CN114346166B - 一种3d打印砂模精铸型壳制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精铸型壳制备技术，具体提供了一种3D打印砂模精铸型壳制备技术，用于提升精铸型壳的生产效率，其特征在于：利用树脂砂型高温烧散的特性，以带有蜡的3D打印复合砂模代替蜡模进行精铸型壳的制造。本发明将3D砂型与熔模精密铸造的优势相结合，利用3D打印砂型制备速度快、强度高、尺寸限制小、成本相对低等特点，结合熔模精铸型壳的高表面质量，实现精铸型壳的快速制造，满足大型薄壁件精铸型壳高效率、高质量的制造需求，解决了传统精铸型壳制备过程中需要制备金属模具进行蜡型母模的制作，导致型壳制备时间长，单件小批量生产效率低的问题，实现了精铸型壳的快速制造。
Description
技术领域
本发明涉及到精铸型壳制备技术，特别提供能够实现精铸型壳快速制造的3D打印砂模精铸型壳制备技术。
背景技术
熔模精密铸造(失蜡法铸造)是一种少切削或无切削的铸造工艺，是铸造行业中的一项优异的工艺技术，其应用非常广泛。它不仅适用于各种类型、各种合金的铸造，而且生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其它铸造方法要高，甚至其它铸造方法难于铸得的复杂、耐高温、不易于加工的铸件，均可采用熔模精密铸造铸得。目前，熔模铸造已经广泛的应用在铸造行业中，但在某些方面，仍存在一些限制：
由于蜡模的制备过程复杂，需要制备金属模具，成本高且加工时间长，在快速小批量生产中不占优势；
对于大型薄壁件铸件，由于蜡模本身强度不足以及蜡模充型凝固收缩会导致蜡型变形，导致铸件成型尺寸超差。
增材制造技术能够快速成形复杂 3D 形状的零件，制备精铸型壳过程中可以实现单件小批量精铸零件的快速柔性制造，满足多样化、个性化、小批量产品制造的市场需求。更加可以充分发挥增材制造优势的方法是直接增材制造精铸型壳，将 CAD 模型通过分层堆积形成中空的精铸型壳素坯，焙烧后获得型壳。目前可用于制备精铸型壳的增材制造技术主要有三维打印法（3DP）、 选择性激光烧结法（SLS）、光固化成形法（SLA）以及浆料挤出法等。但制备精铸型壳的增材制造技术仍会受到一些因素的制约。
（1）粘结剂和粉末等成形材料制约了 3DP 法制备精铸型壳的发展，还需要进一步研究和优化材料体系，以满足高质量精密铸造的需要。
（2）利用SLS法制备型壳，覆膜砂表面粘结剂用量少，激光烧结不完全，型壳致密度低；粘结剂用量多，激光烧结时收缩量大，型壳易变形甚至损坏。由于激光照射时间短，烧结粉末的冷却速度很快，不同部分之间的内应力大，型壳容易出现裂纹。
（3）利用SLA法制备型壳，浆料的粘度较低的耐火材料粉末粒径较大会导致光敏树脂固化不完全。
（4）浆料挤出法对浆料具有较高的固相含量以降低烧结收缩，但过高的固相含量会导致浆料粘度过高、所需挤出力过大、挤出困难等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印砂模精铸型壳制备技术，将3D砂型与熔模精密铸造的优势相结合，利用3D打印砂型制备速度快、强度高、尺寸限制小、成本相对低等特点，结合熔模精铸型壳的高表面质量，实现精铸型壳的快速制造，满足大型薄壁件精铸型壳高效率、高质量的制造需求。
本发明技术方案如下：
一种3D打印砂模精铸型壳制备技术，其特征在于：以带有蜡的3D打印复合砂模代替蜡模进行精铸型壳的制造。
作为优选的技术方案：
