CN112872294A - 一种铸型的增材制造方法 - Google Patents

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CN112872294A CN202110023311.XA CN202110023311A CN112872294A CN 112872294 A CN112872294 A CN 112872294A CN 202110023311 A CN202110023311 A CN 202110023311A CN 112872294 A CN112872294 A CN 112872294A
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刘洪军
李亚敏
苏国梁
王军宏
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    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明提供了一种铸型的增材制造方法，属于铸造技术领域。本发明以水基砂浆和水胶体/水溶液为原料，在冷冻环境下进行增材制造，利用水的冰冻过程，逐层叠加形成铸型和冰型复合体，再利用冰‑水转换，将冰型通过升温融化或冷冻升华，得到铸型生坯，再进行后续烧结操作，在不用大量有机物的情况下实现了铸型的增材制造。实验结果表明，本申请提供的铸型增材制造方法在实现铸型增材制造过程中有机物的使用量低于铸型材料总质量的10wt％。

Description

一种铸型的增材制造方法
技术领域
本发明属于铸造技术领域，尤其涉及一种铸型的增材制造方法。
背景技术
增材制造技术是一种基于离散/堆积原理将零件CAD模型分解为若干层片数据，而后将各种方法制作的实体层片叠加成三维实体的技术。将增材制造技术和铸造技术相结合，可以缩短研发周期，加快生产效率，实现单件小批量铸造产品的快速制造。
目前增材制造技术用于铸型的制造方法主要有两类，第一类是利用选择性激光烧结(SLS)和基于三维打印(3DP)原理的喷射层叠等工艺直接增材制造铸造砂型，第二类是利用熔融沉积制造(FDM)和光固化成型(SLA)等工艺制造的树脂原型结合熔模铸造间接制造铸造型壳。第一类的直接增材制造铸造砂型的工艺一般要用有机粘结剂固结铸造原砂，第二类的间接增材制造铸造型壳的工艺一般要将高分子树脂原型烧蚀去除获得空腔型壳，上述这两类的铸型制造方法都需要用到大量的有机物，易造成污染环境的问题。
因此，有必要对铸型增材制造的方法进行改进来降低有机物的使用量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铸型的增材制造方法，本发明提供的增材制造方法不用大量有机物也能实现铸型的增材制造。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铸型的增材制造方法，包括如下步骤：
(1)采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算，得到多层截面数据；每层截面数据由单层铸型部分和单层冰型部分组成；
(2)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层铸型部分，将水基砂浆挤出体在冷冻环境下沉积固化在基板上，得到铸型层片；
(3)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层冰型部分，将水胶体或水溶液在冷冻环境下填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外，得到冰型层片；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，进行逐层堆积，得到铸型生坯和冰型的复合体；
(5)将所述步骤(4)得到的铸型生坯和冰型的复合体进行升温融化或冷冻升华，得到铸型生坯；
(6)将所述步骤(5)得到的铸型生坯进行烧结，得到铸型；
所述步骤(2)和步骤(3)中的冷冻环境的温度独立地≤0℃；
所述步骤(2)的水基砂浆挤出体中有机物的质量分数不多于10％。
优选地，所述步骤(2)水基砂浆挤出体中水的体积分数不少于40％。
优选地，所述步骤(2)水基砂浆挤出体中包括耐火材料，所述耐火材料为石英砂、铝矾土砂、刚玉砂、莫来石砂、锆英砂和高岭石砂中的至少一种。
优选地，所述步骤(3)中的水胶体和水溶液中水的质量分数独立地不少于90％。
优选地，所述步骤(3)中的水胶体为卡拉胶、明胶、阿拉伯树胶、结冷胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的至少一种与水和丙三醇形成的凝胶；所述步骤(3)中的水溶液为氯化钠、蔗糖、乙醇和丙三醇中的至少一种与水形成的溶液。
