CN1157761A - 砂模分层形成法和用它生产铸件的方法 - Google Patents

Abstract

在一层砂装入砂层升运机(20)后，掩模(38)定位在该砂层上，漫射激光束从漫射激光辐射源(16)射出。因此，掩模(38)下面预定范围的砂受到照射而固化。对预定数目的砂层重复以上操作。固化的部分叠加直接构成一个三维砂模。尤其当应用漫射激光束，一次照射就能固化大面积砂层，从而能使砂模成批生产。

Description

砂模分层形成法和用它生产铸件的方法

本发明涉及砂模的形成，通过重复地形成涂有热固性树脂的薄层砂层并使它固化成预先规定的形状这种方法而形成的三维砂型。

由于铸件是通过将熔融金属浇入铸模形成的，所以铸件的生产是从制作一个产品铸模的倒模开始的。根据材料的不同，铸模大体上可分为金属铸模和砂模(砂型铸模)。虽然金属铸模耐用，但价格贵，因此常常用来生产大量的同一产品(成批生产)。另一方面，砂模则用来生产数量相对而言较少的产品，如试制件和具有复杂内形成外形的产品。也就是说，由于砂模不贵，并且铸造以后砂模就毁掉，而后产品再取出来，所以铸件不必直接从砂模中取出。具有复杂形状的铸件因而是能够生产的。此外，有内部轮廓的铸件也可用叫做“砂型芯”的铸模制造。

迄今，为了制造这种砂模，首先要用NC(数控机床)等加工它的倒模(主要由木料、树脂或金属制成)，然后型砂倒进模框内做成砂模。但是用这种传统的砂模成形法在设计砂模的倒模时要考虑出模斜度。尤其由于砂模的倒模必须分成两部分时，决定分界面(分型面)应当放在何处的砂箱分界线设计和基于每个分离件拨出方向的出模斜度设计都必须完成。因此，开发设计这些模子需要很多时间。

在试制件生产时不希望花费很多时间。于是提出一种快速的试样成形法，直接从三维CAD(计算机辅助设计)数据设计试样。基于一种思想，即一个三维物体是由具有0.2mm的小厚度的二维片层叠加起来的，这一快速试样成形法用构成并叠加这些截面形状层而形成一个三维物体。

例如，美国专利4,247,508披露了一种使用激光的试样形成方法。就是说，可以热熔的塑料颗粒组成-薄层，该层希望凝固的部分用激光束扫描并固化而形成一个二维结构。重复这一操作就可得到一个三维物体。采用这种方法可以直接构成试样。

该现有技术还教导：应用涂上塑料的砂粒可以直接形成倒模并且还可以得到成形砂模。在该现有技术中还有一段记载，其中建议在激光束扫描时采用掩模。

由于这种方法直接得到成形模型，因此不必考虑上述的分型面，出模斜度等问题。所以从成形模型的CAD数据可以相对容易地构成具有各种形状的砂模。

然而，上述现有技术基本上打算用于试制件的生产而没有考虑批量生产。特别是该技术在单件二维结构生产时要化很多时间使激光束扫描要凝固的整个区域。因此，用这一现有技术来生产批量生产时用的大量砂模是不现实的。

当应用快速试样形成法做成砂模时，该砂模不再有任何无用部分和多余的厚度，而且做出来的铸件上也没有铸造毛边，因为在形成砂模时没有必要考虑砂箱分界线和出模斜度。因此，可以认为，铸件后处理的效率可以提高，而且如果砂模可以高效率地形成，则用砂模进行铸造的批量生产也可以实现高效率。

如果根据上述的现有技术用激光束的照射使壳型砂硬化，则会出现一个问题，即固化的砂层是翘曲的。就是说，构成片层形的砂层通常是极薄的，厚度在0.1至0.5mm之间，所以固化的片层在大多数情况下是翘曲的，就好像因为砂粒之间的树脂受到压缩而使砂粒边缘向上挤似的。

如果存在这种翘曲，那么下一层砂就不能叠上去，或者下一层的片层会移动或扭曲。其结果；出现了另一问题，即砂模的成形精度恶化了。

此外，在上述的相关技术中，在生产掩模时需要在掩模中有与砂型芯相应的孤立的岛区。这时要一支撑以使岛区固定在掩模内。该支撑不能用切开铸件成截面形状层的办法从二维截面形状层的计算中得到而必须单独设计，因此在现有技术中，设计师先要审查岛区的存在，再设计它的支撑。

本发明的一个目的要提供一种适合于批量生产的砂模层叠成形方法。

本发明的要解决上述问题的另一目的是提供一种用叠层组成砂模的方法，该方法能在形成片层时不会出现翘曲。

本发明还有一个目的是提供的形成掩模的方法，该方法能自动设计支撑。

在本发明中，漫射激光束穿过覆盖的掩模照射到薄砂层上。因此，树脂复模砂一次就能凝结从而处理一层的时间可以大大缩短。从而供批量生产的砂模也能高效率地制造。此外，由于漫射激光束透过覆盖的掩模照射，所以激光束能以相对均匀的能量密度照射到掩模下的砂层上。因此，确定形状的物体的截面平面形状可以做得很准。就是说，如果使用细的激光聚束，受照射区的形状像凹槽，因而其截面平面形状不整齐：而用漫射激光束就能防止这种情况。

有型芯时，覆盖的掩模需要有一个孤立岛，因而必须有支承该岛的支撑。根据本发明的另一结构，通过改变在每层的支撑的位置就可在砂模中制出用于支撑的小孔。该小孔做得很细以致熔融金属进不去。由于该孔在铸时起通气孔的作用，因此型芯和通气孔同时形成。

按照本发明的另一种结构，型砂由绝热掩模上方的热源加热。该热源很容易用加热器或其他类似元件做成，加热器价格不贵而且容易做到在宽广的温度范围内均匀加热。所以，可以做尺寸大些的砂模。

按照本发明的又一种结构，面积相对大的热源被分割成独立的热源元件并放在绝热掩模上方加热露面的砂层。由于热源按这种方式分割只有事先规定的区域可被加热。因为每一分割的热源元件加热区域小，因而可实现均匀加热。

按照本发明再一种结构，上述分离的热源元件可以单独地开或关以加热砂层被分割的各块面积。因此会防止用于未露面的方块的热源元件产生热，从而实现了总节能。此外，绝热掩模受热少，也延长了掩模的使用寿命。

根据本发明还有一种结构，采用了多工位系统。因此，用一套掩模可以做许多砂模，从而能高效地成批生产砂模。

按照本发明又一种结构，在砂层形成过程中，第一层铺贴到开头就做好的垫座上。

当树脂复模砂被固化时，大多数情况下树脂由于固化而受到压缩。这种压缩使固化的砂层产生翘曲。因此砂模成形精度降低了。

根据本发明的这一结构，在垫座上铺上第一层砂。这样，第一层砂就附着到该垫座上。垫座的强度可以阻止砂层发生翘曲。由于第一层没有翘曲，所以它上面形成的每一层同样不会发生翘曲。因此可以做出没有翘曲的高精度砂模。

根据本发明再有一种结构，构成砂模所采用的是二种不同的砂，它们的颗粒尺寸分布曲线至少有两个峰值并且具有不同的颗粒直径。

当应用这样直径不同的砂时，小直径砂粒进入较大颗粒直径砂子之间的空隙内，从而提高了砂的容积密度。当型砂的容积密度高时，能抑制因树脂受压缩而造成的翘曲，从而可以做成无翘曲的高准确性的砂模。

