CN115870511A - 一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造相关技术领域，并公开了一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法及装置。该方法包括下列步骤：准备成型型芯的原材料；将该原材料注入3D打印设备的料筒中，开始进行3D打印，当打印至预设厚度时，开始对型芯内表面进行磨削；接着逐层打印同时逐层对型芯内表面进行磨削，直至完成3D打印过程。本发明还公开了上述方法适用的装置。通过本发明，解决复杂型芯内表面结构成型后内表面精度表面精度低以及整体成型完成后无法对复杂型芯内表面进行表面处理的问题。

Description

一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法及装置

技术领域

本发明属于增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法及装置。

背景技术

分层挤出成形增材制造技术是一种基于浆料挤出的新型快速成形方法,与选择性激光烧结、微喷粘接等常用快速成形技术相比，分层挤出成形型芯能够在常温、无需激光加热的条件下成形复杂型/芯，具有设备成本低、材料体系绿色环保等突出优点，拓宽了快速成型技术在铸造领域的应用。

但是其缺点也是明显的；

现有技术中，分层挤出成形的铸型或型芯由于层间台阶导致浇注的铸件表面质量差。对于复杂内腔结构的铸型，其内表面的表面精度更是难以控制，而在整个型芯成型完成后，对于具有复杂型芯结构的内表面，其内表面由于结构形态复杂，一般的打磨工具和打磨方法均无法对型芯的内表面进行加工，进而在打印后难以在内腔涂覆涂料，难以解决层间台阶的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法及装置，解决复杂型芯内表面结构成型后内表面精度表面精度低以及整体成型完成后无法对复杂型芯内表面进行表面处理的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，该方法包括下列步骤：

准备成型型芯的原材料；将该原材料注入3D打印设备的料筒中，开始进行3D打印，当打印至预设厚度时，开始对型芯内表面进行磨削；接着逐层打印同时逐层对型芯内表面进行磨削，直至完成3D打印过程。

进一步优选地，所述型芯的原材料准备包括：

选取型砂和粘结剂混合均匀，形成混合物；在该混合物中加入消泡剂和分散剂充分混合，以此制成浆料。

进一步优选地，所述型芯的原材料包括型砂和粘结剂。

进一步优选地，所述型砂为氧化硅、氧化铝和氧化锆中的一种或组合。

进一步优选地，所述粘结剂中包括聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂或聚胺酯和去离子水，所述聚乙烯吡咯烷酮等和去离子水的质量比为(9～15)：(91～85)。

进一步优选地，所述型砂和所述粘结剂的质量比为(80～85)：(15～20)。

进一步优选地，所述消泡剂为正辛醇、异辛醇或异戊醇等，分散剂为冰醋酸、丙二醇甲醚醋酸酯或聚丙烯酸铵，消泡剂和分散剂的质量均为所述浆料质量的1％～3％。

进一步优选地，所述预设厚度为2～5个切片层厚度。

进一步优选地，所述3D打印为墨水直写3D打印技术。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的方法适用的装置，该装置中还包括磨削单元，该磨削单元用于在3D打印过程中同步于该3D打印过程进行磨削。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本技术通过在打印过程中同步进行磨削，对于复杂型芯的内表面，在一边成型的过程中一边对其内表面进行加工，解决传统分层挤出成形增材制造技术打印型/芯表面质量差的问题，提高分层挤出成形增材制造产品的内表面的表面精度，降低了后处理成本，提高了生产效率，可用于复杂结构高表面精度铸型或型芯的短流程快速制造；

2.本发明基于分层挤出成形增材制造，解决层间台阶导致铸型内腔或型芯外表面粗糙的典型问题，公开施加同步磨削的方式直接成型具有复杂结构的铸型或型芯，利用微磨削同步去除分层挤出成形带来的层间台阶，提高表面光洁度至Ra 2～6μm。

附图说明

图1按照本发明的优选实施例所构建的分层挤出成形增材制造同步微磨削打印型芯的装置结构示意图；

图2按照本发明的优选实施例所构建的实施例1经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构；

图3按照本发明的优选实施例所构建的实施例2经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构；

图4按照本发明的优选实施例所构建的实施例3经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构；

图5按照本发明的优选实施例所构建的实施例4经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构；

图6按照本发明的优选实施例所构建的实施例5经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构；

图7按照本发明的优选实施例所构建的实施例6经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构；

图8按照本发明的优选实施例所构建的实施例7经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构；

图9按照本发明的优选实施例所构建的对比例1未经同步微磨削分层挤出成形增材制造的铸型内腔微观结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种分层挤出成形同步微磨削成形复杂铸型或型芯的方法，以砂型(芯)为例，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：原材料准备，所述准备过程包括：

