CN109158542A - 基于激光选区烧结的陶瓷型铸造ps整体模具及其快速铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具及其快速铸造方法，它属于精密铸造技术领域。本发明整体模具包括目标零件PS模型、金属液浇注系统PS模型、模具外壳PS模型、陶瓷浆料灌注系统PS模型和陶瓷浆料灌注空腔，金属液浇注系统PS模型与目标零件PS模型连接固定于模具外壳PS模型的内部，金属液浇注系统PS模型和目标零件PS模型的外壁与模具外壳PS模型的内壁之间形成陶瓷浆料灌注空腔，本发明还提供整体模具的快速铸造方法。本发明省去了传统陶瓷型精密铸造过程中模具加工制造及模具组合拼装环节，缩短了零件制造周期，节省了产品制造成本，提高了产品开发效率，铸件尺寸精度高，表面质量好，满足使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种模具及其方法，尤其是涉及一种基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具及其快速铸造方法，它属于精密铸造技术领域。
背景技术
陶瓷型精密铸造是在砂型铸造和熔模铸造的基础上发展起来的一种新工艺。陶瓷型是利用质地较纯、热稳定性较高的耐火材料作造型材料；用硅酸乙酯水解液作粘结剂，在催化剂的作用下，经灌浆、结胶、起模、焙烧等工序而制成的。陶瓷型精密铸造具有较高的尺寸精度和表面光洁度，其铸件尺寸精度高达3—5级、表面粗糙度可达Ra1.25μm—Ra10μm。目前陶瓷型精密铸造已广泛应用于塑料模、玻璃模、橡胶模、压铸模、锻压模、冲压模、金属型、热芯盒、工艺品等表面形状不易加工铸件的生产。
陶瓷型铸造生产的第一个工序就是制造模具，传统的陶瓷型铸造工艺采用机加工等方法制造模具。但是，对于复杂形状零件，其模具的制作难度和成本较高，模具设计开发周期长、制造成本高，难以满足复杂形状零件单件、高精度快速生产制造的要求，尤其是在新产品开发试制阶段。
3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。3D打印技术的制造原理是基于“增材制造”的思想，它与传统的加工工艺通过切削、打磨、冲压等来实现产品成型的过程具有本质区别，仅利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，且无需模具，有效缩短了加工周期，易于实现单件小批量复杂形状产品的快速制造，在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势。
激光选区烧结（SLS）技术作为一种主流的3D打印技术，具有可采用多种材料、制造工艺简单、材料利用率高、应用广泛等特点。目前可用于激光选区烧结工艺的材料种类较多，按材料性质可分为金属基粉末材料、陶瓷基粉末材料、覆膜砂、高分子基粉末材料等，其中高分子粉末是目前应用最多也是应用最成功的SLS 材料，在SLS 成形材料中占有重要地位。目前SLS技术应用较多的高分子材料主要包括聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、尼龙等，其中聚苯乙烯（PS）的烧结温度较低，烧结变形小，成形性能优良，可应用于熔模精密铸造工艺。
公开日为2017年10月10日，公开号为107234213A的中国专利中，公开了一种名称为“高压不锈钢泵体的陶瓷型精密铸造方法”的实用新型专利。该专利包括以下步骤：将预先调好的陶瓷浆料倒入砂箱；将上表面刮平，灌浆后结胶冷却5-15min后，待陶瓷层消有弹性时起模，起模时先将浇注系统、通气棒取出，然后垂直取出母模。虽然该专利工艺简单，制造周期短，成本低，铸件精度高，但是未采用激光选区烧结，且不适用于复杂形状零件的单件铸造，故其还是存在上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种工艺设计简单合理，采用激光选区烧结工艺制造PS材料整体模具，省去了传统模具加工制造环节，可快速、经济地实现复杂形状零件的陶瓷型精密铸造，具有生产周期短，生产成本低，制造精度高，特别适用于复杂形状零件的单件、高精度快速生产制造领域的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具及其快速铸造方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具，包括目标零件PS模型、金属液浇注系统PS模型和模具外壳PS模型，所述金属液浇注系统PS模型与目标零件PS模型连接固定于模具外壳PS模型的内部，其特征在于：还包括陶瓷浆料灌注系统PS模型和陶瓷浆料灌注空腔，所述金属液浇注系统PS模型和目标零件PS模型的外壁与模具外壳PS模型的内壁之间形成陶瓷浆料灌注空腔，陶瓷浆料灌注系统PS模型采用上端开口、内部中空形状，该陶瓷浆料灌注系统PS模型设置在模具外壳PS模型的最上端，陶瓷浆料灌注系统PS模型的内部中空部位与陶瓷浆料灌注空腔连通。
