CN111421109A - 一种基于3d打印制备砂型模壳的铸造方法 - Google Patents

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张唯
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Abstract

本发明公开一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，包括：采用三维制图软件构建三维中空砂型模壳并3D打印输出；将打印输出的三维中空砂型模壳进行涂覆耐火涂料处理或加热固化处理；向砂箱中填入原砂将三维中空砂型模壳包覆起来，同时进行振实；然后在砂箱的顶部铺上一层塑料薄膜密封，在塑料薄膜上均匀的铺上薄砂，预留浇口杯安装位置，并在该位置上放置浇口杯后继续填入原砂、振实；利用抽气管道对砂箱内部进行抽真空；将金属合金液浇入砂箱内三维中空砂型模壳的空腔；待浇注的合金溶液凝固后，关闭抽真空系统，继续冷却后，开砂箱取出模壳并进行表面清理，获得铸件。本发明结合3D打印技术以及铸造工艺，提高了生产效率，实现了规模化生产。

Description

一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法
技术领域
本发明涉及金属铸件成型和增材制造技术领域，特别是涉及一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法。
背景技术
铸造是获得机械零件毛坯的最主要方法，在工业生产中占有重要地位。砂型铸造是最常见、应用最广的铸造生产方式，传统的砂型铸造方法需要使用手工或造型机制备砂型，因此砂型的使用存在三个明显的弊端，一是砂型的制造需要使用大量的粘结剂，大部分粘结剂具有浓烈的气味且对身体有害；二是砂的前、后处理和铸件清理阶段产生大量的粉尘污染，对环境不利；三是砂型制作工艺相对繁琐、工期长。
V法铸造技术和消失模铸造技术是20世纪60~80年代发展起来的金属铸件的新型铸造方法，具有铸件尺寸精度高、表面光洁度高、后续加工余量少、经济性好等优点，并且这两项技术的共同特点是采用真空密封定型砂型和保持强度，避免了粘结剂的使用，具有清洁环保的特点，被称为是21世纪的绿色铸造技术。近几十年来，V法铸造技术和消失模铸造技术在全世界范围内获得了快速发展和应用。
但是，消失模铸造技术的局限是白模生产工序复杂，且需要配套的蒸汽系统，能耗较大；另一方面，白模遇高温金属液裂解产生的气体量大，易使铸件形成气孔缺陷，同时容易使铸件发生增碳，铸件的成分与组织不易控制。另外，在浇注过程中还可能存在金属液返喷的风险，具有一定危险性。V法铸造技术的不足是需要先制作木模具或金属模具，模具制作成本高、周期长、造型工序较复杂、产量低，并且中空铸件仍离不开砂芯的使用。
3D打印技术是20世纪末出现的一种新型材料成型技术，并很快应用在铸造领域中。现阶段，3D打印方法制备砂型，由于无需开模，在单件、小批量、高复杂系数铸件生产以及产品试制方面具有明显的优势，但因为还没有与传统的V法、消失模或砂型铸造工艺深度结合起来，与砂型自动造型机、射芯机等比较，由于生产效率相对较低，目前还难以实现规模化的应用。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，以实现规模化打印和应用。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，所述铸造方法包括：
步骤S1：采用三维制图软件，根据铸件的几何形状和铸造性能构建三维中空砂型模壳；
步骤S2：利用3D打印机和砂型原料将所述三维中空砂型模壳打印输出；
步骤S3：将打印输出的所述三维中空砂型模壳的内表面涂覆耐火涂料后，在设定温度范围的烘烤炉或微波炉中干燥；
或将打印输出的所述三维中空砂型模壳加热到120～200℃进行固化处理；
步骤S4：将步骤S3得到的所述三维中空砂型模壳放入砂箱中，向砂箱中填入原砂将所述三维中空砂型模壳包覆起来，同时进行振实；然后在所述砂箱的顶部铺上一层塑料薄膜密封，在塑料薄膜上均匀的铺上10~50mm的薄砂，预留浇口杯安装位置，并在该位置上放置浇口杯后继续填入原砂、振实；
