CN114981025B - 用于熔模铸造应用的高清陶瓷芯的快速制造工艺 - Google Patents

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Abstract

介绍了一种生产用于铸造陶瓷芯的柔性模具的方法，该陶瓷芯用于熔模铸造。该方法包括通过3D打印形成消耗性母模；从母模生产柔性模具；允许柔性模具固化，以及移除消耗性母模。母模包括代表要生产的柔性模具的负表面几何形状。

Description

用于熔模铸造应用的高清陶瓷芯的快速制造工艺
背景技术
本公开内容的各个方面通常涉及熔模铸造工艺。更具体地，提出了一种生产用于铸造陶瓷芯的柔性模具的方法。此外，还提出了一种从柔性模具形成用于熔模铸造的陶瓷芯的方法。
目前，熔模铸造通常用于生产燃气涡轮机部件，诸如具有复杂翼型形状和内部冷却通道几何形状的叶片和轮叶。熔模铸造燃气涡轮机叶片或轮叶的生产过程涉及生产陶瓷铸模，该陶瓷铸模具有：陶瓷外壳，其内表面对应于翼型形状；以及一个或多个位于陶瓷外壳内的陶瓷芯，对应于在翼型内形成的内部冷却通道。将熔融合金引入陶瓷铸模中，然后使其冷却并硬化。然后通过化学或机械方式移除陶瓷外壳和陶瓷芯以露出具有外部翼型形状和陶瓷芯形状的中空内部冷却通道的铸造叶片或叶。
发明内容
简而言之，本公开的方面涉及一种用于生产用于铸造陶瓷芯的柔性模具的方法以及一种从柔性模具形成用于熔模铸造的陶瓷芯的方法。
第一方面提供一种生产用于铸造陶瓷芯的柔性模具的方法。该方法包括以下步骤：通过3D打印形成消耗性母模，母模具有代表要生产的柔性模具的负表面几何形状，从母模生产柔性模具，允许柔性模具固化，以及移除消耗性母模。
第二方面提供了一种从柔性模具形成用于熔模铸造的陶瓷芯的方法。该方法包括以下步骤：通过3D打印形成消耗性母模，母模具有代表要生产的柔性模具的负表面几何形状，从母模生产柔性模具，允许柔性模具固化，移除消耗性母模，用陶瓷浆料填充由容纳容器限定的模腔，该容纳容器在模腔内容纳有柔性模具，以及从柔性模具中移除固化的陶瓷芯。
附图说明
为了便于识别对任何特定元件或行为的讨论，参考编号中的最高有效数字是指首次引入该元件的数字。其中：
图1示出了生产用于铸造陶瓷芯的柔性模具的例程；
图2示出了所提出方法的前三个步骤的简化示意图；
图3示出了所提出方法的后三个步骤的简化示意图。
具体实施方式
与上述目前使用的形成陶瓷芯的方法相比，陶瓷芯最终可以利用增材制造工艺（三维（3D）打印）来生产。3D打印陶瓷芯显示出可以显著缩短制造时间的潜力，这将消除工具设计和制造所需的时间。然而，这项技术目前受到分辨率和核心组成的限制。
简而言之，提出了一种生产用于铸造陶瓷芯的柔性模具的方法。从柔性模具，可生产用于熔模铸造的陶瓷芯。出于本公开的目的，如本文所用的术语“柔性”是指可快速固化的材料，诸如室温硫化（RTV）硅橡胶或可用于形成不像现有技术的金属模具一样刚性的柔性模具的其它材料，但是允许模具弯曲和拉伸到一定程度以便于从其中铸造的结构中移除模具。
现在参考图1，示出了描述用于生产柔性模具的方法的流程图。在步骤102中，例程100通过3D打印来形成消耗性母模，该母模具有代表要生产的柔性模具的负表面几何形状。在步骤104中，例程100从母模来生产柔性模具。在步骤106中，例程100允许柔性模具固化。在步骤108中，例程100移除消耗性母模。
在实施例中，消耗性母模是由可打印蜡进行3D打印的。开发工作已经表明，打印蜡可以有效地用作模腔内的母模，以生产具有完整性的柔性模具。在实施例中，母模可为多面三维（3D）母模，以生产具有复杂几何形状和/或高级特征的陶瓷芯。当陶瓷芯用于熔模铸造工艺以生产最终部件时，这种复杂的几何形状和/或高级特征将被铸造到最终部件中。在一个此类示例中，3D母模包括对应于涡轮机叶片或轮叶的表面几何形状。例如，涡轮机叶片或轮叶上的高级特征可包括诸如后缘冷却孔的详细特征。
图2和图3示出了所提出的生产用于铸造陶瓷芯的柔性模具的方法的实施例。现在参考图2，示出了所提出方法的实施例的前三个步骤200。在步骤202中，形成3D打印的消耗性蜡母模208。出于示例性目的，图2描绘了3D打印的蜡母模208的简化2D表示，该蜡母模208具有代表要生产的柔性模具的负表面几何形状。蜡母模208可使用已知的3D打印方法进行3D打印。描绘要生产的部件的3D几何形状的CAD文件可被3D打印机用来生产打印的消耗性蜡母模208。已经表明3D打印蜡技术是迄今为止在尺寸上最稳定的打印工艺。
