CN111215578B - 一种基于壳型增材和余区填充的铸型制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于壳型增材和余区填充的铸型制备方法，属于增材制造领域。挤出口侧面与铸型内壁曲面相切，加工曲线间距根据铸型内壁特点和实际成型需要确定。挤出口控制片的端部与上一层已成型壳体顶部接触，壳体成型材料通过挤出口挤出，并与上一层已成型壳体粘结，逐步形成铸型内壁壳体。铸型外壁的挡板事先安装在成型设备上，随着成型过程进行提升或下降，根据铸型各层需进行填充的体积大小，将相应体积的颗粒快速填充到该区域，并将其刮平、粘结、固化，逐步形成铸型。本发明的益处和效果是：铸型内壁通过壳型切向增材方法实现，铸型外壁采用挡板替代，具有成型速度快、精度高等优点。

Description

一种基于壳型增材和余区填充的铸型制备方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及基于增材制造技术实现铸型快速制备的方法。
背景技术
增材制造(俗称3D打印)，一般是将计算机设计出的三维模型分解成若干层具有简单轮廓的薄层切片，先将最底层切片的形状制作出来，然后自下而上将切片逐层加工并叠加累积起来，最终“堆积”成完整的物体，即可制造出三维实体零件。
基于增材制造技术，可以制作出形状复杂的零件，极大的提高了产品设计的想象空间及生产制造的实现可能，近年来发展迅速且已成为研究热点。但是，若用增材制造技术直接制备金属零件，成本很高，效率也较低，并且一般难以直接制作工程件。
经过研究和生产实践发现，若先通过增材制造技术制作出铸型(例如砂型)，再通过铸造方法生产铸件，则可实现复杂形状金属零部件的制造，具有高效率、高性能、低成本、近净形等明显优势。
发明内容
本发明提供了一种基于曲面切向壳型增材和余区填充技术实现铸型快速制备的方法。
本发明的技术方案包括以下步骤：
步骤1：应用三维造型软件，绘制出铸型的三维CAD模型，该三维CAD模型可以看作具有实体和空腔两个区域，实体区域对应于后续生产时的铸型区域，实体内壁为铸型的内壁，空腔区域对应于后续生产时的铸件区域。
步骤2：对铸型的三维CAD模型进行处理，获得该三维CAD模型的内壁的各层加工曲线，挤出口侧面与铸型内壁曲面相切，加工曲线间距根据铸型内壁特点和实际成型需要确定，加工曲线信息包括各点的坐标值及加工方向，该加工曲线为后续成型挤出口的运动路径。
同步的，对应于铸型内壁各层加工曲线，得到铸型对应各层区域的体积大小，该区域为后续成型过程中需要进行填充的区域。
步骤3：自下而上制备铸型，从最底层加工曲线开始；根据加工曲线信息，调节成型装置各轴的运动，使得挤出口一侧控制片的端部与上一层材料顶部端点接触(若加工曲线为第一层，挤出口控制片与基底接触)；将壳体成型材料混合均匀，通过挤出口将成型材料挤出，壳体成型材料与上一层材料粘结(若加工曲线为第一层，挤出材料则与基底粘结)，壳体成型材料将其待成型空间填满后，挤出口向前移动并继续挤出壳体成型材料，直至完成一层壳的成型。
步骤4：铸型外壁的挡板事先安装在成型设备中，挡板垂直穿过铸型成型平台，随着成型过程进行提升或下降；根据铸型各层需进行填充的体积大小，调节颗粒填充装置的注入位置和流量，将相应体积数量的颗粒快速填充到该区域，将填充颗粒刮平后喷洒粘结剂使其粘结固化。
若铸型底部具有一定厚度，则需要在挤出口制备壳型之前，在成型平台上先填充一定厚度成型材料，可按照步骤4的方法进行颗粒的填充、刮平和粘结固化。
步骤5：重复上述步骤3～步骤4的工艺过程，直至完成整个铸型的制备。
本发明的效果和益处是：
与目前已有的基于增材制造技术制备铸型的方法相比，本发明提出的方法在制备铸型时，其成型核心区域为铸型的内壁，通过壳型增材方法实现，需要成型的区域小；铸型的其余部分采用颗粒物填充成型，填充效率高；加工曲线间距可达数毫米，是FDM、SLS等增材制造方法层厚的十倍以上，成型速度快；并且由于采用折线段逼近曲线的方法实现铸型内壁曲面造型(挤出口控制片可看作小线段)，避免了台阶效应，铸型内壁表面精度高。
附图说明
图1为本发明的设备系统示意图。
图2为本发明实施例具体成型过程示意图。
图中，1多轴运动系统；2壳体成型原料供料系统；3壳体成型材料混合挤出机构；4挤出口控制片；5升降螺杆；6填充材料槽车；7槽车水平导轨及铸型外壁挡板提升横梁；8粘结剂喷头；9铸型外壁挡板；10铸型成型平台；11填充材料铺料小车；12填充材料铺料小车(实施例，2台)；13粘结剂喷头(实施例，2个)；14铸型外壁挡板(实施例，4块组合起来)；15铸型内空腔(实施例)；16铸型成型平台(实施例)；17已填充材料(实施例，即铸型)；18挤出口制备的壳体(实施例，即铸型内壁)；19挤出口控制片(实施例)；20壳体成型材料混合挤出机构(实施例)。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明包含但不仅限于下述实施例。
1、应用NX、Creo等三维造型软件，绘制某产品铸型的三维CAD模型。该铸型的尺寸较大，结构也比较复杂，该模型具有实体和空腔两个区域。实体区域对应于后续生产时的铸型区域，实体内壁为铸型的内壁，将通过基于曲面切向壳型增材制造方法实现。铸型的外壁采用事先准备好挡板组合起来替代，铸型内壁与外壁中间区域将通过颗粒填充及粘结的方法来快速制备。空腔区域对应于后续生产时的铸件位置，即在制备铸型过程中逐渐形成的空腔区域。
2、对铸型的三维CAD模型进行处理，获得该三维CAD模型铸型内壁的各层加工曲线，挤出口侧面与铸型内壁曲面相切，加工曲线间距根据曲面特点和实际成型需要确定，加工曲线信息包括各点的坐标值及加工方向等，该曲线为后续成型时挤出口的运动路径。
同步的，对应于铸型内壁各层加工曲线，得到铸型对应各层区域的体积大小，该区域为后续成型过程中需要进行填充的区域。
3、由于铸型底部具有一定厚度，因此在挤出口进行壳体成型前，需在成型平台上先填充一定厚度成型材料，并进行刮平和粘结固化。
4、铸型的内壁由多轴运动系统支持的挤出口成型，挤出口控制片的间距设置为3mm(即可制备的壳厚为3mm)，控制片端部距离挤出口最大距离设置为5mm(即每次最大可制备壳高度为5mm)。根据图形处理得到的铸型内壁各层加工曲线，调整各轴运动，使得挤出口的一侧控制片端部接触上一层成型壳的内侧顶部端点，挤出口另一侧控制片的端部调节至上一层成型壳的顶部或其延长线上。混合好的成型材料(例如宝珠砂和水玻璃混合物)通过挤出口挤出，与上层成型材料粘结，待两个控制片中间区域被填充满后，挤出口继续向前移动，直至完成本层铸型内壁壳的制备。
5、铸型内壁(即已制备好的壳型)与铸型外壁由颗粒物填充成型。本例中，代替铸型外壁的挡板事先安装在成型设备中，挡板垂直穿过铸型成型平台，可随着“槽车水平导轨及铸型外壁挡板提升横梁”一起提升或下降。将宝珠砂颗粒装入“填充材料槽车”中，根据事先计算好的填充位置，将“铺料小车”的位置调节至待填充区域，并注入所需要的体积，槽车底部的刮平刷将注入的宝珠砂颗粒刮平。随后，将粘结剂喷洒在已刮平的宝珠砂颗粒表面，填充的宝珠砂将粘结固化，使得已成型的铸型区域具有一定的强度。
6、重复上述步骤4～5，直至完成整个成型过程，并最终获得目标铸型。