作为优选，本发明所述金属液浇注系统PS模型与目标零件PS模型位于PS整体模具的中心位置。
作为优选，本发明所述模具外壳PS模型采用一定壁厚的中空壳体。
作为优选，本发明所述陶瓷浆料灌注空腔的最小间隙大于理想陶瓷型壳的最小壁厚。
本发明还提供一种基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，采用所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具，其特征在于：包括以下工序步骤：
（1）模具整体三维模型CAD设计：基于三维建模软件建立由目标零件模型、金属液浇注系统模型、陶瓷浆料灌注系统模型以及控制陶瓷坯体外型的模具外壳模型各部分共同组成的模具整体三维模型，在此基础上对该模具整体三维模型进行预缩放处理，并在保证模具强度足够的条件下对其进行抽壳处理；
（2）PS整体模具激光烧结成型：以PS粉末为原材料，采用激光选区烧结工艺将模具整体模型3D打印成型，并进行PS原型后处理，制得PS材料整体模具，该PS整体模具由目标零件PS原型、金属液浇注系统PS原型、陶瓷浆料灌注系统PS原型以及控制陶瓷坯体外型的模具外壳PS原型各部分组成；
（3）灌注陶瓷浆料制作陶瓷型壳：制备流动粘性较好的陶瓷浆料并将其通过陶瓷浆料灌注系统灌注入陶瓷浆料灌注空腔直至填满，待陶瓷浆料干燥后制得内含PS模具的陶瓷型壳；
（4）陶瓷型壳高温烧结并浇铸成型：将内含PS模具的陶瓷型壳进行高温烧结，使得陶瓷型壳内部的PS模具充分受热分解，PS模具部分烧蚀干净后形成中空的陶瓷型壳，再将熔融金属液通过金属液浇注系统浇注进陶瓷型壳内部，待其冷却后再进行铸件后处理，最终制得目标零件精密金属铸件。
作为优选，本发明所述步骤（1）中，三维建模软件采用Pro/E、UG和SolidWorks等中的一种；也可选用其他的三维建模软件。
作为优选，本发明所述步骤（1）中，抽壳处理的抽壳壁厚设置为2mm-10mm。
作为优选，本发明所述步骤（2）中，PS原型后处理包括清粉、打磨工序。
作为优选，本发明所述步骤（3）中，陶瓷浆料采用硅酸乙酯水解液和质地较纯、热稳定性较高的细耐火砂如电熔石英、锆英石和刚玉混合制成流动粘性好的陶瓷浆料；也可采用其它类似配方配制。
作为优选，本发明所述步骤（4）中，铸件后处理依次包括去除陶瓷型壳、切除浇注系统、打磨抛光工序。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：（1）整体设计合理，模具制造成本低、模具开发周期短、配套铸造工艺简单；（2）将目标零件、金属液浇注系统、陶瓷浆料灌注系统以及模具外壳四部分设计成模具整体三维模型，并采用激光选区烧结工艺快速制造PS材料整体模具，该PS整体模具可直接用于灌注陶瓷浆料以制作陶瓷型壳，省去了传统陶瓷型精密铸造过程中模具加工制造及模具组合拼装环节，节省了模具制造成本及工时，同时也节省了复杂模具组合拼装所需的人工费用及工时；（3）在有效继承了陶瓷型精密铸造所具备的尺寸精度高及表面质量好这两个优点的基础上，简化了陶瓷型铸造工艺过程，缩短了零件制造周期，节省了产品制造成本，提高了产品开发效率，可实现复杂形状零件的单件、高精度快速精密铸造。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程示意图。
图2为本发明实施例的模具整体模型示意图。
图3为本发明实施例的模具整体模型剖视示意图。
图4为本发明实施例的高温焙烧后的中空陶瓷型壳剖视示意图。
图中：目标零件PS模型1，金属液浇注系统PS模型2，模具外壳PS模型3，陶瓷浆料灌注系统PS模型4，陶瓷浆料灌注空腔5，金属液浇注系统空腔6，陶瓷型壳7，目标零件浇注空腔8。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1至图4，本实施例基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具包括目标零件PS模型1、金属液浇注系统PS模型2、模具外壳PS模型3、陶瓷浆料灌注系统PS模型4和陶瓷浆料灌注空腔5，金属液浇注系统PS模型2与目标零件PS模型1连接固定于模具外壳PS模型3的内部，且除了连接固定处以外，金属液浇注系统PS模型2和目标零件PS模型1的外壁与模具外壳PS模型3的内壁之间形成陶瓷浆料灌注空腔5，且其最小间隙不能小于理想陶瓷型壳的最小壁厚。