根据本发明再一结构，上述砂层成形步骤中，先喷撒颗粒直径较大的砂粒再撒小颗粒直径的砂粒以形成单层砂层。

当将颗粒直径不同的不同种砂同时撒上时，小颗粒直径的砂就会聚集在砂层底部，从而可能降低容积密度(特别是在砂层顶面)。在撒上大直径砂粒后再撒小直径砂粒可使小直径颗粒进入大直径砂粒间的空隙中，因而有效地提高砂模的容积密度。

根据本发明还有一结构，在砂层形成步骤中，砂子用振荡器进行振动而压缩形成砂层。按这种办法对砂层进行振动，可有效地提高砂层容积密度。

根据本发明的还有一种结构，在砂层形成工步中，撒上的砂层厚度比要求的多1-10％，然后用平板从上压缩。砂层的容积密度用这种方法也可得到有效的提高。

根据本发明的还有一种结构，当掩模板内有岛区时，在掩模设计时，在包围岛区的空间中按预定间隔自动布置平行支撑，以生产掩模。在本发明中，支撑以预定间隔的平行线地布置，因此，支撑的布置容易实现自动化。支撑的平行线间距设置成能完全支承住岛区。当提供的支撑平行于岛区的轮廓线时，如果它们彼此接触，那么它们就合二为一了。相反，大多数情况下标准岛区形状用XY座标系表示且平行于X轴和Y轴。否则，最好使平行线大体上与XY座标系倾斜45°。

按照本发明的还有一种结构，在岛区周围空间内按预定间距布置呈网络形的支撑。由于该支撑按网络形式布置的，能很容易使它自动布置。通过预定好间距，支撑的强度是足够的。

根据末发明的还有一种结构，提出一种步骤，可根据岛区与支撑的连接情况使自动布置的支撑位置改变。

这样，在支撑自动布置好之后，按照它的连接情况可改变支撑的位置。例如，布置在框形中的多余支撑应去掉，按规定间距的支撑支承不了的岛区应增加支撑，支承在岛区一端的支撑应改变位置。这些过程都是自动执行的，因而掩模形状内支撑的最佳布置可以自动实现。

根据本发明的还有一种结构，在上述支撑自动布置步骤中，相邻层掩模中的支撑位置不相同。

当相邻层中的支撑位置一样时，则由支撑产生模具的空间是连续的，因而铸件的一部分在该空间中形成。通过改变相邻层支撑的位置，模具中由支撑所形成的空间可以做成预定的形状，使金属液进不了该空间，从而防止铸件形状发生改变。

根据本发明的还有一种结构，在上述支撑自动布置工步中，至少在用于相邻各层掩模中的支撑位置做得不相同。

例如，当采用网络形式的支撑时，如果只有两层的支撑方式不同，则就会产生共同的部分，从而形成铸件的空间。相邻三层的支撑方式不同，则相邻二层的共同部分就不会连续到第三层，因而消除了上述的问题。

按照本发明的再一种结构，在上述支撑自动布置步骤中，由封闭的轮廓线判断岛区，一根连到同一轮廓线的支撑因多余而去掉。

因而，与环形岛区内部相连的多余支撑可以去掉。

根据本发明的再一结构，在上述优化修改工步中，岛区的稳定性从岛区中心位置及支撑与该岛区的连接位置来判断，据这一稳定性的判断结果修改支撑的连接情况。

当岛区只有一端受支撑的支承，该岛区是不稳定的。于是更改支撑，使它的支承通过岛区的中心，从而使掩模稳定。

根据本发明的再有一种结构，提供的加工掩模的方法，是基于其中设置支撑的掩模的形状用激光加工金属片完成的。通过用激光加工金属片，如铁片做成掩模，能容易地做成预定的掩模形状。

每层砂层的预定范围都是用这样形成得到的掩模被固化的，重复这一过程就组成一个砂模。此外，这样组成的砂模应用于铸造时，能很容易制造以坯料三维形状数据为基础的铸件。

特别是按照这一方法，先收集从坯料的三维数据到铸件的成形数据，就能容易对设计作修改。由于砂模是砂层堆积而成，所以砂模构成所需处理的数据基本上是容易处理的二维形状的数据。此外，也不用考虑砂模成型时的拔模斜度及分型面问题，这样的砂模容易制作。

因此，根据本发明，掩模的形成、砂模的形成和铸件的生产都能高效地完成。

按照本发明生产铸件的方法，其特征在于铸件生产所应用的砂模是用上述方法成型的。

如上所述，由于这样得到的铸模是直接成型，所以，没有拔模斜度和分型面。因而容易从产品形状的CAD数据完成砂模的设计。再有，这样得到的砂型所制造的铸件不比需要的厚，后处理容易，实现了材料的有效利用。

附图的简单说明

以下关于附图的说明会使本发明的目的和优点变得清楚起来，其中：

图1示出本发明第一实施例的总与置图；

图2是第一实施例的工作时序图；

图3(A)和3(B)示出激光照射源的实例；

图4(A)，(4B)，(4C)和4(D)是掩模的实例；

图5是钇铝石榴石激光器用的掩模的实例；

图6示出一个撒砂机的实例，

图7(A)和7(B)显示本发明第一实施例与现有技术树脂固化状态的对比；

图8是本发明第一实施例与现有技术加工步骤的对比图；

图9是多工位的设备配置图；

图10是采用多工位操作的时序图；

图11是本发明第二实施例设备配置图；

图12是第二实施例热源的结构图；

图13是第二实施例输送机构示意图；

图14是本发明的第三实施例结构示意图；

图15是第三实施例分块示意图；

图16是第三实施例工作程序图；

图17是显示第三实施例加热状态的示意图；

图18是第三实施例工艺操作程序图；

图19(A)，19(B)和19(C)显示垫座形状及凝固在垫座上的砂层；

图20是与本发明第五实施例相应的砂粒直径分布曲线示意图；

图21示出两种砂是如何喷撒的；

图22示出两种不同的喷撒机的示意图；

图23是本发明第六实施例中振荡器进行振动的侧图；

图24是平板压缩砂子的例图；

图25是本发明第七实施例掩模生产过程示意图；

图26是支撑形状创作过程方框图；

图27是斜向支撑配置图；

图28是采用两种不同斜向支撑方式时的组合图形；

图29是采用两种不同网络支撑方式时的组合图形；

图30是采用三种不同的网络支撑方式时的组合图形；

图31解释了掩模的重复标号M和支撑方式的标号N；

图32解释了支撑的间距和宽图；

图33是支撑以第一图形布置的示意图；

图34是支撑以第N图形布置的示意图；

图35说明支撑的多余部分；

图36说明支撑的分割；

图37是多余支撑的例图；

图38示出需要增加支撑的位置；

图39是如何增加支撑的(局部)示意图；

图40是如何增加支撑的(总体)示意图；

图41说明U形岛区的支撑示意图；

图42说明不稳定岛区；

图43是判断不稳定岛区的示意图；

图44说明支撑位置的存储；

图45是相邻方式的支撑重叠检查过程的程序方框图；

图46说明显示的掩模形状的依次翻页功能；

图47说明支撑形状消去功能；

图48说明支撑形状增加功能；

图49是整个系统的配置图；

图50是说明计算机功能的示意图；

图51是激光加工操作的示意图；

图52是从砂模制造到铸造的步骤示意图。

实施例的说明

从下根据附图对本发明的优选实施例作说明

〔第一实施例〕

〔构造〕

图1示出本发明第一实施例的总体设备配置。激光振荡器12发出作为热源的激光束并且有许多种激光振荡器如二氧化碳气体激光器、钇铝石榴石激光器(钇、铝、柘榴石)等可被使用。从激光振荡器12发出的激光束经过柔性光学纤维管(flexible optical figure)14通到漫射激光辐射源16。该漫射激光辐射源16上有预置的透镜，使过来的激光束漫射成预定的宽带辐射型漫射激光束，从而放射漫射激光束。