步骤S5：接入抽气管道，利用所述抽气管道对砂箱内部进行抽真空，使砂箱的负压控制在设定压力范围内；
步骤S6：将金属合金液通过浇口杯浇入砂箱中所述三维中空砂型模壳的空腔内；所述金属合金液在天然气炉、电炉、熔炼炉、中频炉或电弧炉内熔炼获得；
步骤S7：待浇注的合金溶液凝固后，等待第一设定时间后关闭抽真空系统，继续冷却第二设定时间后，开砂箱取出模壳并进行表面清理，获得铸件。
可选的，在步骤S4之前还包括：在砂箱底部填入一层原砂。
可选的，所述设定温度范围为100~300℃，所述第一设定时间为1~5min，所述第二设定时间1~10小时。
可选的，振实的加速度控制在10～20m/s2范围，时间为10～90s。
可选的，所述设定压力范围为-600~-300kPa。
可选的，所述三维制图软件为CAE软件或UG软件或CATIA软件或PROE软件或SOLIDWORK软件。
可选的，涂覆耐火涂料的方式为刷涂、浸涂、流涂和喷涂中至少一种。
可选的，所述3D打印机包括3DP砂型打印机和SLS打印机。
可选的，所述砂型原料包括：原砂、粘结剂和辅助添加剂。
可选的，所述耐火涂料的厚度为0.05~4.0mm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，包括：采用三维制图软件构建三维中空砂型模壳并3D打印输出；将打印输出的三维中空砂型模壳进行涂覆耐火涂料处理或加热固化处理；向砂箱中填入原砂将三维中空砂型模壳包覆起来，同时进行振实；然后在砂箱的顶部铺上一层塑料薄膜密封，在塑料薄膜上均匀的铺上薄砂，预留浇口杯安装位置，并在该位置上放置浇口杯后继续填入原砂、振实；利用抽气管道对砂箱内部进行抽真空；将金属合金液浇入砂箱内三维中空砂型模壳的空腔；待浇注的合金溶液凝固后，等待第一设定时间后关闭抽真空系统，继续冷却第二设定时间后，开砂箱取出模壳并进行表面清理，获得铸件。本发明结合3D打印技术以及铸造工艺，提高了生产效率，实现了规模化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法流程图；
图2为本发明实施例包覆连杆套铸件的三维中空砂型模壳结构图；
图3为本发明实施例包覆叶轮铸件的三维中空砂型模壳爆炸结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，以实现规模化打印和应用。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，所述铸造方法包括：
步骤S1：采用三维制图软件，根据铸件的几何形状和铸造性能构建三维中空砂型模壳。铸造性能包括结构工艺性能和材料工艺性能。
步骤S2：利用3D打印机和砂型原料将所述三维中空砂型模壳打印输出。
步骤S3：将打印输出的所述三维中空砂型模壳的内表面涂覆耐火涂料后，在设定温度范围的烘烤炉或微波炉中干燥；所述设定温度范围为100~300℃。
或将打印输出的所述三维中空砂型模壳加热到120～200℃进行固化处理。
步骤S4：将步骤S3得到的所述三维中空砂型模壳放入砂箱中，向砂箱中填入原砂将所述三维中空砂型模壳包覆起来，同时进行振实；然后在所述砂箱的顶部铺上一层塑料薄膜密封，在塑料薄膜上均匀的铺上10~50mm的薄砂，并在所述薄砂上放置浇口杯后继续填入原砂、振实。本发明铺设薄砂防止高温液体飞溅烫坏。
步骤S5：接入抽气管道，利用所述抽气管道对砂箱内部进行抽真空，使砂箱的负压控制在设定压力范围内；所述设定压力范围为-600~-300kPa。
步骤S6：将金属合金液通过浇口杯浇入砂箱中所述三维中空砂型模壳的空腔内；所述金属合金液在天然气炉、电炉、熔炼炉、中频炉或电弧炉内熔炼获得。
步骤S7：待浇注的合金溶液凝固后，等待第一设定时间后关闭抽真空系统，继续冷却第二设定时间后，开砂箱取出模壳并进行表面清理，获得铸件；所述第一设定时间为1~5min，所述第二设定时间1~10小时。
作为一种可选的实施方式，本发明在步骤S4之前还包括：在砂箱底部填入一层原砂。
作为一种可选的实施方式，本发明振实的加速度控制在10～20m/s2范围，时间为10～90s。
作为一种可选的实施方式，本发明输出后的所述三维中空砂型模壳的强度为0.8~6MPa。