本实施例的陶瓷浆料灌注系统PS模型4采用上端开口、内部中空形状，该陶瓷浆料灌注系统PS模型4设置在模具外壳PS模型3的最上端，陶瓷浆料灌注系统PS模型4的中空部位直通陶瓷浆料灌注空腔5以制作陶瓷型壳7，主要功能为通过该灌注系统可以将陶瓷浆料灌注进该陶瓷浆料灌注空腔5以制作陶瓷型壳7。
本实施例的金属液浇注系统PS模型2与目标零件PS模型1紧密相连，并处于PS整体模具的中心位置。
本实施例的模具外壳PS模型3为足以容纳金属液浇注系统PS模型2与目标零件PS模型1的、具有一定壁厚的中空壳体，主要功能为用于控制陶瓷型壳7外型。
本实施例的模具整体三维模型由目标零件PS模型1、金属液浇注系统PS模型2、模具外壳PS模型3、陶瓷浆料灌注系统PS模型4四部分组成，此四部分通过三维建模软件如Pro/E、UG、SolidWorks等设计成一个整体三维模型。
本实施例的工作原理为：该陶瓷型铸造PS整体模具工作时，先将流动粘性较好的陶瓷浆料通过陶瓷浆料灌注系统灌注进该陶瓷浆料灌注空腔5直至填满，待陶瓷浆料干燥后制得内含PS模具的陶瓷型壳7；再将内含PS模具的陶瓷型壳7进行高温烧结，使得陶瓷型壳7内部的PS模具充分受热分解，PS模具部分烧蚀干净后形成中空的陶瓷型壳7；最后将熔融金属液通过金属液浇注系统浇注进陶瓷型壳7内部，待其冷却后依次进行去除陶瓷型壳7、切除浇注系统、打磨抛光等后处理工序，即可制得目标零件精密金属铸件。
本实施例基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，包括以下工序步骤：
第一步：基于三维建模软件如Pro/E、UG或SolidWorks等，设计模具整体三维模型，参见图2、图3。
（a）首先设计目标零件PS模型1，并在其上设计熔融金属液浇注系统PS模型2、陶瓷浆料灌注系统PS模型4以及用于控制陶瓷坯体外型的模具外壳PS模型3，使得目标零件模型、金属液浇注系统模型、陶瓷浆料灌注系统模型以及模具外壳模型等各部分共同组成一副模具整体三维模型。
（b）根据目标零件的材料种类、结构特点，结合前期开展的铸造实验数据记录及数据分析，精确预测该目标零件在铸造工艺过程中的收缩率，并据此对模具整体三维模型进行预缩放处理，也可单独对目标零件PS模型1部分进行预缩放处理。
（c）在保证模具强度足够的条件下，可对其进行抽壳设计（不抽壳设计也可），抽壳壁厚一般设置为2mm-10mm，即可节约后续激光烧结用的PS粉末材料，又能减小后续高温烧结过程中PS模具受热膨胀后胀裂陶瓷型壳7的风险，该抽壳设计既可以是模具整体抽壳设计，也可以是仅对壁厚较大部分进行局部抽壳设计。
第二步，模具整体三维模型激光烧结成型，制得PS材料整体模具，该PS整体模具由目标零件PS原型、金属液浇注系统PS原型、陶瓷浆料灌注系统PS原型以及控制陶瓷坯体外型的模具外壳PS原型各部分组成。
（a）将前述设计完成的模具整体三维模型转换成STL数据格式，并导入前处理软件进行前处理，如造型方向定位、分层处理等。
（b）将完成前处理的模具整体三维模型数据导入激光选区烧结成型设备（激光烧结3D打印机），以PS粉末为材料进行激光烧结成型，打印完成后得到PS材料整体模具。
（c）将打印完成得到的PS材料整体模具进行清粉、打磨等后处理。
第三步，制备陶瓷浆料并将其灌注进PS材料模具内部，制得陶瓷型壳7，参见图2、图3。
（a）将硅酸乙酯水解液和质地较纯、热稳定性较高的细耐火砂如电熔石英、锆英石、刚玉等混合制成流动粘性较好的陶瓷浆料。
（b）将制备好的陶瓷浆料通过陶瓷浆料灌注系统灌注进陶瓷浆料灌注空腔5直至填满，待陶瓷浆料干燥后制得内含PS模具的陶瓷型壳7。
第四步：陶瓷型壳7高温烧结并浇铸成型，最终制得目标零件金属铸件，参见图4。
（a）将前述制得的内含PS模具的陶瓷型壳7进行高温烧结，使得陶瓷型壳7内部的PS模具充分受热分解并烧蚀干净后形成内部中空的陶瓷型壳7，其内部空腔主要由金属液浇注系统空腔6及目标零件浇注空腔8组成。
（b）将熔融金属液通过金属液浇注系统空腔6浇注进陶瓷型壳7内部，待其冷却后形成包含浇注系统及目标零件的铸件毛坯。
（c）对铸件毛坯依次进行去除陶瓷型壳7、切除浇注系统、打磨抛光等后处理工序，最终制得目标零件精密金属铸件。