打印的消耗性蜡母模208可为用于在柔性模具中形成表面的插入件。插入件可用于进一步限定现有柔性模具表面的几何形状的一部分。插入件可包括底表面、侧表面和顶表面，其几何形状包括比现有柔性模具的相邻几何形状更精细的分辨率或更高的清晰度。插入件可安装在现有柔性模具内的对应形状的空腔中，并且可与其他插入件互换，以便在陶瓷芯上产生交替的形貌。
在另一实施例中，所生产的陶瓷芯可为插入到陶瓷壳的表面的陶瓷芯插入件。陶瓷芯插入件可在具有精细细节的表面上包括轮廓几何形状。陶瓷芯插入件还可包括在另一表面上的互锁特征，用于在壳浸渍工艺之后将陶瓷芯插入件有效地保持在陶瓷壳的适当位置。陶瓷芯插入件与陶瓷壳的附接允许芯插入件表面成为陶瓷壳的一部分。然后可将该轮廓几何形状铸造成部件。
在步骤204中，将蜡母模208放置在模腔210中。可获得具有模腔210的容纳容器214，用于容纳母模208以及用于生产柔性模具的液态模具材料212。母模208可适当地支撑在模腔210内。虽然在所提出的方法中可以使用其它形状的容纳容器，但是为了便于使用，在所示实施例中例示了箱形的容纳容器214。模腔210被配置成接收柔性液态模具材料212。柔性液态模具材料212可为可快速固化的化合物，诸如硅橡胶。通过通过悬挂或另一合适的方式将母模208定位在模腔210中，模腔210可填充有液态模具材料212，其处于将符合母模208的表面形貌的流体状态。
在步骤206中，可将液态模具材料212倒入模腔210中，直到其被填充或部分填充并且母模208被液态模具材料212封装在下述表面上，该表面的几何形状旨在赋予在液态模具材料212固化时形成的柔性模具中。然后在步骤106中允许化合物通常通过本领域技术人员熟悉的一些热力学和/或化学工艺来固化。
现在参考图3，示出了所提出方法的后三个步骤300。在固化后，现在固化的柔性模具308将产生能够铸造陶瓷芯的外部几何形状的柔性模具。在实施例中，从柔性模具308移除108、302母模208的过程包括溶解可打印蜡。另选地，可打印蜡可通过加热装置熔化。在实施例中，母模208是两侧母模，使得两侧中的每个上的几何形状可产生两个单独的柔性相对模具半部。两侧母模208可在两侧的每个上具有相似的几何形状或在两侧的每个上具有完全不同的几何形状。
通过现在生产的（或插入现有柔性模具内的）柔性模具308，然后可从柔性模具308来铸造陶瓷芯312。在步骤304中，将陶瓷浆料倒入模腔210中。在制造柔性模具308的两个分离的相对半部的实施例中，两个分离的相对模具半部可对准以形成能够接收陶瓷浆料310的腔体。陶瓷浆料310可为包括二氧化硅和溶剂的液体混合物或本领域技术人员熟悉的其它混合物。柔性模具308可被支撑在合适的结构中，该结构可为原始的容纳容器214，但也可为可以支撑柔性模具308以及陶瓷浆料310的另一合适的结构。允许陶瓷浆料310通常通过本领域技术人员熟悉的一些热力学和/或化学过程来固化。然后可将柔性模具308与固化的陶瓷芯312分离，从而暴露新模制的陶瓷芯312，其本身处于“生坯”状态。然后可使“生坯”陶瓷芯312经受本领域技术人员已知的工业过程，诸如例如手工细化和窑烧和/或烧结。如图3中所示的步骤306所示，由此生产陶瓷芯312。如此生产的陶瓷芯适用于常规金属合金铸造工艺。
本领域技术人员将意识到，当前用于产生柔性模具形貌的几何清晰度的方法取决于机加工的母模，通常是从诸如铝的原始金属的实心块进行切割或雕刻而成。此种母模需要大量的时间劳动和生产成本，并且在实施变更、维修或返工而不显著影响典型的预算和人工计划的能力方面灵活性有限。所公开的方法减少设计时间并消除制造金属母模的需要。
尽管已经详细描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以根据本公开的总体教导来开发对这些细节的各种修改和另选方案。因此，所公开的特定布置仅是说明性的，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有等价物的全部范围给出。