作为一种可选的实施方式，本发明所述三维制图软件为CAE软件或UG软件或CATIA软件或PROE软件或SOLIDWORK软件。
作为一种可选的实施方式，本发明所述三维中空砂型模壳既可以是全空的，也可以是内部包括芯子的非全空模壳，所述芯子与所述三维中空砂型模壳连接；所述三维中空砂型模壳既可以是只包覆铸件形状，也可以是包覆铸件形状及与铸件形状相连的浇道形状；所述三维中空砂型模壳既可以是一个整体，也可以是由多个所述三维中空砂型模壳组件组成；所述三维中空砂型模壳壁厚既可以是均一的，也可以是变化的，所述三维中空砂型模壳的壁厚为5～40mm；如采用覆膜砂，厚度最薄为2mm。
作为一种可选的实施方式，本发明所述3D打印机包括3DP砂型打印机和SLS打印机；所述SLS打印机为选择性激光烧结砂型打印机。
当打印机采用3DP砂型打印机进行打印输出时，则将打印输出的所述三维中空砂型模壳的内表面涂覆耐火涂料后，在设定温度范围的烘烤炉或微波炉中干燥；所述设定温度范围为100~300℃；所述耐火涂料的厚度为0.05~4.0mm。所述涂覆耐火涂料的方式为刷涂、浸涂、流涂和喷涂中至少一种。
当打印机采用SLS打印机进行打印输出时，则将打印输出的所述三维中空砂型模壳加热到120～200℃进行固化处理。
作为一种可选的实施方式，本发明所述砂型原料包括：原砂、粘结剂和辅助添加剂；所述原砂可以是普通砂，也可以是特种砂；所述特种砂为陶粒砂、宝珠砂和铬矿砂中至少一种；所述粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂、脲烷树脂、粘土和无机盐（含水玻璃）中至少一种，辅助添加剂为煤粉、淀粉、石墨粉、氧化铁粉、脱模剂和渣油中至少一种。所述特种砂用于提高模壳强度、透气性和冷却效果。
本发明采用3D打印方法制备砂型模壳具有效率高、成本低、模壳形状不受限制等优点，以及可以将型芯、浇道连同模壳一起打印成型，简化造型工序。具体体现如下：
本发明与传统的砂型铸造技术相比，采用薄的砂型铸件随形壳替代全尺寸的砂型（包括型芯），模壳外围的原砂由负压紧固，因此这些砂粒之间不再需要用粘结剂进行粘合，只有厚度为5~40mm（采用覆膜砂最薄可至2mm）的模壳中需要使用粘结剂，因而可以大大减少粘结剂的使用（粘结剂的用量降低90%以上），气体污染排放少，更为环保。与现有的全尺寸3D打印砂型与砂型铸造相结合的技术相比，除了更为环保之外，由于只打印薄的模壳，打印时间缩短，生产效率更高。
本发明与传统雕刻泡沫模型与消失模铸造相结合的技术相比，采用薄的砂型模壳替代白模制成的模壳，不仅直接省去了消失模铸造整个“白区”的生成工序，工艺流程被大幅简化，而且可以避免在浇铸阶段白模裂解产生的气体和防止增碳，降低形成气孔缺陷的可能性，铸件质量大幅提高，没有白模焚烧产生的污染，真正实现了绿色铸造。
本发明与V法铸造技术相比，砂型模壳的使用，直接省去模样、模板的制作工序，省去了模样、模板的制造成本，还可避免合箱、下芯等工序，工艺流程被大幅简化，生产效率提高。
实施例1（以制备连杆套铸件为例）：
根据连杆套铸件的几何形状和铸造性能，设计可包覆连杆套铸件形状的中空砂型模壳，模壳的厚度在10~35mm内变化，通过CAE软件建立三维中空砂型模壳；以普通硅砂、呋喃树脂为原料，利用3DP砂型打印机打印出包覆连杆套铸件的三维中空砂型模壳如图2所示，检测模壳抗拉强度为0.8~2.0MPa，覆膜砂强度为2.0~6.0MPa；然后在三维中空砂型模壳内表面喷涂一层0.1~3mm厚的耐火涂料（覆膜砂不需要涂层），并在100~300℃的烘烤炉中干燥；在砂箱底部填入一层普通硅砂，将干燥的三维中空砂型模壳放入砂箱底部的原砂之上，继续向砂箱内填硅砂，边填边振实，直至硅砂把整个模壳包覆起来，然后在砂箱顶部铺一层塑料薄膜，放上浇口杯并填砂振实；接上抽气管道，利用抽气管道对砂箱内部进行抽真空；利用感应电炉熔炼灰铁铁水，然后通过浇口杯将灰铁溶液浇入砂箱中三维中空砂型模壳的空腔内；待浇注的合金溶液凝固后，冷却2~5分钟后关闭抽真空系统，继续冷却3小时后，开箱取出模壳，并进行表面清理，获得连杆套铸件。
实施例2（以制备叶轮铸件为例）：