漫射激光辐射源16装夹在XY座标自记器18上。该XY座标自记器18有固定的X轴导轨18a一对和一根沿X轴导轨18a滑动的Y轴导轨18b，漫射激光辐射源16又沿着X轴导轨18b移动，这样，它就能在X-Y平面上自由运动。

在X-Y座标自记器18下方有砂层升运机20。该砂层升运机20具有一开口的顶部和可作垂直运动的底板。在底板顶面有一个装树脂复模砂(砂模制作时用)的容器。砂层升运机20的上方布置着一对导轨22，导轨22上可移动地装有撒砂器24和压砂辊26。

撒砂器24是个漏斗形容器，它的底部有一开口，将装在其中的树脂复模砂撒向下方的砂层升运机20的容器内。压砂辊26是圆柱形的，移动时会产生滚动，使装在砂层升运机20的容器内砂面展平。

撒砂器24与压砂辊26用连接板28连接起来，因而靠可动圆柱30而可沿导轨22一起运动，在本实例中，导轨22沿Y轴方向延伸，因而撒砂器24和压砂辊26通过圆柱30的运动而沿Y轴向来回移动。此外，在连接板28的前方，有一可折卸的掩模固定板32，它能沿导轨22移动。

导轨22从XY座标自记器18图面这一边的Y轴导轨18下边伸出。掩模托座34布置在上述导轨延伸段的右侧而掩模堆放座36布置在该延伸段的左侧。在上述的掩模托座34和掩模堆放座36的上方，设置掩模转运装置40，该掩横转运装置40用于将掩横38从掩模托座34转移到掩堆放座36；并由掩模夹持部分40a，提升部分40b，及移动部分40c组成，该夹持部分40a用于夹住掩模38，该提升部分40b用于把掩模夹持部分40a垂直向上提升，而移动部分40c用于把提升部分40b沿X轴方向移动。推放、托住在掩模托座34上的掩模38可以装在导轨22上的掩模固定板32中，并由掩模移动机构40从掩模固定板32堆放到掩模堆放座36上。掩模固定板32托住掩模38，使掩模留在预定位置并且使向下发射光辉束穿过掩模38的孔。掩模夹持部分40a是由吸盘、电磁铁等构成。

换言之，掩模夹持部分40a由提升部分40b从掩模托座34上方向下伸到支托的掩模38的上方然后将掩模38吸住。当掩模夹持部分40a往上运动后，由移动部分40c将掩模38定位在导轨22延伸部分上放着的掩模固定板32的上方。这时，提升部分40b使掩模38下移，并在掩模固定板32上方放开掩模38接着被固定板32托住。用同样的操作，导轨22上掩模固定板32中的掩模38照样可装在掩模堆放座36上。

此外，掩模固定板32的夹紧机构装在连接板28的前端，连接板28用于使导轨22上的撒砂器24和压砂辊连接起来。于是，当连接板向着这一边移动时该机构夹住掩模固定板32，当它往后移动时拉掩模及其固定板32，而当它再往这一边运动时就放开掩模固定板32，从而掩模38能沿Y轴方向在导轨22上移动。

控制器42控制着激光振荡器12、XY座标自记器18、砂层升运机20、活动圆柱30以及掩模移动装置等的操作。

〔操作〕

以下说明本设备的操作。当用本设备制作砂模时，首先从砂模的CAD数据可得到许多断面形状，并且制备许多与这些断面形状相应的掩模38。撒砂器24中装有涂塑的树脂复模砂，当受到激光束照射时塑料便融化了。掩模38由掩模移动装置40装入导轨22伸出部分上的掩模固定板32上，可动圆柱30把撒砂器24及压砂辊26推向这一边，而连接板28夹紧托住掩模38的掩模固定板32。此后，可动圆柱30再把撒砂器24，压砂辊26及掩模38拉回来。这时，撒砂器24把砂子撒入砂层升运机20的容器中。底板的位置定在砂层升运机20的顶部，以便能装一层砂。

当撒砂器24和压砂辊26往回运动时，掩模38处于提供砂子的砂层升运机20的上方。掩模38与砂顶的间距调整到几毫米。

以上的第一阶段操作完成后，反复进行图3所示的操作。就是说，当砂层升运机20内装上一层砂并且掩模38位于该砂层升运机20的上方时，通过XY座标自记器18把漫射激光辐射源16移动到掩模38的上方并发射激光束到掩模38上。

因此，砂层露出部分上的树脂受热固化，于是这部分硬化了。在这一实例中，激光照射时，漫射激光辐射源16来回通过掩模38好几次使激光束均匀地照射到掩模38整个面积上。

当激光用这种方式进行照射后，拉动可动圆柱38使掩模38与撒砂器24及压砂辊26一起向这一边移动。当砂层升运机20的底板向下移一层砂层的厚度，同时掩模固定板32中的掩模38由掩模移动装置40送到掩模堆积座36上，再把掩模托座34上的下一块掩模38装到掩模固定板32上，进行掩模交换操作。

如上所述的撒一层砂以形成一层砂，将掩模放到该砂层上方、照射激光束的操作重复进行就构成一个三维结构的砂模。这样做成的砂模用于进行铸造。

〔漫射激光照射源〕

如图3(A)所示的固定式漫射激光辐射源16可用作漫射激光辐射源16。在该实例中，漫射激光辐射源16有一个凹透镜16a，使从二氧化碳气体激光器或其他类似的激光器中射出的高输出激光束的光点直径扩大到几十厘米并照射到掩模38上。因此，激光的照射是在漫射激光辐射源16固定的条件下完成的。当应用这样的漫射激光辐射源16时，XY座标自记器18可以只沿X轴向运动就能全面扫描，而漫射激光辐射源16则可固定在Y轴导轨18b上。

如图3(B)所示，漫射激光辐射源16可以沿X和Y二个方向扫描。就是说，在此实例中，漫射激光辐射源16使射束直径为0.2mm到几毫米的激光束的光点直径扩大到几十毫米，并且辐射出扩大了的激光光束。因此它不能使激光束照射整个掩模表面，于是靠XY座标自记器18的运动才能扫描掩模整个面积，完成照射。

图3(A)和3(B)中任何一种漫射激光辐射源，其激光辐射能的能量调节到能使02.mm的树脂复模砂上的树脂固化。

〔掩模〕

掩模38是用耐磨的板料做的。它能遮住激光，其上的孔为了使一部分砂凝固。例如，当应用的是二氧化碳气体激光器或钇铝石榴石激光器时就采用有切口的铜片或铁片。掩模38能很容易用数控激光机床加工。由于放射的激光束的能量密度较低，只能凝固一层(0.2mm)的热固性树脂复模砂，因此，用金属片作掩模38就够耐用了。

根据缺口形状不同，掩模38上的切口部分可以与其他部分区分开。例如，要做一个如图4(A)所示的方形量器的砂模；其底部的掩模38只是个如图4(B)所示的框形边框38a。虽然这种情况没有什么问题，但是底部以上部分的掩模38则需要在其中央有一方形小岛38b。这时，该岛38b必须用支撑38c与周边部分相连。