S1：选用100-2000目范围内粒径合适的型(芯)砂(氧化硅、氧化铝、氧化锆等)以及粘结剂以质量比(80-85)：(20-15)混合均匀，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：去离子水(无水乙醇)或其它适用于不同型砂的混合物，其质量比为(9-15)：(91-85)；

S2：向搅拌均匀的由型(芯)砂和粘结剂组成的浆料滴入适量消泡剂和分散剂并继续搅拌，消泡剂和分散剂的质量均为浆料总质量的1-3％，所述消泡剂为正辛醇溶液，分散剂为冰醋酸；

S3：将型(芯)砂、粘结剂、消泡剂、分散剂等充分混合均匀，制成浆料；

步骤2：打印准备，所述准备过程包括：

S1：将浆料填装进料筒，放入料筒帽，旋紧连接口；

S2：打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

S3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数；

S4：调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤3：打印进程，所述打印进程包括：

S1：清理，所述清理过程目的在于保证打印环境无污染，

S2：回零，所述回零目的在于设备调整到程序运行起始点，使得针头可以从起始打印位置开始铸型或型芯打印，磨刀回零位置与针头互不干涉；

S3：打印，所述打印过程开始时，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

S4：磨削，所述磨削进程在打印进行到一定程度后开始，此时铸型内腔或型芯外表面(与金属液直接接触的轮廓)完成打印2-5层并已形成一定强度，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量，增加铸型内腔或型芯外表面的表面精度；

S5：回程，所述回程包含针头回程和磨刀回程，所述针头回程为针头打印完每一层之后返回起始打印位置，针头回程与磨刀互不干涉；所述磨刀回程为磨刀完成铸型或型芯内腔磨削后返回起始位置，磨刀回程与针头互不干涉；

S6：逐层打印，所述逐层打印为，针头和磨刀重复完成S3—S5的过程，直至铸型或型芯打印完成；

S7：铸型或型芯处理，用毛刷清洁铸型或型芯表面的粉刺。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1：

一种分层挤出成形同步微磨削成形氧化铝铸型的方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末164g、粘结剂36g、正辛醇消泡剂4g以及冰醋酸分散剂4g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为9：91；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数，调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

步骤5：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量；

步骤6：完成一次铸型内腔造型后，磨刀回程，针头继续打印为下一次磨刀磨削造型做准备，重复打印—磨削过程直至铸型成形完毕；

步骤7：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清扫其表面的粉刺；

结果分析

如图2所示，采用超景深三维显微镜观察打印经同步微磨削分层挤出成形砂型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 5.031μm。

实施例2：

一种分层挤出成形同步微磨削成形氧化铝铸型的方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末164g、粘结剂36g、正辛醇消泡剂4g以及冰醋酸分散剂4g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为12：88；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数，调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

步骤5：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量；

步骤6：完成一次铸型内腔造型后，磨刀回程，针头继续打印为下一次磨刀磨削造型做准备，重复打印—磨削过程直至铸型成形完毕；

步骤7：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清扫其表面的粉刺；

结果分析

如图3所示，采用超景深三维显微镜观察打印经同步微磨削分层挤出成形砂型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 2.983μm。

实施例3：

一种分层挤出成形同步微磨削成形氧化铝铸型的方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末164g、粘结剂36g、正辛醇消泡剂4g以及冰醋酸分散剂4g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为15：85；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数，调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

步骤5：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量；

步骤6：完成一次铸型内腔造型后，磨刀回程，针头继续打印为下一次磨刀磨削造型做准备，重复打印—磨削过程直至铸型成形完毕；

步骤7：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清扫其表面的粉刺；

结果分析

如图4所示，采用超景深三维显微镜观察打印经同步微磨削分层挤出成形砂型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 5.909μm。

实施例4：

一种分层挤出成形同步微磨削成形氧化铝铸型的方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末160g、粘结剂40g、正辛醇消泡剂4g以及冰醋酸分散剂4g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为12：88；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数，调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

步骤5：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量；

步骤6：完成一次铸型内腔造型后，磨刀回程，针头继续打印为下一次磨刀磨削造型做准备，重复打印—磨削过程直至铸型成形完毕；

步骤7：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清扫其表面的粉刺；

结果分析

如图5所示，采用超景深三维显微镜观察打印经同步微磨削分层挤出成形砂型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 4.537μm。

实施例5：

一种分层挤出成形同步微磨削成形氧化铝铸型的方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末170g、粘结剂30g、正辛醇消泡剂4g以及冰醋酸分散剂4g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为12：88；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数，调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

步骤5：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量；

步骤6：完成一次铸型内腔造型后，磨刀回程，针头继续打印为下一次磨刀磨削造型做准备，重复打印—磨削过程直至铸型成形完毕；

步骤7：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清扫其表面的粉刺；

结果分析

如图6所示，采用超景深三维显微镜观察打印经同步微磨削分层挤出成形砂型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 3.449μm。