根据叶轮铸件的几何形状和铸造性能，设计可包覆叶轮铸件形状的中空砂型模壳，模壳厚度为3~40mm内变化，通过UG软件建立模壳三维中空砂型模壳；以陶粒砂、呋喃树脂为原料，利用3DP砂型打印机打印出包覆叶轮铸件的三维中空砂型模壳如图3所示，检测模壳强度为1.2~1.8MPa；然后在三维中空砂型模壳内表面喷涂一层0.05~4mm的耐火涂料，并干燥；在砂箱底部填入一层50~80mm厚左右普通硅砂，将干燥的三维中空砂型模壳放入砂箱底部的原砂之上，继续向砂箱内填硅砂，边填边振实，直至硅砂把整个三维中空砂型模壳包覆起来，然后在砂箱顶部铺一层塑料薄膜，放上浇口杯并填砂振实；接上抽气管道，利用抽气管道对砂箱内部进行抽真空，负压控制在-600~-300kPa；利用高频感应电炉熔炼铝合金液，待达到出炉温度要求后，出到盛液包中，然后通过浇口杯将合金溶液浇入砂箱中三维中空砂型模壳的空腔内；待浇注的合金溶液凝固成型后，2~5min后关闭抽真空系统，继续冷却3小时后，开箱取出模壳，并进行表面清理，获得叶轮铸件。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法包括：
步骤S1：采用三维制图软件，根据铸件的几何形状和铸造性能构建三维中空砂型模壳；
步骤S2：利用3D打印机和砂型原料将所述三维中空砂型模壳打印输出；所述砂型原料包括：原砂、粘结剂和辅助添加剂；所述原砂为普通砂或特种砂；所述特种砂为陶粒砂、宝珠砂和铬矿砂中至少一种；所述粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂、脲烷树脂、粘土和无机盐中至少一种，辅助添加剂为煤粉、淀粉、石墨粉、氧化铁粉、脱模剂和渣油中至少一种；
步骤S3：将打印输出的所述三维中空砂型模壳的内表面涂覆耐火涂料后，在设定温度范围的烘烤炉或微波炉中干燥；所述设定温度范围为100~300℃；所述耐火涂料的厚度为0.05~4.0mm；
或将打印输出的所述三维中空砂型模壳加热到120～200℃进行固化处理；
步骤S4：将步骤S3得到的所述三维中空砂型模壳放入砂箱中，向砂箱中填入原砂将所述三维中空砂型模壳包覆起来，同时进行振实；然后在所述砂箱的顶部铺上一层塑料薄膜密封，在塑料薄膜上均匀的铺上10~50mm的薄砂，预留浇口杯安装位置，并在该位置上放置浇口杯后继续填入原砂、振实；
步骤S5：接入抽气管道，利用所述抽气管道对砂箱内部进行抽真空，使砂箱的负压控制在设定压力范围内；
步骤S6：将金属合金液通过浇口杯浇入砂箱中所述三维中空砂型模壳的空腔内；所述金属合金液在天然气炉、电炉、熔炼炉、中频炉或电弧炉内熔炼获得；
步骤S7：待浇注的合金溶液凝固后，等待第一设定时间后关闭抽真空系统，继续冷却第二设定时间后，开砂箱取出模壳并进行表面清理，获得铸件；所述第一设定时间为1~5min，所述第二设定时间1~10小时。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，其特征在于，在步骤S4之前还包括：在砂箱底部填入一层原砂。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，其特征在于，振实的加速度控制在10～20m/s2范围，时间为10～90s。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，其特征在于，所述设定压力范围为-600~-300kPa。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，其特征在于，所述三维制图软件为CAE软件或UG软件或CATIA软件或PROE软件或SOLIDWORK软件。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，其特征在于，涂覆耐火涂料的方式为刷涂、浸涂、流涂和喷涂中至少一种。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印制备砂型模壳的铸造方法，其特征在于，所述3D打印机包括3DP砂型打印机和SLS打印机。
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