在该实施例中，如图4(C)及4(D)所示，相邻截面的掩模中支撑38c的位置彼此不同。因此，支撑38c下面未固化部分沿垂直方向是不连续的。这一未固化层的厚度很薄宽度很小(例如0.2mm×5mm)，所以即使在砂模中有与此未固化层相应的间隙，铸造过程中金属液也不会进入该间隙的。而且还有一个优点，即该间隙在铸造时起通气孔的作用。

当用钇铝石榴石激光束作为激光光束时，该钇铝石榴石激光束穿过石英玻璃，而这时如图5所示，在石英玻璃衬底38d上会因金属的蒸敷而形成衬底部分。用这种方法，小岛就不一定要用支撑连接。通气孔不必起支撑作用，因而可以适当地形成。

掩模38的4个角上可以有定位销，这对传送和装配时于掩模的定位有利。此外，在掩模托座34上及掩模推放座36上可以有导向板，围着掩模用以使掩模定位。在砂层升运机20的适当位置处还可以装一挡块，用来规定掩模38的位置或者可以用多种传感器以进行准确定位。

〔型砂〕

常规使用的型砂不能直接作为本发明这一实施例使用的型砂。所谓用于制作铸铁件或铝铸件壳型树脂复模砂，通常吹入热的金属模中，再烧固，硬化。这种场合应用时采用相对粗糙的砂粒(例如15至30mm)以便排出浇注时产生的气体。但是本发明中，必须形成大约0.2mm厚的涂层，而且要使用圆周粒度细到5至10nm的型砂。在本实施例中，通气孔的形成已如上述。

而且，通常使用石英砂作为树脂复模砂，其热膨胀系数约为60至100。当这种砂用于本实施例时，则在激光照射下砂子膨胀引起热变形和破碎。低膨胀系数的砂，如氧化锆砂及富铝红柱石砂(两者的热膨胀系数在30至50之间)，适合本实施例。根据应用目的不同，可以采用金属粉末，陶瓷细粒或其他材料。

按铸造工艺的不同，多种多样的树脂被用作用于包覆的树脂。在本实施例中，明确地分清激光热辐射区和非辐射区的界限，提高尺寸精度尤为重要。最好是固化反应温度范围窄和脱壳性良好的砂子。

〔撒砂器〕

图6示出供砂结构，如撒器24。撒砂器24由漏斗形容器24a和装在它底部开口处的回转叶片24b组成。装在容器24a中的砂子靠回转叶片24b的转动撒落下来。控制回转叶片24b的转动也就控制了喷撒操作的开启关闭和砂的喷撒量。在该撒砂器24的后边(图1中的前边)有一块括板50，装在撒砂器24和压砂辊26中间，并连接到连接板28上。当括板50向图6的右侧移动时(图1的后面)，它把撒砂器24喷撒下来的砂层表面括平。而装在括板50后面的压砂辊26则压紧被括板50括平的砂面，使砂层升运机20表面形成一层(0.2mm)砂层。

采用这种方法，本实施例一次运动就能有效地完成砂的喷撒和辗压，从而高速地形成砂层。并且，如上所述，由于在生成砂层的运动过程中，掩模38被放到砂层上方，因此，加工一层砂层所需的时间极短。

〔本实施例的效果〕

由此可见，按照本发明的这一实施例，由于应用了掩模和漫射激光束，激光束不必进行扫描，即使需要扫描，扫描时间也极短。所以处理一层很快。因此，从整体看制作砂横所需时间能缩短。由于通过多次使用加工好的掩模，能容易地成批生产砂模。这种砂模极其适合于铸件的批量生产。

特别是当在现有技术中不用掩模且使用具有小光点直径的激光束时，那就必须只能扫描激光照到的那一小部分同时为此目的在每次扫描时必须加以控制。此外，照射所有该照区域的时间也加长了。

还有，由于现有技术中采用的是聚束，难以实现能量密谋均匀分布，照到能量的面积是圆形的，因此就如图7(A)所示，热固化区域的形状像凹槽，其断面和投影边界形状不清晰。但是在本实施例中，掩模与漫射激光束联合应用能得到均匀的能量，如图7(B)所示，热固化区的截面和平面形状都很整齐。

这样，根据本实施例能够高速度地做成砂模，用这种砂模可以批量生产铸件，在这方面，按照本发明这一实施例的方法，在铸件设计和生产准备上有以下优点：

在现有技术的铸造方法中，如图8左侧中所示，分型面和拔模斜度(S2)、机加工余量(S3)、以及对伸缩尺寸和翘曲变形的考虑(S4)都是为了每件产品性能所要求的产品形状(S1)而进行的，并进行铸模的设计和制造(S5)这样生产的砂模用于铸造一个产品。

所以，如在S2所示，由于分型面及拔模斜度引起的多余部分(用斜线表示)也生产出来了，如在S2下面的图形中所示。由于产品不能只用两件铸模成型，还要一个木模型芯。用这样的砂模制造的铸件比需要的厚度厚，且其形状与设计产品也不同。然后再加工成设计的产品形状。因为分型造成的铸件毛边留在成品上，故必须削掉。此外，由于机加工余量需要切削加工，因此产品比需要的要厚得多。

但按本实施例，如图8右侧所示，CAD单元(S11)形成一个具有产品形状的计算机模型。在此基础上进行伸缩尺寸和翘曲变形的有限元模型(FEM)分析，在此分析结果(S12)的基础上可以求出构成砂模的每一截面的形状，从而确定整个砂模形状。然后在此断面形状基础上，形成砂模的每一层并获得一个砂模(S13)，铸件就是利用该砂模做出来的。

由于设计砂模时，它的截面形状层可以由具有设计产品形状的计算机模型一层层叠加而成，所以完全没有必要考虑分型面和拔模斜度。因此，再为每个截面做掩模，并被用来按上述步骤形成砂模，从而最终的砂模具有设计产品的形状，而用此砂模制造的铸件不会像现有技术中那样比需要的厚度厚，而是十分接近设计产品的形状。所以，可以快速地批量生产高精度铸件。

本实施例在铸造时也会出现延伸、弯曲等现象。但是，可以用有限元方法或类似方法通过热弹塑性为学从液体金属的浇注到冷却的变形量分析，这样倒过来计算而获得最终需要产品的砂模形状。由于产品形状不因出模斜度等而改变，因此该计算比较简单。

〔多工位〕

如上所述，根据本实施例可以有效地进行砂模的生产。当有许多工位时，这种生产的效率就更高了。图9示出多工位设备配置的实例。如图所示，漫射激光辐射源16、砂层升运机20等与工位在数理上是一样的(本例中为6)。从单个激光振荡器12射出的激光束经激光分配器52分配到6个漫射激光辐射源16(按次序送给)。

掩模放在掩模架54上，此架54下面是掩模托架56。掩模架54把掩模38依次送到掩模托架56上。

掩模托架56横跨各工位上方布置，每一承托的掩模38处于一个漫射激光辐射源16和对应的砂层升运机20的砂层中间。所以，多工位之间的间距要一样，而掩模38依次移动这一间距定位在各工位上(一步)。掩模经过这六个工位后放回到掩模架54的顶上。

现在说明本设备的操作。起始，第一层掩模位于第一工位上，这时第一工位的砂层升运机20中准备了一层砂。其后，第一工位上的漫射激光辐射源16射出一束激光，照到第一工位的这层砂子上。

然后，第一掩模38靠掩模托架56移动一个工步(间距)而移到第二工位。在第一、第二工位上，激光束进行照射。这样重复进行直到第一掩模位于第六工位，这时第六掩模38处于第一工位上。这种情况下，如图10所示，从一至六工位依次完成激光辐射这后，按顺序进行以下操作：使砂层升运机20下降一层，移动掩模38并进行喷砂。