Claims (1)

1.一种基于壳型增材和余区填充制备铸型的方法，其特征步骤如下：
步骤1：应用三维造型软件，绘制铸型的三维CAD模型，该三维CAD模型可以看作具有实体和空腔两个区域，实体区域对应于后续生产时的铸型区域，空腔区域对应于后续生产时的铸件区域；
步骤2：对铸型的三维CAD模型进行处理，获得该三维CAD模型的内壁的各层加工曲线，挤出口侧面与铸型内壁曲面相切，加工曲线间距根据铸型内壁特点和实际成型需要确定，加工曲线信息包括各点的坐标值及加工方向，该加工曲线为后续成型挤出口的运动路径，同步的，对应于铸型内壁各层加工曲线，得到铸型对应各层区域的体积大小，该区域为后续成型过程中需要进行填充的区域；
步骤3：根据加工曲线各点信息，调节成型装置各轴的运动，使得挤出口控制片的端部与上一层已成型壳体顶部端点接触，将壳体成型材料混合均匀，通过挤出口将壳体成型材料挤出，壳体成型材料与上一层已成型壳体粘结，壳体成型材料将其待成型空间填满后，挤出口向前移动，直至完成一层壳的成型；
步骤4：铸型外壁的挡板事先安装在成型设备中，挡板垂直穿过铸型成型平台，随着成型过程进行提升或下降，根据铸型各层需进行填充的体积大小，调节颗粒填充装置的注入位置和流量，将相应体积数量的颗粒填快速充到该区域，并将其刮平、粘结、固化；
步骤5：重复上述步骤3～步骤4的工艺过程，直至完成整个铸型的制备。
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