实施例6：

一种分层挤出成形同步微磨削成形氧化铝铸型的方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末160g、粘结剂40g、正辛醇消泡剂2g以及冰醋酸分散剂2g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为12：88；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数，调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

步骤5：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量；

步骤6：完成一次铸型内腔造型后，磨刀回程，针头继续打印为下一次磨刀磨削造型做准备，重复打印—磨削过程直至铸型成形完毕；

步骤7：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清扫其表面的粉刺；

结果分析

如图7所示，采用超景深三维显微镜观察打印经同步微磨削分层挤出成形砂型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 5.797μm。

实施例7：

一种分层挤出成形同步微磨削成形氧化铝铸型的方法，该成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末160g、粘结剂40g、正辛醇消泡剂6g以及冰醋酸分散剂6g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为12：88；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和磨削参数，调整针头、磨刀高度以及起始打印位置；所述磨刀与打印针头同时受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印；

步骤5：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，磨刀按照程序预设磨削路径清理打印余量；

步骤6：完成一次铸型内腔造型后，磨刀回程，针头继续打印为下一次磨刀磨削造型做准备，重复打印—磨削过程直至铸型成形完毕；

步骤7：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清扫其表面的粉刺；

结果分析

如图8所示，采用超景深三维显微镜观察打印经同步微磨削分层挤出成形砂型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 2.017m。

对比例1：

一种分层挤出成形复杂氧化铝铸型的方法，其特征在于，所述成形方法包括以下步骤：

步骤1：选用800目的氧化铝粉末164g、粘结剂36g、正辛醇消泡剂4g以及冰醋酸分散剂4g充分搅拌均匀成浆料，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮：无水乙醇混合物，其质量比为10：90；

步骤2：料筒内填充浆料，并放入料筒帽，旋紧连接口，打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料可以按照需要的流速流畅挤出；

步骤3：打开连接电脑，导入待打印铸型的三维模型数据，据此设置打印参数，调整针头高度以及起始打印位置；所述打印针头受控于步进系统；

步骤4：打印装置设置回零，针头按照程序预设路径从针头口处挤出浆料沉积到打印平台上逐层打印，直至打印完成程序停止；

步骤5：将打印完毕固化的铸型，用毛刷清洁其表面的粉刺；

结果分析：

如图9所示，采用超景深三维显微镜观察打印分层挤出成形铸型内腔表面，JD520粗糙度仪检测铸型内腔粗糙度为Ra 39.722μm。

综合对比实施例和对比例发现，同步微磨削的实施使得传统分层挤出成形复杂铸型或型芯的表面光洁度显著提高。但需要指出的是，本专利公开了一种分层挤出成形同步微磨削成形复杂铸型或型芯的方法，但并不限制于铸型或型芯的成形，本发明容易延伸到分层挤出成形同步微磨削成形复杂型壳、型芯以及砂型，上述分层挤出成形同步微磨削制备过程区别于本专利的地方在于原材料型(芯)砂以及粘结剂的替换，以及应实际需要，部分型壳、型芯需要在本专利的基础之上加入后续烧结工序使得型壳、型芯的强度显著提高以满足特殊合金浇注的需要。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

准备成型型芯的原材料；将该原材料注入3D打印设备的料筒中，开始进行3D打印，当打印至预设厚度时，开始对型芯内表面进行磨削；接着逐层打印同时逐层对型芯内表面进行磨削，直至完成3D打印过程。

2.如权利要求1所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述型芯的原材料准备包括：

选取型砂和粘结剂混合均匀，形成混合物；在该混合物中加入消泡剂和分散剂充分混合，以此制成浆料。

3.如权利要求2所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述型芯的原材料包括型砂和粘结剂。

4.如权利要求3所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述型砂为氧化硅、氧化铝和氧化锆中的一种或组合。

5.如权利要求4所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述粘结剂中包括热固性高分子有机物和去离子水，其中，热固性高分子有机物为聚乙烯吡咯烷酮、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂或聚胺酯，所述热固性高分子有机物和去离子水的质量比为(9～15)：(91～85)。

6.如权利要求5所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述型砂和所述粘结剂的质量比为(80～85)：(15～20)。

7.如权利要求6所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述消泡剂为正辛醇、异辛醇或异戊醇，分散剂为冰醋酸、丙二醇甲醚醋酸酯或聚丙烯酸铵，消泡剂和分散剂的质量均为所述浆料质量的1％～3％。

8.如权利要求1所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述预设厚度为2～5个切片层厚度。

9.如权利要求1所述的一种分层挤出同步磨削的型芯的增材制造方法，其特征在于，所述3D打印为墨水直写3D打印技术。

10.一种权利要求1-9任一项所述的方法适用的装置，其特征在于，该装置中还包括磨削单元，该磨削单元用于在3D打印过程中同步于该3D打印过程进行磨削。

Images