于在两个相反的方向上驱动两组四个辊轮17，其均分别由两个水平支承梁23和24承载。滚轮的支承梁在中心轴的水平面中布置在中心轴两侧上且与中心轴12平行。每个支承梁23或24的相对两端上安装彼此靠近的两个辊轮以便于分别与两个剪臂10或11的其中一个臂的其中一个侧表面一直接触并能够在其上滚动，该侧表面指向中心轴12的水平面。剪叉式系统的驱动装置适配成使得在支承梁23和24的分离的方向上，使每对中的剪臂10和11的端部朝向中心轴12的水平面聚在一起并相应地将容器1的可移动的底部2降下，在将支承梁23和24聚在一起的方向上，使剪臂10和11的端部远离中心轴12的水平面移动，并相应地将可移动的底部2升起。驱动装置是电驱动的且装备有受保护的柔性电线25。

用于直接浇铸的该系统可以具有不同于图1中示出的结构。例如，用于施加粉末材料和粘结剂的这些装置可以以彼此不同的方式构造和布置，例如可以并排放置。它们可以是通用施加单元的一部分或者它们可以是两个、三个或者更多个独立的装置。

根据本发明的用于通过逐层生成复合材料模具对铸造元件直接浇铸的方法包括多个连续的阶段。

在第一阶段中，通过在用于由粉末材料逐层生成三维物体的系统(例如上述系统)中的可竖向移动的工作台2上多次相继施加粉末材料和合适的粘结剂来逐层生成复合材料模具。粘结剂的施加是按照在正生成的模具的层的上方的预先设定好的样式进行的。所述工作台2是用于直接浇铸的可移除容器1的可竖向移动的底部，在工作台上生成一个或多个整体的不可拆卸的复合材料模具27，该复合材料模具27结合有一个或多个型芯或者没有型芯。

在开始工作之前，在用于逐层生成三维物体的系统中装载用于直接浇铸的空容器1，所述容器位于该系统的工作区域中，在结合在该系统中的提升装置4上方并被锁定。通过保持器3将容器1固定在该系统中的工作位置中。此后，提升装置4将容器1的位于上端处的可移动的底部2升起到工作平面以用于层的施加。通过施加装置41和43对材料的施加以及后续的对粘结剂的施加开始于可移动的底部2的上端位置中，其中其与容器的上边缘对准(图2)。

在分别施加了粉末材料层和粘结剂之后，由于需要沉积的高度始终是恒定的，所以必须将已经形成的层降下一个步幅，该步幅等于一个层的厚度。在将相应的层和粘结剂施加之后，提升装置4将可移动的底部2降下一个步幅，该步幅等于该层的厚度，多次实施该程序直到完成一个或多个物体的生成，或者直到完成该底部在竖向方向上的全部行程。

在生成复合材料模具27的阶段没有使用容器1的整个工作高度的情况下，然后接着进行将可移动的底部2降下到下端位置的阶段。

在下一个阶段中，将具有已经生成的一个或多个模具27的用于直接浇铸的容器手动或者自动地越过处于最低位置中的提升装置4从用于逐层生成三维物体的系统移除。出于获得更高性能的整体循环的目的，在最短可能的时间期限内用另一个完全相同的容器替换该容器1用于该系统的下一个操作循环。使用固定元件3固定地设定下一个容器1，这些固定元件3确定其精确定位并阻止其可能的移动。

在该方法的下一个阶段中，取走已经从该系统移除的容器1以便移除过剩的未粘结的粉末材料29以形成模具27的待被填充熔化的金属的工作腔室。同时，不移除填充容器1且包围模具27外部的未粘结的粉末材料26。优选地，从模具27的工作腔室移除粉末材料29是通过振动或者通过真空抽吸或者通过这二者的结合来实施的。图6示意性地示出了一种真空抽取装置28。在将工作腔室清洁之后，形成了在可移除容器1在其从机器移除之后向其中的铸造模具27中直接浇铸的可能性。

下一个阶段是在所述一个或多个模具27中直接浇铸熔化的金属30，而无需将这些模具从所述容器1移除，正如在图7中示意性示出的。

在铸造元件31冷却之后，将它们从容器1移除并将残余的粉末材料26清除。

在该方法的最后阶段中，将注口系统、冒口和铸造元件31的其他元件完全移除直到获得所需的铸造元件。

对于本领域的专业人员将会清楚的是可以对该方法和系统做出各种修改，也均落入所附权利要求中限定的本发明的范围内。该系统的所有部件可以用技术上等效的元件替换。

包括在权利要求中的技术特征的附图标记仅用于增加权利要求的可理解性的目的，因此，这些附图标记对由这些附图标记标示的元件的解释不具有任何限定作用。

Claims (8)

1.一种用于通过逐层生成复合材料模具来直接浇铸铸造元件的方法，所述方法包括如下连续的阶段：

–逐层生成复合材料模具的阶段，包括将粉末材料和合适的粘结剂多次相继施加到用于由粉末材料逐层生成三维物体的系统中的可竖向移动的工作台上，其中粘结剂的施加是在正在生成的模具的后续的层上方按照预先设定好的样式执行的，并且所述工作台是用于直接浇铸的可移除容器(1)的可竖向移动的底部(2)，所述容器位于该系统的工作区域中，其中在所述可竖向移动的底部(2)上生成不可拆卸的整体式的一个或多个复合材料模具(27)，这些复合材料模具结合有一个或多个型芯或者没有型芯；