优选地，所述步骤(3)中水溶液采用喷射形成微滴的方式填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外。
优选地，所述喷射的方向为垂直于铸型层片方向。
优选地，所述步骤(3)中水胶体采用挤出形成细丝的方式填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外。
优选地，所述步骤(2)和步骤(3)中冷冻环境的温度独立地≥-60℃。
优选地，所述步骤(5)中升温融化的温度为0℃以上。
本发明提供了一种铸型的增材制造方法，包括如下步骤：(1)采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算，得到多层截面数据；每层截面数据由单层铸型部分和单层冰型部分组成；(2)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层铸型部分，将水基砂浆挤出体在冷冻环境下沉积固化在基板上，得到铸型层片；(3)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层冰型部分，将水胶体或水溶液在冷冻环境下填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外，得到冰型层片；(4)重复步骤(2)和步骤(3)，进行逐层堆积，得到铸型生坯和冰型的复合体；(5)将所述步骤(4)得到的铸型生坯和冰型的复合体进行升温融化或冷冻升华，得到铸型生坯；(6)将所述步骤(5)得到的铸型生坯进行烧结，得到铸型；所述步骤(2)和步骤(3)中的冷冻环境的温度独立地≤0℃；所述步骤(2)的水基砂浆挤出体中有机物的质量分数不多于10％。本发明以水基砂浆和水胶体/水溶液为原料，在冷冻环境下进行增材制造，利用水的冰冻过程，逐层叠加形成铸型和冰型的复合体，再利用冰-水转换，将冰型通过进行升温融化或冷冻升华，得到铸型生坯，再进行后续烧结操作，在不用大量有机物的情况下实现了铸型的增材制造。实验结果表明，本申请提供的铸型增材制造方法在实现铸型增材制造过程中有机物的使用量低于铸型材料总质量的10wt％。
附图说明
图1为实施例1制备的铸型生坯和冰型的复合体示意图的主视图；
图中，1为挤出料筒，2为水基砂浆挤出体，3为水溶液喷射料筒，4为水溶液微滴，5为铸型层片，6和7为冰型层片；
图2为实施例1制备的铸型生坯和冰型的复合体示意图的俯视图；
图中，5为铸型层片，6和7为冰型层片。
具体实施方式
本发明提供了一种铸型的增材制造方法，包括如下步骤：
(1)采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算，得到多层截面数据；每层截面数据由单层铸型部分和单层冰型部分组成；
(2)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层铸型部分，将水基砂浆挤出体在冷冻环境下沉积固化在基板上，得到铸型层片；
(3)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层冰型部分，将水胶体或水溶液在冷冻环境下填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外，得到冰型层片；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，进行逐层堆积，得到铸型生坯和冰型的复合体；
(5)将所述步骤(4)得到的铸型生坯和冰型的复合体进行升温融化或冷冻升华，得到铸型生坯；
(6)将所述步骤(5)得到的铸型生坯进行烧结，得到铸型；
所述步骤(2)和步骤(3)中的冷冻环境的温度独立地≤0℃；
所述步骤(2)的水基砂浆挤出体中有机物的质量分数不多于10％。
本发明采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算，得到多层截面数据；每层截面数据由单层铸型部分和单层冰型部分组成。
本发明对所述铸型的形状没有特殊的限定，适用于本领域任何形状的铸型。本发明对所述采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的3D打印中对零部件CAD模型进行分层计算的操作即可。在本发明中，所述单层冰型部分即为单层型腔部分。本发明对所述每层铸型部分和每层冰型部分的厚度没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的厚度即可。
得到多层截面数据后，本发明根据所述多层截面数据的单层铸型部分，将水基砂浆挤出体在冷冻环境下沉积固化在基板上，得到铸型层片。