用这种方法，与工位数目(本例中有6个工位)相应的砂模只要用一套掩模就可一齐做成。由于激光照射时间短，单个激光振荡器12的激光束可以按图所示进行分配。因为本例中漫射激光辐射源16与型砂之间的距离相对较大，所以使用一对透镜58使通过掩模的激光准确地照射到砂层上。

由于掩模受到激光6次照射，掩模的温度升高了，因此增加了一台冷却没备60，例如空气冷却器。

这样，大大提高了生产率。

〔第二实施例〕

图11是本发明第二实施例的结构示意图。平板式加热器70中插入一诸如镍铬电热丝那样的发热元件70a，当外界输入电流时，整个表面便发热。绝热掩模72与第一实施例中的掩模38几乎是一样的。掩模72按预定数量准备好。掩模上的孔的形状也是预先规定的。这种绝热掩模72具有隔绝加热器热量的能力。因此，当绝热掩模72装在加热器70下面时，只有孔下方的砂子受热。

撒砂器24、压砂辊26、刮板50、砂层升运机20等的结构与第一实施例中的一样。一层砂注入砂层升运机20中后，已固定了绝热掩模72在其上的加热器70定位在砂层上方。因此，只有绝热掩模72的孔下方的砂子才会受热，使其树脂固化。那样，按顺序更换绝热掩模72，一层一层砂层被固化，最后形成了砂模。在加热期间，如果砂子表面接近模模，那么加热效率更好。但是，建议掩模不要直接接触砂层，砂层与掩模的间隔最好为0.1至2mm。此外，在每一次固化操作时，绝热掩模72被装在加热器70的下面。绝热掩模72最好用真空吸附或用电磁铁贴到加热器70上。例如，如图12所示，当在加热器70的4个角上开掩模吸入孔70b时，则绝热掩模72可通过掩模吸入孔70b用真空吸住，而绝热掩模72的附着和分离可通过真空吸附的开闭操作进行控制。

在这一例子中，最好在加热器70的掩模附着面周围装上导向件70C，以便使绝热掩模72对准加热器70定位。此外，最好还有定位销70d。这时，绝热掩模72上与对应定位销的位置处开了凹槽。

此外，图13示出输送掩模的传送机器人74。这样，绝热掩模72由这种传送机器人74一个接一个地放到砂层上。同时加热器产生热量使砂子加热。这就是说，用这种传送机器人74重复以下操作：(i)吸起绝热掩模72，(ii)将该掩模72传送到砂层上方并定位好，(iii)给加热器70a通电，(iv)取走绝热掩模72。这样砂模34就可被形成。

加热器控制器76由传送机器人74控制着加热器70a的供电，而传送机器人74还使吸附控制器78控制对绝热掩模72的吸附。

按照本第二实施例，由于加热器70被用作砂子的加热源，该加热源比激光振荡器便宜得多。而且，很容易增加加热器70的面积，因而制造大的砂模也比较方便。特别在如铝板或铜板的金属板被放在加热器70下面的情况下，将金属板加热到一定温度，这样可使大面积均匀受热。因而容易制造大的砂模。因为涂在砂粒上的树脂在300℃左右固化了，所以它能用这种加热器70有效地得到加热。

绝热掩模72采用的绝热材料有石棉，陶瓷或高熔点金属(如铁板)。

此外，在多工位时，布置了多个砂层升运机20和图13所示的传送机器人74等，并且一个接一个地输送绝热掩模72，则用一套绝热掩模72就可高效地制造多个砂模。

〔第三实施例〕

在本实施例中，如图14所示，采用了多个单独的热发生器80代替第二实施例中的加热器70。绝热掩模72的整个面积被多个单件热发生器80所覆盖。就是说，如图15所示，绝热掩模72的一分块面积用一个热发生器加热，而每个热发生器80内插入一根高频电阻加热丝80a，这样可以单独加热。

当加热时，如图16所示，由断面形状数据决定如何加热，究竟在每一分块上是否有成型形状(与绝热掩模72的开孔相对应的形状)并且只对有成形形状的分块上单件热发生器80中的高频电阻加热丝80a通电。从而如图15中的斜线所示，只有在绝热掩模72的孔上面的单件热发生器80产生热。因此，如图17所示，只有孔下的砂层才被有效地加热。

由于单件热发生器产生热量由这种方式控制，因此没有不必要的能量损耗。此外，绝热掩模72受到的是必要的热量，其使用寿命也因而延长。

同样在本第三实施例中，用一套绝热掩模，配备与第一、第二实施例中一样的多工位，就能做到高效的批量生产。

〔第四实施例〕

在本实施例中，利用垫座防止各截面形状层发生变形。

如图18所示，先制造垫座(S11)。垫座的制造是像在现有技术中做砂模那样将涂上树脂的砂(树脂复模砂)倒入热的模子内，并使树脂凝固。该垫座的厚度应当足以支承砂模。例如，垫座厚度根据砂模大小不同可从1cm到5cm。垫座面积应略大于砂模的成型面积。举例来说，垫座1可以是如图19(A)所示的矩形板。

垫座1装在砂层升运机底板上(S12)。该砂层升运机的底板能作垂直运动。正如下面要说到，底板的下移可以在底板上一层层地形成薄薄的砂层(热固性树脂复模砂)。

当垫座装好后，底板向下移动一层的距离，同时撒一层砂在底板上形成第一层砂(S13)。例如在图19(B)及19(C)中，砂层2形成于垫座1上。

随后，激光束照射到与砂模断面形状相应的一部分砂层2使之固化(S14)。一层组合模形成之后，判断一下它是否是最后一层(S15)。如果不是，程序又加到S13，继续形成以后的多层以完成三维砂模的成型。

根据本实施例，应用了垫座。该垫座是利用金属模子做成厚度足够的所需的形状。因此，本实施例中的垫座，其表面精度高。

在S13中，垫座上撒了第一层0.1-0.5mm的所需厚度的砂，再射上激光束。座垫与砂层是用同样材料做的。第一层凝固后粘附在垫座上，由于垫座有足够的强度，因此第一层不变形，防止了扭曲的发生。此外，由于下一层是在这一层基础上形成的，这一层不翘曲，那么下一层也不会歪曲，从而可得到不变形的砂模。

为了直接制造产品，该垫座以后必须拆去。但是，本实施例要做的是砂模，因此不会有因垫座粘附在砂模上而产生的问题，反而提高了砂模的强度。按照不用垫座的方法，被激光束等加热的第一层的背面可能成型不细，并具有低平面度。与此相反，采用了垫座，利用垫座高的平面度，能形成高平面度的第一层。

〔第五实施例〕

为了减少砂料间树脂的收缩，重要的是要提高砂的容积密度。就是说，若容积密度高，就能阻止树脂在固化时收缩而引起的砂粒变形。

在本实施例中，如图20所示，采用的砂子的颗粒尺寸分布曲线不是按标准的正态分布，而是有两个峰值。就是说，尺寸的分布对较大颗粒有一个峰值，较小颗粒有另一峰值。

这样，小颗粒进入大颗粒(较大颗粒)之间的空隙中可以提高容积密度。

较小砂粒的峰值颗粒直径最好为较大砂粒峰值颗粒直径的1/2到1/10。例如，当较大颗粒的峰值直径为50μm而较小颗粒的峰值直径为10μm时，则容积密度可大大提高。

提高砂的容积密度可减弱在树脂收缩时发生变形，因而可得到无翘曲的砂模。此外，在第一实施例中垫座上形成一层有两种大小砂粒的砂层是有利的。

当容积密度提高时，砂模透气性降低了。那么，可以在形成分层时在砂模的一部分中形成细沟。例如，上述掩模中支承孤立岛区的桥即适合于此目的。

〔砂子的喷撒〕

按照本实施例，用两种不同的砂子构成一层砂层。但是，当这二种颗粒直径不同的砂同时喷撒并用压辊和挡板形成薄层时，则较小颗粒有向层底聚积的倾向，而较大颗粒倾向于留在顶部。因此，该砂层上面部分的容积密度较低。