本实施例的附图仅用来提供对本发明的进一步理解，用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，尤其是附图中的目标零件，仅仅是为了解释本发明而设定的一个虚拟的零件，并不影响实际适用零件的广泛性。
通过上述阐述，本领域的技术人员已能实施。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具，包括目标零件PS模型、金属液浇注系统PS模型和模具外壳PS模型，所述金属液浇注系统PS模型与目标零件PS模型连接固定于模具外壳PS模型的内部，其特征在于：还包括陶瓷浆料灌注系统PS模型和陶瓷浆料灌注空腔，所述金属液浇注系统PS模型和目标零件PS模型的外壁与模具外壳PS模型的内壁之间形成陶瓷浆料灌注空腔，陶瓷浆料灌注系统PS模型采用上端开口、内部中空形状，该陶瓷浆料灌注系统PS模型设置在模具外壳PS模型的最上端，陶瓷浆料灌注系统PS模型的内部中空部位与陶瓷浆料灌注空腔连通。
2.根据权利要求1所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具，其特征在于：所述金属液浇注系统PS模型与目标零件PS模型位于PS整体模具的中心位置。
3.根据权利要求1所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具，其特征在于：所述模具外壳PS模型采用一定壁厚的中空壳体。
4.根据权利要求1所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具，其特征在于：所述陶瓷浆料灌注空腔的最小间隙大于理想陶瓷型壳的最小壁厚。
5.一种基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，采用权利要求1-4任意一项所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具，其特征在于：包括以下工序步骤：
（1）模具整体三维模型CAD设计：基于三维建模软件建立由目标零件模型、金属液浇注系统模型、陶瓷浆料灌注系统模型以及控制陶瓷坯体外型的模具外壳模型各部分共同组成的模具整体三维模型，在此基础上对该模具整体三维模型进行预缩放处理，并在保证模具强度足够的条件下对其进行抽壳处理；
（2）PS整体模具激光烧结成型：以PS粉末为原材料，采用激光选区烧结工艺将模具整体模型3D打印成型，并进行PS原型后处理，制得PS材料整体模具，该PS整体模具由目标零件PS原型、金属液浇注系统PS原型、陶瓷浆料灌注系统PS原型以及控制陶瓷坯体外型的模具外壳PS原型各部分组成；
（3）灌注陶瓷浆料制作陶瓷型壳：制备流动粘性较好的陶瓷浆料并将其通过陶瓷浆料灌注系统灌注入陶瓷浆料灌注空腔直至填满，待陶瓷浆料干燥后制得内含PS模具的陶瓷型壳；
（4）陶瓷型壳高温烧结并浇铸成型：将内含PS模具的陶瓷型壳进行高温烧结，使得陶瓷型壳内部的PS模具充分受热分解，PS模具部分烧蚀干净后形成中空的陶瓷型壳，再将熔融金属液通过金属液浇注系统浇注进陶瓷型壳内部，待其冷却后再进行铸件后处理，最终制得目标零件精密金属铸件。
6.根据权利要求5所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，其特征在于：所述步骤（1）中，三维建模软件采用Pro/E、UG和SolidWorks等中的一种。
7.根据权利要求5所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，其特征在于：所述步骤（1）中，抽壳处理的抽壳壁厚设置为2mm-10mm。
8.根据权利要求5所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，其特征在于：所述步骤（2）中，PS原型后处理包括清粉、打磨工序。
9.根据权利要求5所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，其特征在于：所述步骤（3）中，陶瓷浆料采用硅酸乙酯水解液和质地较纯、热稳定性较高的细耐火砂如电熔石英、锆英石和刚玉混合制成流动粘性好的陶瓷浆料。
10.根据权利要求5所述的基于激光选区烧结的陶瓷型铸造PS整体模具的快速铸造方法，其特征在于：所述步骤（4）中，铸件后处理依次包括去除陶瓷型壳、切除浇注系统、打磨抛光工序。
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