在本发明中，所述水基砂浆挤出体的制备方法优选为柱塞挤出或螺旋挤出；当所述铸型为小型铸型时，所述水基砂浆挤出体优选采用柱塞挤出；当所述铸型为较大型铸型时，所述水基砂浆挤出体优选采用螺旋挤出。本发明对所述小型铸型和较大型铸型的尺寸没有特殊的限定，按照本领域技术人员熟知的区分方式区分即可。在本发明中，所述柱塞挤出在挤出料筒一次性装料，适合小型铸型的增材制造；所述螺旋挤出需要供料装置连续送料到挤出料筒中，适合较大型铸型的增材制造。在本发明中，所述供料装置优选采用气动加压或螺丝杆电动加压。在本发明中，所述柱塞挤出和螺旋挤出时挤出料筒的温度优选为5～20℃，更优选为10～12℃。在本发明中，将挤出料筒的温度限定在上述范围内能够保证挤出料筒中原料在冷冻环境中不冻结。
在本发明中，所述水基砂浆挤出体中有机物的质量分数不多于10％，优选为1～9％，进一步优选为2～7％，更优选为4～6％。本发明对所述有机物的种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的有机物即可，例如粘结剂、分散剂或其他添加剂。
在本发明中，所述水基砂浆挤出体中水的体积分数优选不少于40％，更优选为45～60％；所述水基砂浆挤出体中优选还包括耐火材料，所述耐火材料优选为石英砂、铝矾土砂、刚玉砂、莫来石砂、锆英砂和高岭石砂中的至少一种。在本发明中，所述耐火材料的粒径优选为100～1000目，更优选为600～800目。本发明对所述水基砂浆挤出体中各物质的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述耐火材料、水以及有机物为水基砂浆挤出体的基础物质，用以制备铸型。
在本发明中，所述冷冻环境的温度≤0℃，优选为-60～0℃，更优选为-35～-25℃。在本发明中，所述冷冻环境的温度在上述范围内时，利用水的冰冻过程，能够保证水基砂浆挤出体沉积固化在基板上。
本发明对所述基板的材质没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的起支撑作用的物质即可。在本发明中，所述沉积固化的时间优选为90～180s内，更优选为100～150s。在本发明中，所述沉积固化的时间在上述范围内时能够满足固化得到的铸型层片在承受下一层片制备时不发生变形。
得到铸型层片后，本发明根据所述多层截面数据的单层冰型部分，将水胶体或水溶液在冷冻环境下填充在所述铸型层片的轮廓外，得到冰型层片。
在本发明中，所述水胶体优选为卡拉胶、明胶、阿拉伯树胶、结冷胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的至少一种与水和丙三醇形成的凝胶；所述水胶体中水的质量分数优选不少于90％，进一步优选为92～98％，更优选为95％；所述水胶体的冻结温度优选不低于-15℃。本发明对丙三醇、卡拉胶、明胶、阿拉伯树胶、结冷胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物的质量分数没有特殊的限定，只要保证水胶体中水的质量分数在上述范围内即可。本发明对所述水胶体的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或熟知的制备方法制备即可。在本发明中，所述水胶体用于制备冰型，起到支撑铸型的作用。
在本发明中，所述水胶体优选采用挤出形成细丝的方式填充在所述铸型层片的轮廓外；所述挤出优选为柱塞挤出或螺旋挤出。在本发明中，所述水胶体挤出采用柱塞挤出或螺旋挤出的操作优选与所述水基砂浆挤出体挤出的操作相同，在此不再赘述。在本发明中，所述水胶体采用挤出形成细丝的方式易于精确控制，能够构建出复杂的冰型。
在本发明中，所述水溶液优选为氯化钠、蔗糖、乙醇和丙三醇中的至少一种与水形成的溶液；所述水溶液中水的质量分数优选不少于90％，进一步优选为92～98％，更优选为95％；所述水溶液的冻结温度优选不低于-15℃。在本发明中，所述水溶液用于制备冰型，起到支撑铸型的作用。
在本发明中，所述水溶液优选采用喷射形成微滴的方式填充在所述铸型层片的轮廓外；所述喷射优选采用压电元件驱动或超声振动驱动；所述喷射的方向优选为垂直于铸型层片方向；所述微滴优选采用单滴或多滴。本发明对所述采用压电元件驱动或超声振动驱动喷射的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。在本发明中，采用所述压电元件驱动或超声振动驱动喷射能够保证水溶液喷射出的微滴速度快且体积小；采用微滴喷射的方式能够保证在冷冻环境下冰型层片的流平性和精度，有利于下一层片的制造精度；喷射的方向为垂直于铸型层片方向，能够保证每个微滴的运动路径基本相同的，微滴的冻结过程也差不多，且单一角度的喷射易于控制。
本发明对所述填充的水胶体或水溶液的固化时间没有特殊的限定，只要保证得到的冰型层片在承受下一层片制备时不发生变形塌陷即可。
在本发明中，所述水胶体挤出时挤出料筒和水溶液喷射时喷射料筒的温度独立地优选为10～30℃，更优选为15～20℃。在本发明中，将水胶体挤出时的挤出料筒和水溶液喷射时喷射料筒的温度限定在上述范围内能够保证料筒中原料在冷冻环境中不冻结。