–在前述的生成复合材料模具的阶段没有使用所述容器(1)的整个工作高度的情况下，在生成所述一个或多个复合材料模具(27)之后将所述可竖向移动的底部(2)降下到下部位置的阶段；

–将具有已经生成的所述一个或多个复合材料模具(27)的、用于直接浇铸的容器(1)从用于由粉末材料逐层生成三维物体的所述系统的工作区域移除的阶段；

–将过剩的未粘结的粉末材料(29)从所述一个或多个复合材料模具(27)的工作腔室移除的阶段，因此这些工作腔室制备成用于向容器(1)中直接浇铸以便生产铸造元件(31)；

–在无需将所述一个或多个复合材料模具从所述容器(1)移除的情况下在所述一个或多个复合材料模具(27)中直接浇铸的阶段；

–在铸造元件冷却之后将铸造元件从所述容器移除并随后将残余的粉末材料清除的阶段；

–将注口装置、冒口和铸造元件的其他部件最终移除直到获得所需的铸造元件的阶段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，粉末材料(29)的移除是通过振动或通过真空抽吸或者通过振动与真空抽吸这二者的结合实施的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于直接浇铸的容器(1)的所述可竖向移动的底部(2)通过用于提升和降下所述可竖向移动的底部(2)的装置(4)而在上端位置与下端位置之间在竖向方向上移动，所述用于提升和降下所述可竖向移动的底部的装置结合在用于由粉末材料逐层生成三维物体的所述系统中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在生成模具的过程中用于直接浇铸的所述容器(1)通过保持器(3)定位并固定在用于逐层生成三维物体的所述系统中。

5.一种用于按照权利要求1所述的方法由粉末材料逐层生成三维物体以便直接浇铸的系统，包括可竖向移动的工作台、用于多次相继施加粉末材料和合适的粘结剂的一个或多个施加装置(41、43)，所述粘结剂在正在所述工作台上生成的三维物体的层的上方按照预先设定好的样式施加，其中施加装置(41、43)位于所述工作台上方，其中所述工作台是可移除容器(1)的可竖向移动的底部(2)，当可竖向移动的底部(2)到达下端位置时被限制从可移除容器(1)移出，其中所述可移除容器(1)是由在将其从用于逐层生成三维物体的所述系统移除之后允许在所述可移除容器中进行直接浇铸的材料制成的，该系统还包括用于在上端位置与下端位置之间提升和逐步降下所述可竖向移动的底部(2)的内置式的剪叉式提升装置(4)，其特征在于，所述剪叉式提升装置(4)由两对细长的剪臂构成，这两对剪臂彼此以一段距离布置，每对剪臂的两个剪臂(10、11)彼此交叉布置，所述两对细长的剪臂中的剪臂(10、11)通过这些剪臂的交叉点处的中心轴(12)和通过连接这些剪臂(10、11)的端部的四根端轴彼此连接，其中这些端轴中的两个端轴(13、16)连接这些剪臂的下端并在竖向方向上固定，其中一个下端轴(13)在水平方向上固定，另一个下端轴(16)可水平移动并由两个水平下导轨(21)导向，另外两个端轴(14、15)连接这些剪臂的上端和上支撑元件(35)并且可在竖向方向上移动，其中一个上端轴(15)在水平方向上固定，另一个上端轴(14)可水平移动且由两个水平上导轨(22)导向，其中剪叉式提升装置的驱动装置包括具有减速箱(20)的电机，其驱动相对的轴承支撑的螺钉-螺母齿轮(19)，该齿轮适于在两个相反的方向上驱动两组四个辊轮(17)，其均相应地由两个水平支承梁(23、24)承载，其中这些支承梁在中心轴的水平面中布置在中心轴(12)两侧上且与中心轴平行，且在每个支承梁的相对两端处安装彼此靠近的两个辊轮(17)，以便于相应地与两个剪臂的其中一个剪臂的其中一个侧表面一直接触并能够在该侧表面上滚动，其中这些剪臂(10、11)的侧表面指向中心轴(12)的水平面，其中剪叉式提升装置的驱动装置适配成使得在辊轮承载件的分离方向上，使每对中的剪臂的端部朝向中心轴(12)的水平面聚在一起并相应地将上支撑元件(35)降下，以及在将辊轮承载件聚在一起的方向上，使剪臂的端部远离中心轴(12)的水平面移动，并相应地将上支撑元件(35)升起，其中驱动装置是借助受保护的柔性电线(25)电驱动的。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述可移除容器(1)在其底部处设置四个旋转轮(5)。

7.根据权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述系统具有用于将所述可移除容器(1)定位并锁定在工作位置中的保持器(3)。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述剪叉式提升装置(4)安装在该系统的基部处且位于固定在该系统中的工作位置中的可移除容器(1)下方。