CN108555238B - 一种选择性激光烧结的熔模及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于熔模铸造领域，并具体公开了一种选择性激光烧结的熔模及其制造方法，该选择性激光烧结熔模包括外层烧结区和内层粉末区，所述外层烧结区为封闭的空腔结构，其由粉末经激光烧结而成，所述内层粉末区容置于空腔结构的内部，并与空腔结构的内表面接触，其由未经激光烧结的粉末构成。本发明能够有效降低选择性激光烧结熔模的成本，大幅提高选择性激光烧结熔模制造的效率，保证熔模整体强度和稳定性的同时提高失蜡铸造熔失蜡模的效率。

Description

一种选择性激光烧结的熔模及其制造方法

技术领域

本发明属于熔模铸造领域，更具体地，涉及一种选择性激光烧结的熔模及其制造方法。

背景技术

选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)是快速成形技术的重要组成部分，其利用粉末状材料逐层烧结以成形所需零件，具有制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高，成型速度快等特点。

随着选择性激光烧结技术的推广与应用，其已在铸造业得到广泛应用，主要用于生产进行精密铸造失蜡铸造的熔模。该种技术无需使用模具就可以快速制造出零件的熔模并快速制造出金属零件，不仅可以实现复杂零件快速制造，而且能实现精密铸造工艺过程的集成化、自动化、快速化，大大缩短新产品的研发周期，节约研发成本，特别是在单件小批量复杂铸件的生产和新产品的试制中应用广泛。

现有的选择性激光烧结的熔模通常为实心结构，例如专利CN105436406A公开的一种基于选择性激光粉末烧结3D打印的精密蜡模铸造工艺，专利CN107297459A公开的一种采用3D打印实型模的不锈钢叶轮的熔模快速铸造工艺，专利CN105689643A公开的一种基于3D打印的钢基耐磨耐蚀涂层快速铸造制备方法。上述熔模均为实心结构，然而实心结构的熔模存在以下问题：首先，制造实心熔模意味着选择性激光烧结机的激光头要烧结更多的部分，打印周期较长；其次，在熔模铸造中，实心结构的熔模，在失蜡铸造的后续高温熔失熔模的过程中，容易出现烧不尽的问题，当然采用更高的温度也许能够将熔模熔失的更为干净彻底，但是太高的温度下，失蜡后得到的型壳容易出现裂纹，从而影响失蜡铸造的进行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种选择性激光烧结的熔模及其制造方法，其通过将熔模设计成外层烧结区及位于外层烧结区内部的内层粉末区，以实现熔模的制造，能够有效降低选择性激光烧结熔模的成本，大幅提高选择性激光烧结熔模制造的效率，保证熔模整体强度和稳定性的同时提高失蜡铸造熔失蜡模的效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种选择性激光烧结的熔模，其包括外层烧结区和内层粉末区，所述外层烧结区为封闭的空腔结构，其由粉末经激光烧结而成，所述内层粉末区容置于空腔结构的内部，并与空腔结构的内表面接触，其由未经激光烧结的粉末构成。

作为进一步优选的，所述空腔结构外表面的形状与待熔模铸造的零件形状适应。

作为进一步优选的，所述封闭的空腔结构的形状为球体、圆柱体或圆环。

作为进一步优选的，所述内层粉末区中的粉末颗粒之间留有空隙。

作为进一步优选的，所述内层粉末区的粉末材料均匀地填充在外层烧结区的空腔结构内并将空腔结构填满。

作为进一步优选的，所述外层烧结区的厚度≥40mm，优选为40mm。

按照本发明的另一方面，提供了一种所述熔模的制造方法，包括如下步骤：

S1根据待熔模铸造零件的结构设计熔模结构模型；

S2将熔模结构模型导入选择性激光烧结机中进行烧结成型，其中，烧结区域为外层烧结区，烧结区域内部未经烧结的部分为内层粉末区。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过将实心的需进行选择性激光烧结制造的熔模划分成两个区域：外层烧结区和内层粉末区。外层烧结区是需要选择性激光烧结机喷头处理的区域，而内层粉末区不需要选择性激光烧结机喷头处理，因而可以减少选择性激光烧结机喷头的行走路径，进而缩短烧结处理周期，提高生产和研发效率。