得到冰型层片后，本发明重复制备铸型层片和冰型层片的过程，进行逐层堆积，得到铸型生坯和冰型的复合体。
得到铸型生坯和冰型的复合体后，本发明将所述铸型生坯和冰型的复合体进行升温融化或冷冻升华，得到铸型生坯。
在本发明中，所述升温融化的温度优选为0℃以上，更优选为10～25℃。本发明对所述升温融化的时间没有特殊的限定，只要将冰型融化即可。
在本发明中，所述冷冻升华优选在冷冻干燥机中进行。本发明对所述冷冻升华的操作没有特殊的限定，只要将冰型升华消失即可。
将所述铸型生坯和冰型的复合体进行升温融化或冷冻升华完成后，本发明优选对升温融化或冷冻升华得到的产物进行干燥处理，得到铸型生坯。
在本发明中，所述干燥的温度优选为60～200℃，更优选为80～120℃。本发明对所述干燥的时间没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。在本发明中，所述干燥处理能够除去铸型中绝大部分的自由水。
得到铸型生坯后，本发明将所述铸型生坯进行烧结，得到铸型。
在本发明中，所述烧结的温度优选为600～1500℃，更优选为1000～1200℃；所述烧结的时间优选为1～5h，更优选为2～3h。在本发明中，所述烧结能够实现铸型生坯的陶瓷化，得到铸型。
本发明以水基砂浆和水胶体/水溶液为原料，在冷冻环境下进行增材制造，利用水的冰冻过程，逐层叠加形成铸型和冰型的复合体，再利用冰-水转换，将冰型通过升温融化或者冷冻升华，得到铸型生坯，再进行后续烧结操作，在不用大量有机物的情况下实现了铸型的增材制造，有助于解决铸型制造成本高，铸型变形开裂，残余物过多，环境污染等问题。
本发明在冷冻环境下进行增材制造，冰型部分和铸型部分同时制作成形，既可以利用水基砂浆挤出体中水的冻结对铸型部分起到部分固化作用，又能够利用冰型部分作为铸型部分的支撑，冰型部分通过融化或者升华消失后即可得到复杂三维形状的铸型，增材制造过程中铸型层片和冰型层片采用挤出或者喷射方式，不采用激光等装置，因此从材料和设备上都可以大大降低成本，并且对环境友好，有助于推动增材制造技术在铸造领域的发展，可以用于复杂结构铸件的精密化、定制化和低成本成型，具有广阔的应用前景。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
(1)采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算，得到多层截面数据；每层截面数据由单层铸型部分和单层冰型部分组成；
(2)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层铸型部分，将水基砂浆装入挤出料筒通过柱塞挤出形成水基砂浆挤出体，将其在-25℃的冷冻环境下在基板上沉积，挤出体在冷冻环境中的固化时间设置为150s，得到铸型层片；其中，水基砂浆挤出体中的耐火材料为800目铝矾土砂，水的体积分数为45％，有机物聚丙烯酸铵、CMC和丙三醇的总质量分数为5％；在挤出料筒上通过加热装置将挤出料筒和挤出头的温度控制在10℃；
(3)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层冰型部分，将水溶液装入喷射料筒中，通过压电元件驱动的单滴喷头喷射形成微滴，在-25℃的冷冻环境下填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外，得到冰型层片；其中，水溶液中水的质量分数为95％，丙三醇的质量分数为5％(水溶液的冻结温度为-5℃，500℃焙烧后残余物质量分数低于0.02％)；在喷射料筒上通过加热装置将喷射料筒和喷头的温度控制在15℃；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，进行逐层堆积，得到铸型生坯和冰型的复合体，铸型生坯和冰型的复合体示意图的主视图如图1所示，俯视图如图2所示，其中，1为挤出料筒，2为水基砂浆挤出体，3为水溶液喷射料筒，4为水溶液微滴，5为铸型层片，6和7为冰型层片；
(5)将所述步骤(4)得到的铸型生坯和冰型的复合体放置在冷冻干燥机中，在-50℃的温度和5Pa的真空度下冷冻干燥48小时，然后在80℃的烘箱中干燥24小时，得到铸型生坯；
(6)将所述步骤(5)得到的铸型生坯在箱式炉中进行1000℃烧结2小时，得到铸型。
实施例2
(1)采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算，得到多层截面数据；每层截面数据由单层铸型部分和单层冰型部分组成；
(2)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层铸型部分，将水基砂浆装入挤出料筒通过柱塞挤出形成水基砂浆挤出体，将其在-35℃的冷冻环境下在基板上沉积，挤出体在冷冻环境中的固化时间设置为100s，得到铸型层片；其中，水基砂浆挤出体中，耐火材料为600目的刚玉砂，水的体积分数为50％，有机物聚丙烯酸钠、卡拉胶和丙三醇的总质量分数为6％；在挤出料筒上通过加热装置将挤出料筒和挤出头的温度控制在12℃；