所以在本实施例中，如图21所示，先撒大直径砂粒后撤直径较小砂粒。这样，较小颗粒进入先撒的大颗粒之间的空隙中，从而提高容积密度。

小颗粒直径的砂的使用量只供充填大直径颗粒之间的空隙，即大致为大直径数量的1/5到1/20。这样，少量小直径砂粒可以有效地提高砂层的密集性。

此外，如图22所示，设置一台喷撒较大直径砂粒的撒砂器24和一台喷撒小直径砂粒的撒砂器24。这两台设备同时喷撒二种不同的砂粒，该两种砂的喷撒可平行进行。这样做可以缩短喷撒所需时间。而压辊26则滚压砂层表面。

〔第六实施例〕

为了提高砂层的容积密度，最好给予振动和加压。本实施例就是为此作该项工作的。

图23示出利用振动的例子。如图所示，振荡器90布置在压砂辊26之前，对要受压砂辊26滚压的砂子进行振动。压砂辊和振荡器一起移动以提高砂层的容积密度。一种靠马达转动产生几十赫茨振动频率的振荡器或能产生高频振动的超声传感器可作此用。

此外，图24示出一种通过压缩提高砂层密实度的实例。如图所示，平板92压向砂层2，以提高砂层2的密集度。这块平板用马达或液压系统垂直驱动。当压缩压力达到预定值。平板的下移运动就停止。

最好经过振动形成砂层后再进行压缩。此外，本实施例还可与第四、第五实施例结合起来。

根据本实施例，砂层容积密度必定可以提高。因此，由于减少砂在固化过程中的翘曲，所以可以获得一种几乎没有歪扭的砂模。

〔第七实施例〕

本实施例的特征在于用于形成掩模的支撑是自动进行设计的。

〔总体工序〕

首先参看图25说明形成掩模的整个过程。在生产铸件时会产生收缩，对此收缩量作补充的铸件的尺寸附加量要加到铸造物(坯料)的三维造型上，以修正坯料的三维形状。这就是说，由于铸件生产时处于高温，所以常温下坯料的三维形状要修正到高温生产的要求的形状。这一补偿工序由常规的三整体成型系统的铸件尺寸功能自动完成的。这时考虑了对翘曲的补偿。

在这一修正了的三维坯料形状的基础上，三维系统对铸造坯料所需砂模外形进行设计。由该设计得到的厚度比来自坯料形状的预定值大，进行该设计也很容易(模拟砂模形状)。这时考虑了砂模与产品的差异。

以后，这一修正的坯料形状当作砂模的设计外部形状。该坯料形状的倒型就是砂模的外形，而砂模形状的反面就是掩模的形状。所以，掩模的形状就是坯料的形状，并且可以直接把该坯料的修正形状当作该设计。

由于掩模形状是这样得到的，所以把这样得到的掩模形状按与砂层厚度0.1至0.3mm相当的间距分层可得到许多二维数据(二维截面数据)。

虽然掩模是用这样获得的二维数据制造的，但是在这样得到的掩模形状中还可能有一个与砂型芯相应的小岛形状需要考虑。该岛外形周围是空的，因而会掉砂。因而需要有支承该岛的支撑。在本实施例中，正如下面所述，这些支撑是自动设计的。

掩模外形用上述方法可求得，而每个掩模外周线形状的数据被自动采集并转换成数字控制码(NC codes)。根据这些数字控制码，用激光加工铁板得到掩模。

利用这样得到的掩模可制造砂模，再用此砂模制造铸件。

在现有技术的砂模制造过程中，即使已经有产品的三维形状，但是制作外模的拔模斜度、内腔造型用的芯模及铸模的分型等都需要设计。所以，需要非常复杂的三维造型。此外，三维形状不能像一维数据那样得到，因此更改设计要从头开始。

按照本实施例，形成砂模的模子由二维形状的铁板组成，且只有必要部分才用激光束照射。不需要考虑型芯形状、拔模斜度、分型面等问题。因此，形成砂模的掩模形状是把铸造尺寸增量加到坯料形状上以后得到的形状，它通过极简单的设计就能得到。由于坯料形状与掩模形状有联系。所以三维形状很容易转化成一维形状数据，设计更改也容易了。

〔支撑形状自动设计程序〕

支撑形状如果安排得当就变成铸造时的除气方式，其存在是可取的。但是，如果安排不当，就会有损于浇注的坯料的形状，要是有多个支撑则在掩模机加工时切削边数量很大，机加工和激光切割都要化太多时间，使掩模制品成本提高。

所以，成形支撑的条件如下：

(i)它们应当不损坯坯料的外形。

(ii)每块掩模应有足够强度。

(iii)支撑数目应当最少。

(iv)它们必须有效地起通气孔作用。

在本实施例中，如图26所示，按以下步骤设计支撑形状。

按预定程序从掩模形状中抽出岛的形状，基于预定规则形成的支撑自动地布置在绕此岛形的空间上。

由于是在预定条件下自动生成支撑的，并非总是最佳布置，所以在预定条件上形成的这些支撑应作重新布置，比方说用自动优化工序。

虽然以这样方法完成支撑的自动优化，但在最后阶段设计师要用人工对支撑作检查和修改。有这种情况，在特殊条件下支撑必须用人工方法加强或增加。

于是通过有效地增加支撑得到掩模形状。由于每块掩模形式的产生基本上是自动完成的，设计师的负担大大减轻了。从作为收集的数据贮存的坯料三维形状求得的二维断面形状可以自动地形成支撑，所以因设计更改而作修改是容易的。

〔支撑形状自动设计方法〕

当支撑与坯料形状相交时，其形状被损害。就是说，当支撑与坯料形状相交时，二者在相交位置合二为一，同时使坯料的形状在相交位置处被损害。同时，正规的坯料在X和Y方向有多条轮廓线。因此，支撑的方式在坯料形状设计坐标系中总是由成45°角的斜向平行线构成。这样能使支撑避免与坯料端部相交，而坯料也避免由于支撑宽度而变宽。如果支撑是独立的，则液体金属流不进支撑的截面，支撑却起通气孔的作用，同时支撑也不会对坯料的形状有不利的影响。

例如，当坯料形状内的岛是矩形时，如图27所示，支撑就在45°方向自动布置，并且只在空白区的支撑被选用。

根据坯料形状不同，45°方向可能不是最好的方向。方向角作为参数，可以代入任何数，而且支撑间的间隔(间距)也是可变的。

如果各相应层的掩模中的支撑按同一位置排列，则这些支撑会连接而成连续的支撑，从而变成铸件的一部分。这样，支撑的结构必须改变(移动)。

例如，当支撑方式都沿一个方向时，如图28所示，则各层图形的安放要改变。在该图中，实线所示图形是这一层的支撑图形，而虚线所示图形则是相邻层的。按照这种方法，二种不同的图形交替使用，图形的设计都是极简单的。但是，当岛区及空白区都很大，用这种方法时整个掩模的强度可能不够了。