2.本发明由于内层粉末区的存在，可以保证选择性激光烧结的熔模具有一定的强度，能够满足熔模铸造工艺过程的需求；另外，由于内层粉末区是未经烧结的粉末存在区，粉末颗粒并未粘结到一起，因而在熔模铸造的熔模过程中更加容易熔去脱离型壳，提高熔模铸造的脱模效率，进而提高熔模铸造的效率。

3.由于外层烧结区的厚度至关重要，本发明经过研究将选择性激光烧结熔模的外层烧结区的厚度设计为至少40mm，以此不仅保证铸件的结构强度和稳定性，而且还便于熔模后续的快速有效熔失，同时将待激光烧结部分降低至最小区域，有效缩短生产周期，提高制造效率。

附图说明

图1是本发明的一个实施例提供的选择性激光烧结熔模的结构示意图；

图2是图1的截面图；

图3是本发明的选择性激光烧结熔模的制造方法的流程图；

图4a-c分别是本发明的另一个实施例提供的选择性激光烧结熔模的三维图、主视图和剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例提供了一种用于成形圆柱体结构熔模铸件的熔模，包括外层烧结区1和内层粉末区2，外层烧结区1为封闭的空腔结构，具有一定的厚度，其外表面具有待成型铸件的形状，即与待熔模铸造的零件形状适应，在精密铸造失蜡铸造中用于形成铸型的空腔，例如待熔模铸造的零件为型壳，则外层烧结区外表面形状即为型壳的内腔形状，与型壳内腔形状适应，内层粉末区2填充在空腔结构的内部，即外层烧结区包裹在内层粉末区的外面，该内层粉末区2与空腔结构内部接触，但二者之间并没有采用特殊方法相连，二者相互独立，不形成固定整体。

应该可以看到，图2所示的平面特征为图1所示的圆柱体结构熔模在径向的一个截面图。这个截面不仅将圆柱体结构熔模的外层烧结区分成两部分，还将熔模内部的内层粉末区分割成了两部分。应该可以理解，上述径向方向指的是图1中熔模的水平方向，与径向方向对应的是轴向方向，轴向方向是图1所示圆柱体熔模的母线方向。图2所示截面与图1熔模的轴向方向垂直，图2所示截面是图1圆柱体熔模的一个与轴向方向垂直的并将外层烧结区1和内层粉末区2分割成两部分的截面。

在上述实施例中，通过将选择性激光烧结的熔模铸造用熔模设置成外层烧结区1和内层粉末区2两部分，并且内层粉末区2部分不进行选择性激光烧结操作。虽然并未能减少粉末材料的使用，但是由于内层粉末区2不需要进行选择性激光烧结操作，可以有效的减少喷头的行走路径，进而能够缩短生产周期。对于图1所示圆柱体熔模来说，此方法缩短的时间长短取决于图2所示粉末烧结区截面大小，粉末烧结区截面面积越大，需要进行选择性激光烧结的粉末越多，缩短的打印时间越短。其中，外层烧结区1和内层粉末区2未激光烧结前为同一区域，由粉末(例如PS粉、树脂等)直接铺设而成，进行选择性激光烧结之后，烧结过的部分即为外层烧结区，未烧结的部分即为内层粉末区。

此外，将选择性激光烧结的熔模铸造用熔模设置成带内层粉末区2的结构，能够有效的提高熔模铸造的脱模效率。在熔模铸造中，实心结构的熔模，在失蜡铸造的后续高温熔失熔模的过程中，容易出现烧不尽的问题。当然，采用更高的温度也许能够将熔模熔失的更为干净彻底，提高脱模效率，但是太高的温度下，失蜡后得到的型壳容易出现裂纹，从而影响失蜡铸造的进行。本发明中将选择性激光烧结熔模设置成外层烧结区1和内层粉末区2两部分，内层粉末区2的存在，提供大量的未经烧结的粉末，这使得熔模的一部分以颗粒态存在，从而提高在熔模过程中的脱模效率。