(3)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层冰型部分，将水胶体装入水胶体挤出料筒中，通过柱塞挤出形成水胶体挤出体，在-35℃的冷冻环境下填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外，得到冰型层片；其中，水胶体中水的质量分数为95％，丙三醇的质量分数为4.7％，结冷胶的质量分数为0.3％(水胶体的冻结温度为-5℃，500℃焙烧后残余物质量分数低于0.02％)；在水胶体挤出料筒上通过加热装置将挤出料筒和挤出头的温度控制在20℃；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，进行逐层堆积，得到铸型生坯和冰型的复合体；
(5)将所述步骤(4)得到的铸型生坯和冰型的复合体放置在冷冻干燥机中，在-50℃的温度和5Pa的真空度下冷冻干燥48小时，然后在120℃的烘箱中干燥24小时，得到铸型生坯；
(6)将所述步骤(5)得到的铸型生坯在箱式炉中进行1200℃烧结3小时，得到铸型。
由实施例1和实施例2可以看出，在铸型增材制造过程中有机物的使用量为铸型材料总质量的5～6wt％。
从以上实施例可以看出，本发明提供的增材制造方法不用大量有机物也可以实现铸型的增材制造。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铸型的增材制造方法，包括如下步骤：
(1)采用计算机软件对铸型CAD模型进行分层计算，得到多层截面数据；每层截面数据由单层铸型部分和单层冰型部分组成；
(2)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层铸型部分，将水基砂浆挤出体在冷冻环境下沉积固化在基板上，得到铸型层片；
(3)根据所述步骤(1)得到的多层截面数据的单层冰型部分，将水胶体或水溶液在冷冻环境下填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外，得到冰型层片；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，进行逐层堆积，得到铸型生坯和冰型的复合体；
(5)将所述步骤(4)得到的铸型生坯和冰型的复合体进行升温融化或冷冻升华，得到铸型生坯；
(6)将所述步骤(5)得到的铸型生坯进行烧结，得到铸型；
所述步骤(2)和步骤(3)中的冷冻环境的温度独立地≤0℃；
所述步骤(2)的水基砂浆挤出体中有机物的质量分数不多于10％。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(2)水基砂浆挤出体中水的体积分数不少于40％。
3.根据权利要求1或2所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(2)水基砂浆挤出体中包括耐火材料，所述耐火材料为石英砂、铝矾土砂、刚玉砂、莫来石砂、锆英砂和高岭石砂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中的水胶体和水溶液中水的质量分数独立地不少于90％。
5.根据权利要求1或4所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中的水胶体为卡拉胶、明胶、阿拉伯树胶、结冷胶、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的至少一种与水和丙三醇形成的凝胶；所述步骤(3)中的水溶液为氯化钠、蔗糖、乙醇和丙三醇中的至少一种与水形成的溶液。
6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中水溶液采用喷射形成微滴的方式填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外。
7.根据权利要求6所述的增材制造方法，其特征在于，所述喷射的方向为垂直于铸型层片方向。
8.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中水胶体采用挤出形成细丝的方式填充在所述步骤(2)得到的铸型层片的轮廓外。
9.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中冷冻环境的温度独立地≥-60℃。
10.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤(5)中升温融化的温度为0℃以上。
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