所述带有蜡的3D打印砂模的制备方法为：采用3D打印的方法制备出的砂型作为砂型母模，将该砂型加热至蜡液熔点下5℃，再将砂型浸入融化后的蜡液中，使蜡液沁入砂模内部孔隙，取出，待砂型表面冷却至蜡液熔点下15~20℃后再次浸入蜡液中，使砂型表面形成一层均匀的厚度控制在0.5~2mm的蜡膜，使粗糙的砂型表面光滑平整，制备出蜡-砂复合母模。
在设计3D打印砂型时，对砂型模型进行内部镂空设计：根据砂型形状进行受热膨胀分结果，将砂型内部利用球、正方体、空间四面体以及拓扑骨架等空间结构进行划分；结合砂型表面曲率与尺寸变化调节砂型尺寸，调整砂型内部空腔间距，在空腔间距大于1.5mm的前提下，使砂型内部空间间距与空腔尺寸的比值控制在0.8~1.2，同时，将模型外边界减薄0.5~2mm（具体情况根据铸件表面光洁度、及尺寸公差要求而定）。在保证3D打印砂模强度前提下，对3D打印砂模内部进行镂空设计，可降低3D打印砂模粘结剂使用量，同时利用镂空结构控制砂型受热膨胀产生的形变，增强砂模烧散时的排气效果。
将制备出的蜡-砂复合母模进行清洗干燥后，按照传统蜡模挂壳工艺进行制壳。
将经过切冒口处理过后的型壳进行型壳脱蜡脱砂处理，利用树脂砂型高温烧散的特性，对带有蜡-砂复合母模加热至450~550℃进行焙烧，将砂-蜡复合母模从型壳内脱离出，留下具有高精度、高表面质量的型壳进行焙烧处理。
本发明所述3D打印砂模精铸型壳制备技术，其特征在于，具体步骤如下：
第一步、将完成工艺设计的铸件模型进行内部镂空设计，同时，将模型外边界减薄0.5~2mm；
第二步、 将镂空设计后的模型直接进行砂模3D打印，得到砂型母模；
第三步、将打印出的砂型预热至蜡液熔点下5℃，浸入恒温蜡液中5~30min，使蜡液沁入砂型内部孔隙，为下一步表面形成均匀蜡膜做准备；
第四步、待砂型冷却至蜡液熔点下15~20℃时，再次浸入蜡液中，使砂型表面形成一层均匀与第一步设计时减薄厚度相等的蜡膜，使粗糙的砂型表面光滑平整，以保证精铸型壳内腔表面质量；
第五步、待蜡液完全结合在砂型表面，形成稳定且具有一定强度的蜡膜后，进行修蜡处理，进一步保证蜡型尺寸；
第六步、将制备出的蜡-砂复合母模进行清洗，待蜡-砂复合母模干燥后，按照传统蜡模挂壳工艺进行制壳；
第七步、将经过切冒口处理过后的型壳进行型壳脱蜡脱砂处理，利用树脂砂型高温烧散的特性，对带有蜡-砂复合母模进行高温焙烧，将砂-蜡复合母模从型壳内脱离出，留下具有高精度、高表面质量的型壳进行焙烧处理，同时加入硬化剂强化壳体强度，得到所需的3D打印砂模精铸型壳。
本发明所述方法特别适用于制备大型薄壁件精铸型壳，利用树脂砂型高温烧散的特性，以涂敷蜡的3D打印砂模代替蜡模进行精铸型壳的制造。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
（1）用蜡-砂复合母模取代蜡模，利用砂型强度较高的特点，避免了由于蜡模本身强度不足容易出现变形的情况，导致铸件成型尺寸超差的现象且减少了因蜡模充型凝固收缩导致表面凹陷，难以确定蜡模缩尺的问题。
（2）用3D打印砂型浸蜡替代蜡模，省去制备蜡模所需的金属模具加工时间与费用，降低生产成本，提高生产效率。
（3）砂型内部镂空设计，可以降低粘结剂加入量，缩短砂型脱砂时焙烧时间，控制砂型受热膨胀产生的形变，增强砂模烧散时的排气效果。
附图说明
图1采用3D打印方法制备出的砂型母模结构示意图。
图2砂型母模球体空腔剖面示意图。
具体实施方式
实施例1
砂型母模尺寸如图1所示。
操作过程与参数如下：
第一步，将砂型边界根据砂型大小留出20mm壁厚，其余部分进行空间网格化划分，用直径为20mm的球体，将砂型内部空间分割成各个球体空间网格空腔，各个球体空间网格空腔之间留有10mm的缝隙做为砂型支撑部分（具体见图2），模型外边界减薄1mm，作为蜡膜厚度。
第二步，将砂型三维实体导入3D打印设备计算机中，打印完整砂型。