再次参照图1，根据本发明的一个实施例，外层烧结区1和内层粉末区2的形状皆为圆柱体。外层烧结区1的存在可实现控形，即控制选择性激光烧结熔模的形状；同时能够保证选择性激光烧结熔模的强度，保证其不会轻易的破碎。此外，内层粉末区2包含在外层烧结区1内部，它的存在为选择性激光烧结熔模提供了支撑，能够进一步增加熔模的结构强度和稳定性。

应该可以理解，外层烧结区1的外表面所构成的形状结构，正是需通过熔模铸造得到的铸件形状。所以可以认为，外层烧结区1的外表面形状取决于熔模铸造所铸的零件形状，而不仅仅局限于本发明中所展示的图1所示的圆柱体零件。事实上，需采用熔模铸造方式制造的零件，一般为结构复杂，成型较为精密的零件。也即，图1的外层烧结区1的外表面形状一般较为复杂。而根据本发明的一个实施例，将选择性激光烧结熔模简化为一个简单的圆柱体结构进行说明。

进一步地，根据本发明的一个实施例，内层粉末区2的形状也为圆柱体。在附图中，由于在一些实施例中，熔模铸造铸件的形状并非圆柱体，而是一些较为复杂的形状结构。对于这些结构，外层烧结区1的外表面形状即为铸件的形状，而内层粉末区2的形状则不然。内层粉末区2的形状可以随着铸件的形状变化，并不仅仅局限于圆柱体结构。因此，可以说内层粉末区2的形状是可以调整的。

根据本发明的一个实施例，在搬运和制造熔模铸件例如型壳的过程中，需要保证铸件的结构强度和稳定性，因此外层烧结区的厚度至关重要，本发明经过研究发现，当选择性激光烧结熔模的外层烧结区的厚度至少为40mm时，不仅可以保证铸件的结构强度和稳定性，而且还便于熔模后续的快速有效熔失，同时将待激光烧结部分降低至最小区域，有效缩短生产周期，提高制造效率。

如图3所示，根据本发明的另一个方面的实施例，提供了一种选择性激光烧结熔模的方法，包括：

S1根据待成型铸件的结构设计熔模结构模型；

通过待成型铸件的结构设计熔模结构模型，实际上即是根据待熔模铸造的零件形状确定熔模的结构形状，该熔模结构形状也即为外层烧结区形状；

S2将熔模结构模型导入选择性激光烧结机中进行烧结成型，根据外层烧结区形状及厚度烧结出外层烧结区部分，外层烧结区内部未经烧结的部分即为内层粉末区(2)，其中，可采用现有的任意选择性激光烧结机进行激光烧结成型，其结构为现有技术，在此不限定。

通过上述方法形成的选择性激光烧结熔模，将实心的须进行选择性激光烧结制造的熔模划分成两个区域：外层烧结区和内层粉末区。外层烧结区是需要选择性激光烧结机喷头处理的区域，而内层粉末区不需要选择性激光烧结机喷头处理。因而，可以减少选择性激光烧结机喷头的行走路径，缩短生产周期，提高生产和研发效率；此外，内层粉末区的存在，对熔模外层烧结区起到了支撑作用，可以保证选择性激光烧结的熔模具有一定的强度，能够满足熔模铸造工艺过程的需求；另外，由于内层粉末区是未经烧结的粉末存在区，粉末颗粒并未粘结到一起，因而在熔模铸造的熔模过程中更加容易熔去脱离型壳，提高熔模铸造的脱模效率，进而提高熔模铸造的产出效率。

本发明通过利用选择性激光烧结一次性高精度成型的优势，将选择性激光烧结的熔模铸造用熔模整体结构优化，设计了一种分区成形结构：外层烧结区1和内层粉末区2，使选择性激光烧结熔模在减小成形体积前提下仍能够获得满足熔模铸造需求的整体强度和结构稳定性，以达到减少成形过程中树脂粘结剂的使用，减低生产成本的同时提高生产效率的目的。