Claims (15)

1.一种生产用于铸造陶瓷芯(312)的柔性模具(308)的方法(200)，其包括：
通过3D打印来形成(102)消耗性母模(208)，所述消耗性母模(208)具有代表要生产的所述柔性模具的负表面几何形状；从所述消耗性母模(208)生产(104)所述柔性模具；允许(106)所述柔性模具固化；以及
从所述柔性模具中移除(108)消耗性母模，其中所述消耗性母模(208)是可打印蜡。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述生产(104)的步骤包括：
将所述消耗性母模(208)设置到模腔(210)中，以及
用液态模具材料(212)填充(206)所述模腔(210)，使得所述消耗性母模(208)被所述液态模具材料(212)封装在要产生其几何形状的表面上。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述液态模具材料(212)是未固化的硅橡胶。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述移除(108)包括溶解所述可打印蜡。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述移除(108)包括熔化所述可打印蜡。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述消耗性母模(208)是两侧母模，使得所述两侧中的每个上的所述几何形状形成两个分开的柔性相对模具半部。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述生产(104)包括对准和支撑所述相对模具半部，使得赋予陶瓷芯(312)的所述几何形状包括至少两侧上的几何形状。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述消耗性母模(208)包括代表燃气涡轮机叶片或轮叶的特征。
9.一种从柔性模具(308)形成用于熔模铸造的陶瓷芯的方法(200、300)，其包括：
通过3D打印来形成(102)消耗性母模(208)，所述母模(208)具有代表要生产的柔性模具(308)的负表面几何形状；
从所述消耗性母模(208)生产(104)所述柔性模具308；
允许(106)所述柔性模具(308)固化；
从所述柔性模具(308)移除(108)所述消耗性母模(208)；
用陶瓷浆料(310)填充(206)模腔(210)以生产陶瓷芯(312)；以及
一旦所述陶瓷芯(312)固化，从所述柔性模具(308)移除(306)固化的陶瓷芯(312)，其中所述消耗性母模(208)是可打印蜡。
10.如权利要求9所述的方法，其中移除所述消耗性母模(208)的过程包括溶解所述可打印蜡。
11.如权利要求9所述的方法，其中移除所述消耗性母模(208)的过程包括熔化所述可打印蜡。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述陶瓷芯(312)是陶瓷芯插入件，其包括附接到陶瓷壳的轮廓表面几何形状，使得所述轮廓表面几何形状变成所述陶瓷壳的轮廓表面几何形状。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述模腔(210)由容纳容器(214)和所述柔性模具(308)限定，所述容纳容器(214)将所述柔性模具(308)容纳在所述模腔(210)内。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述消耗性母模(208)是两侧母模，使得所述两侧中的每个上的所述几何形状形成两个分开的柔性相对模具半部。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述模腔(210)由所述两个柔性相对模具半部来限定。
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