第三步，砂型预热至50℃。烘烤完成后，将砂型浸入56#蜡液中10min，将蜡融化后沁入预处理的砂型内部后取出，待砂型表面冷却至40℃后再次浸入蜡液中，使砂型表面形成一层均匀的1mm厚的蜡膜，使粗糙的砂型表面光滑平整。
第四步，进行修蜡处理后，按常规挂壳工艺进行挂壳。
第五步，将经过切冒口处理过后的型壳进行型壳脱蜡脱砂处理，利用树脂砂型高温烧散的特性，将带有蜡-砂复合母模加热至450~550℃焙烧2.5h。将母模从型壳内脱离出，留下具有高精度、高表面质量的型壳进行焙烧处理，同时加入硬化剂强化壳体强度，得到所需的3D打印砂模精铸型壳。
第六步，经过试浇注实验，铸件表面无气孔缺陷，尺寸精度达到GB/T 6414标准CT8级，产品质量达到HB 5430标准中Ⅱ类铸件相关要求。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种3D打印砂模精铸型壳制备方法，其特征在于：以带有蜡的3D打印复合砂模代替蜡模进行精铸型壳的制造；
所述带有蜡的3D打印砂模的制备方法为：采用3D打印的方法制备出的砂型作为砂型母模，将该砂型加热至蜡液熔点下5℃，再将砂型浸入融化后的蜡液中，使蜡液沁入砂模内部孔隙，取出，待砂型表面冷却至蜡液熔点下15~20℃后再次浸入蜡液中，使砂型表面形成一层均匀的厚度控制在0.5~2mm的蜡膜，制备出蜡-砂复合母模；
在设计3D打印砂型时，对砂型模型进行内部镂空设计：根据砂型形状进行受热膨胀分结果，利用球、正方体、空间四面体、六棱柱以及拓扑骨架，将砂型内部空间结构进行划分；结合砂型表面曲率与尺寸变化调节砂型尺寸，调整砂型内部空腔间距，在空腔间距大于1.5mm的前提下，使砂型内部空间间距与空腔尺寸的比值控制在0.8~1.2，同时，将模型外边界减薄0.5~2mm。
2.按照权利要求1所述3D打印砂模精铸型壳制备方法，其特征在于：将制备出的蜡-砂复合母模进行清洗干燥后，按照传统蜡模挂壳工艺进行制壳。
3.按照权利要求2所述3D打印砂模精铸型壳制备方法，其特征在于：将经过切冒口处理过后的型壳进行型壳脱蜡脱砂处理，利用树脂砂型高温烧散的特性，对带有蜡-砂复合母模的型壳加热至450~550℃进行焙烧，将砂-蜡复合母模从型壳内脱离出，留下具有高精度、高表面质量的型壳进行焙烧处理。
4.按照权利要求1所述3D打印砂模精铸型壳制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步、将完成工艺设计的铸件模型进行内部镂空设计，同时，将模型外边界减薄0.5~2mm；
第二步、 将镂空设计后的模型直接进行砂模3D打印，得到砂型母模；
第三步、将打印出的砂型预热至蜡液熔点下5℃，浸入恒温蜡液中5~30min，使蜡液沁入砂型内部孔隙；
第四步、待砂型冷却至蜡液熔点下15~20℃时，再次浸入蜡液中，使砂型表面形成一层均匀与设计时减薄厚度相等的蜡膜；
第五步、待蜡液完全结合在砂型表面，形成稳定且具有一定强度的蜡膜后，进行修蜡处理，进一步保证蜡型尺寸；
第六步、将制备出的蜡-砂复合母模进行清洗，待蜡-砂复合母模干燥后，按照传统蜡模挂壳工艺进行制壳；
第七步、将经过切冒口处理过后的型壳进行型壳脱蜡脱砂处理，利用树脂砂型高温烧散的特性，对带有蜡-砂复合母模的型壳进行高温焙烧，将砂-蜡复合母模从型壳内脱离出，留下具有高精度、高表面质量的型壳进行焙烧处理，同时加入硬化剂强化壳体强度，得到所需的3D打印砂模精铸型壳。
5.按照权利要求1~3任一项所述3D打印砂模精铸型壳制备方法，其特征在于：所述方法用于制备大型薄壁件精铸型壳。
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