因此，当岛区及空白区都大时，最好设计成网络形。当准备了二种不同的网络图形并交替使用，如图29所示，会产生公共部分并成为铸件的一部分。那么，如图30所示，当准备了三种不同图形(本例中有a，b，c三种)，应用的顺序为a，b，c，a，……这样防止公共部分的形成。在图30中，图形a用实线表示，图形b用虚线表示，图形c用点划线表示。

〔图形确定〕

这种支撑的布置方法随不同的铸造零件而不同。所以最好使各层支撑图形交替布置。在本实例中，通过对下列参数的规定决定支撑的布置。

(i)支撑图形标号：N

应当采用的支撑图形数目由参数N确定。上例中N数为2或3。

(ii)掩模重复出现标号：M

同一图形重复使用的次数由参数M确定。它指定布置在相同位置上的支撑的数目并能控制通气孔的大小。

参数M与N都示于图31上。这样，支撑图形的M号用于第一种形状，支撑图形的下一个M号用于第二种形状并一直用到第N种形状。

(iii)倾斜角G

虽然G是个不起作用的值(defanlt)并设定45°，但它可变为任意度数。

(iv)间距

如图32所示，间距1表示支撑在-45°方向上的间距，而间距2表示支撑在45°方向上的间距，而间距2表示支撑在45°方向上的间距。设间距1及2为0，则在这两个方向上没有支撑。虽然支撑的倾斜可由G而改变，但两个方向上的支撑总是成直角互相交叉。若G＝60，且间距1的支撑倾角为-60°，则间距2的支撑倾角为30°。

(v)支撑宽度：W

支撑宽度由参数W确定。

确定了该参数后，第一支撑变成如图33所示，在图形中，负方向的支撑从左下端点起以间距1一个接一个地排过去，而正方向的支撑从右下端点起以间距2一个接一个地排过去。第二个图形是这样的，支撑与左下端点的的最近间距为1/N，支撑与左下端点的最近间距为2/N。对于如图34所示的第N个图形，负方向支撑以间距1/N离开左下端点布置，正方向支撑以间距2/N离开右下端点布置。

〔优化支撑布置的方法〕

按上述参数布置支撑才是有用的支撑布置。为此需要有删除多余部分、增加必要部分的工序。本实施例制定了自动优化处理工序。通常，用本方法作的布置是有效布置。但是，有特殊情况，这种方法应当更换。那时，设计师可以检查和修改方法的内容。

〔自动优化工序〕

(i)自动删除多余部分

当按上述办法自动布置支撑并且内部有空间部分，总是要布置支撑的。然后需要删除多余的支撑。当掩模形状如衅35所示时，有一45°方向布置的支撑，出现了连接同一形状的多余部分。图上空心段是多余的而实心段是必要的。

如图36所示，将截面形状部分(掩模)去掉后，斜直线的支撑形状被分成几段。为把必要段和多余段区分开，在每段上标上哪条回路与本段相交的标记(每一剖面形状的周线被认为是一条回路)。各剖面形状的回路从图的左外侧起依次编号。图形的外周线记作逆时针回路，内周线标为顺时针回路。

因此，图35左下方的支撑与回路2有4个交点，是多余的。只与回路4和回路7有交点的支撑段也是多余的。这样，当支撑与同一回路有4个交点时，就能断定该支撑是多余的，因此，一条支撑的必要性由检查其标记值来判定的。

如果一支撑有5个或更多的交点，如图37所示，则该支撑是跨过一个图形的边缘了。由于这种支撑不理想，因而认为它是多余的。

(ii)自动增加支撑

支撑按指定的间距均匀布置。与支撑不相交的岛区就没有支撑。因此必须给定加上支撑。

首先按顺序检查一对顺时针和反时针的回路，与支撑无交点的一对就被选上。无孔图形也就没有顺时针回路。当一个图形内有许多单独的孔，则一个逆时针回路有许多顺时针回路。这些回路也被看成和上面那对一样。

按照这种方法，图38形状中左侧区域内的岛区被选上，应当明白，用虚线表示的支撑对岛区是必要的。

通过这种检查，把选上的一对画上两极框。就是说，如图39所示，画一方形包围该岛区。再配上一个通过该方形中心的45°支撑。

这样得到的支撑形状段由于删去剖面形状段而被分成几小段，并给小段的交点标上指明与哪条回路相交的标记。

以后，只有其上标有逆时针回路标记的小段才被选中并命名为必要支撑段。这样得到的支撑段加上去，以便得到图40所示的必要支撑形状。

当选上了只有逆时针回路标记的小段时，那末图41所示的U形岛区的内支撑段也选上了。并且如果支撑段只与逆时针回路有交点的，那是选不中的。

(iv)不稳定段的删除和支撑的增强

根据支撑的连续位置，连接支撑的岛区可能是不稳定的。例如，如图42所示，当支撑只连接细长岛区的一端时，该岛区的支撑是不稳定的。

图43示出这种情况的支撑。如图所示，先画两极框，在其中再画比它小的框，并由这二个框构成4个角，即区1至区4。

要判断岛区与支撑的交点属于上述四区中哪个区的，如果各交点均属于同一区，则断定该岛区支撑是不稳定的。若一个交点属于二个区，则判定它属于二区中的一个区。

如果用这种方法断定岛区是不稳定的，则一根通过两极框中心的支撑自动增加到岛区上。U形岛区的处理方法和前述相同。

(v)在增加和加强支撑时检查相邻图形的重叠

当如上所述增加和加强支撑时，就得到一个不同于原始支撑图形的支撑图形。那时，必须防止新图形中的支撑与相邻层内的支撑重叠。

如图44所示，XY座标系旋转45°得到X’Y’座标系，相邻二层的支撑中心线在X’Y’座标系中的位置要贮存。

当增加新支撑时，检查它是否与相邻层内贮存的支撑重叠。

例如，图45能判断窨在新支撑的宽度内有无贮存的支撑。如果有，则重复地使支撑在宽度方向正反向移动距离a(例如1至2mm)直到没有重叠为止。所以支撑位置与相邻层的支撑重叠的情况得到改变。

〔支撑形状的检查和人工修改功能〕

上述自动优化处理可得到一个几乎最佳的支撑形状。但是如有必要，对这一最佳支撑开状进行检查并作人工修改是有益的。为此目的，本实施例扔有检查和人工修改功能。

(i)掩模形状检查功能

(依次翻阅功能)

首先，能显示每个掩模的形状。如图46所示，掩模形状可以往前或往后传送来显示。因此，设计师可以挨个检查掩模。现在显示的掩模的编号也显示在荧光屏上(掩模的现行编号及掩掩的总号)。

(编号指定与显示功能)

此外，指定编号就能显示掩模。检查时检索需作修改的掩模形状，找到后即可知道详细情况并作修改。

(已作修改掩模形状的检查功能)

当用在以后说明的掩模形状修改功能完成修改操作并进行形状修改时，掩模形状在完成以后再作重新核算并再次显示。因此，已修改的掩模形状还能进行检查。

(ii)支撑形状修改功能

(支撑形状消去功能)

要消去任何支撑，可用定位点把该支撑围起来。就是说，如图47所示，用定位点围住预定的范围，将其中存在的支撑去掉。本图用了7个定位点1至7确定一个几乎圆形的范围。

当一个随意的掩模形状按上述被显示时，顺次输入定位点就可完成这一处理。在指定了预定范围后，消除指令可把指定的支撑消除。支撑可依次指定以便消除。最好用鼠标给出这一指令。

(支撑形状增加功能)