根据本发明的一个实施例，提供一种选择性激光烧结熔模铸造用熔模的设计方法，是将原有整体熔模设计成一种层状分区结构，包括：外层烧结区1和内层粉末区2。

外层烧结区1是指熔模铸造用熔模的外层部分，它具有熔模铸件的形状，其结构为具有一定厚度实心蜡层。包含在外层烧结区1内部的是内层粉末区2，内层粉末区2是未经粘结的粉末部分，它的形状一般可以随铸件形状调整，可以为圆柱体，也可以为其他形状。内层粉末区2的形状虽然没有特别的要求，但是尽量不带尖角部位，尖角部分将造成应力集中，降低熔模的结构强度和稳定性。外层烧结区1和内层粉末区2之间相互接触，但是并未采用任何方式连接。

本发明有效降低了熔模铸造用熔模的选择性激光烧结成本，制备效率得到明显提升；并且内层粉末区2的存在和外层烧结区1的一定厚度，保证了熔模的整体强度和结构稳定性。

下面为具体实施例，参见图4a-c，对本发明进一步进行说明。

S1根据待熔模铸造零件的形状设计出如图4a所示的熔模结构模型，其包括外层烧结区和内层粉末区，熔模铸造熔失蜡模过程中，该熔模结构将熔化，其中外层烧结区部分液化顺型壳流出，而内层松散的粉末区由于并未形成整体结构，细小的颗粒能够从外层烧结区的熔缺部分流出，使得熔模的整个融化流出更加顺利。设计的熔模结构模型为三维模型，利用分层切片软件将三维模型分成多个层，获取各层的截面信息，每个层的截面信息包括外层烧结区和内层粉末区信息，即包含有待烧结区域与无需烧结区域信息，其中，分层厚度可根据实际需要进行设定；

S2将熔模结构模型导入选择性激光粉末烧结机中进行烧结成型，即将熔模结构模型各层对应的截面信息导入选择性激光粉末烧结机中，选择性激光粉末烧结机根据每层截面信息逐层进行选择性烧结，即先完成一层烧结然后再进行下一层烧结，直至完成所有层的烧结，由此即可获得所需的熔模，该熔模所有层烧结部分构成的整体结构即为外层烧结区，外层烧结区的厚度为40mm，该熔模所有层未烧结部分构成的整体结构即为内层烧结区，其中每层铺设的粉末为PS粉，铺设的厚度为0.1mm，激光烧结的功率为40w，扫描速度为1800mm/s。如图4c所示，获得的熔模包括外层烧结区以及位于外层烧结区内部的内层粉末区，其中外层烧结区为封闭的空腔结构，其通过对铺设的粉末进行激光烧结获得，内层粉末区位于外层烧结区内部，其由未经烧结的粉末构成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种选择性激光烧结的熔模，其特征在于，包括外层烧结区(1)和内层粉末区(2)，所述外层烧结区(1)为封闭的空腔结构，其由粉末经激光烧结而成，其厚度≥40mm，所述内层粉末区(2)容置于空腔结构的内部，并与空腔结构的内表面接触，其由未经激光烧结的粉末构成；在熔失熔模过程中该熔模熔化，其中外层烧结区部分液化流出，而内层松散的粉末区由于未粘结到一起，即未形成整体结构，粉末颗粒从外层烧结区的熔缺部分流出，使得熔模的整个熔化流出更加顺利，提高熔模铸造的脱模效率，进而提高熔模铸造的效率。

2.如权利要求1所述的选择性激光烧结的熔模，其特征在于，所述空腔结构外表面的形状与待熔模铸造的零件形状适应。

3.如权利要求1所述的选择性激光烧结的熔模，其特征在于，所述封闭的空腔结构的形状为球体、圆柱体或圆环。

4.如权利要求1所述的选择性激光烧结的熔模，其特征在于，所述内层粉末区(2)中的粉末颗粒之间留有空隙。

5.如权利要求1所述的选择性激光烧结的熔模，其特征在于，所述内层粉末区(2)的粉末材料均匀地填充在外层烧结区(1)的空腔结构内并将空腔结构填满。

6.如权利要求1-5任一项所述的选择性激光烧结的熔模，其特征在于，所述外层烧结区(1)的厚度为40mm。

7.一种如权利要求1-6任一项所述熔模的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1根据待熔模铸造零件的结构设计熔模结构模型；

S2将熔模结构模型导入选择性激光烧结机中进行烧结成型，其中，烧结区域为外层烧结区(1)，烧结区域内部未经烧结的部分为内层粉末区(2)。

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