这是在任意空间位置上增加支撑的功能。例如，如图48所示，定位点1至4所围住的区域只要标明这些定位点即可指定为支撑。在这种情况下，移动掩模形状的计算机操作是自动执行的。给定二个定位点即可增加一根有规定宽度的支撑。

〔系统的总体设备配置〕

铸件制造系统的总体设备配置示于图49。如图所示，该系统由计算机110，激光机112，砂模制造设备114及浇注机116组成。

计算机110收集所需数目的掩模图形，以便由坯料的三维形状求出坯料的断面形状。激光机112则基于获得的掩模形状加工铁板，得到掩模。砂模制造设备114则利用这样得到的掩模，重复地将激光束照射到塑料复模砂的预定部位上，以获得一层砂模，把砂模层一层层叠合组成砂模。这样得到的砂模提供给浇注机116，在浇注机中金属液注入砂模中，然后金属液被冷却和凝固，撤去砂横就得到铸件制品。

〔掩模形状设计〕

上述的计算机110用于建立掩模形状。如图50中的功能块图所示，计算机由输入设备120，处理机122和输出设备124组成。处理机122内有铸件尺寸增量和变形补偿单元122a；二维截面成形单元122b和支撑设计单元122c。

输入设备120接收坯料的三维形状数据并接受上述参数的指令和人工操作的输入。输出设备124将这样得到的掩模形状作为数据输出。输出设备124包括显示器和打印机。

处理机122完成如上所述的铸造尺寸增量及变件的补偿运算；产生二维截面数据，设计支撑。

〔掩模加工〕

如图51所示，激光机112先获取掩模形状的数据，根据这些数据一件一件加工掩模。就是说，激光机发射激光束照到铁片上的按掩模形状的轮廓线部分以切割铁板；激光机依次接收每时掩模的数据并加工每块铁板，以备好一套掩模(供一个砂模使用)。

〔砂模制作与浇注〕

砂模制造设备114由压砂机，掩模装配机和激光照射机组成。该压砂机用于单独砂层的层压，掩模装配机把掩模顺次装到压砂机上，激光照射机向每层砂层发射激光束。

如图52所示，压砂机上先装一层砂(S11)，该砂子是塑料复模砂，有预定的直径并涂有如热固性塑料的塑性于其四周。此后，把掩模放在这层砂上(S12)。当掩模装好后从其上方照射激光束(S13)。因此，在掩模孔下的砂暴露在激光束下，这部分砂就固化了(成整体)。

此后，判断一下此掩模是否是最后一块(还有没有下一块掩模)(S14)。如果还有下一块掩模，则程序又回到S11，继续进行下一砂层的处理。若在S14时掩模已是最后一块，则程序结束。用这样方法制成砂模。

最后，这样做好的砂模用于制造铸件(S15)。

Claims (22)

1.一种形成三维形状砂模的方法，包括以下步骤：

累积涂覆热固性树脂的砂粒以形成薄层砂层；

把一块在预定部位上有开孔的掩模放到上述形成的砂层上；

透过放上的掩模使位于掩模开孔下的那部分砂层受热而后固化；

形成该砂模的一层断面形状层；以及

重复进行这些操作，把这些断面形状层堆积以形成三维形状的砂模。

2.按照权利要求1中所述的砂模形成法，其特征在于：透过掩模的加热是用漫射激光束穿过掩模射到砂层上，使砂层暴露部分加热。

3.按照权利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于：当该掩模中有相应于型芯的岛时，则使用这样一种掩模：在所用掩模上由该掩模的其他部分伸出支撑来支承该岛，且相邻砂层的掩模中的支撑位置是不同的。

4.按照权利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于：穿过该掩模的加热采用在该掩模上方设置一热源使砂层的暴露部分加热。

5.按照权利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于：热源具有较大照射范围并且分成多个热源元件设置在掩模上方，以加热砂层的暴露部分。

6.按照权利要求5中所述的砂模形成方法，其特征在于：各分割的热源元件对着砂层上相应的分割块能独立地开或关，并且在加热阶段只有在绝热掩模的暴露部分上方的热源元件才打开。

7.按照权利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于：在多个工位上形成砂模，并行制作多个砂模，而且该掩模在该多个工位之间可移动，并为该各工位共用。

8.按照权利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于：第一层砂层形成并粘结在垫座上，以便在砂层形成时能稳定在承托砂层。

9.按照权利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于：至少采用了二种颗粒直径不同的砂作为用于砂层中的砂。

10.按照权利要求9中所述的砂模形成方法，其特征在于：在砂层形成时，先撒颗粒直径相对较大的砂，后撒颗粒直径较小的砂，以形成一层砂层。

11.按照权利要求1中所述的砂模形成方法，其特征在于：在砂层形成的步骤中，由振荡器产生的振动使砂子受到压缩，以形成砂层。

12.按照权利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于：在形成砂层的步骤中，铺撒的砂层厚度比要求的砂层的厚度大1-10％，然后用一块板从上往下压。

13.按照权利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于：根据在布置了支撑后的掩模形状制造该掩模，支撑布置的步骤如下：

根据铸件的二维截面形状设定掩模形状；

探测这样设计的掩模形状上的由四周空间部分包围的岛区；以及

根据以预定间距布置的平行线，在包围该探测的岛区的空间部分内自动布置预定间隔的支撑。

14.按照权利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于：根据布置完支撑后的掩模形状制造该掩模，支撑布置的步骤如下：

根据铸件的二维截面形状设定掩模形状；

探测该掩模形状中被空间部分包围的岛区；以及

在该包围探测的岛区的空间中根据预定间距布置的网络支撑自动布置支撑。

15.按照权利要求1所述的砂模形成方法，其特征在于：该掩模是在其中支撑布置作修改后的掩模形状制造的，修改步骤如下：

根据铸件的二维截面形状设定掩模形状；

探测该掩模形状中被空间部分包围的岛区；

按预定规则自动确定支承岛区的支撑的位置布局；以及

根据岛区与支撑的连接状态修改自动布置支撑的位置。

16.按照权利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于：在自动布置支撑的步骤中，相邻层的掩模内的支撑位置不同。

17.按照权利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于：在自动布置支撑的步骤中，至少相邻三层掩模中的支撑位置是不同的。

18.按照权利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于：在自动布置支撑的步骤中，由封闭轮廓线对岛区进行判定，与同一条轮廓线相连的支撑作为多余被去掉。

19.按照权利要求15所述的砂模形成方法，其特征在于：根据岛区的稳定性来修改支撑的位置，该稳定性由岛区中心位置及支撑与岛区连接位置来判断。

20.按照权利要求13所述的砂模形成方法，其特征在于：激光依据已经布置了支持的掩模形状加工金属板以制成该掩模。

21.一种用砂模生产铸件用的砂模形成方法，包括下列步骤：

积累一薄层涂覆热固性树脂的砂粒形成砂层；

把一块在预定部位有开孔的掩模放到上述形成的砂层上；

透过放上的掩模使位于该掩模开孔下的部分砂层受热而固化；

从而形成砂模的一层断面形状层；

重复进行上述操作，把上述断面形状层堆积形成三维形状的砂模；以及

用这样得到的砂模制造铸件。

22.一种用于制造三维形状砂模的装置，包括：

一砂层成形装置，它把一薄层涂以热固性树脂的砂铺设而形成一砂层；

一掩模，在其上面的预定位置处有一开孔，并且可改变地布置在形成的砂层上；

掩模转向器，用于改变掩模在该砂层上的位置；以及

加热装置，用于通过布置好的掩模加热在掩模开孔下方的部分的砂层以使该部分砂层固化。

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