CN115971415A - 分层挤出成形同步多向微轧挤的方法、装置、铸型或型芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分层挤出成形同步多向微轧挤的方法、装置、铸型或型芯。所述增材制造方法，包括下列步骤：(1)将含有型砂或芯砂的浆料，根据所需铸型或型芯的三维模型利用分层挤出成形技术进行逐层打印，(2)在打印预设层数后，从竖直方向向下对打印件进行轧辊，并同时从水平方向由两外侧向内轧辊打印件；(3)重复步骤(1)和(2)，直至完成打印，得到所需铸型或型芯。本发明利用微轧辊同步轧挤提高铸型和型芯的致密度。经同步微轧挤后的铸型、型壳和型芯的致密度显著提高，获得良好的强度和透气性等性能的匹配，适用于小批量、多品种、大中小型铸型、型壳和型芯短流程快速制造。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种分层挤出成形同步多向微轧挤的方法、装置、铸型或型芯。
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。然而传统增材制造技术制备的铸型、型壳和型芯的致密度低，从而导致铸型强度低，型壳(芯)烧结收缩过大，尺寸精度低，表面质量差的典型问题，这些问题显著降低分层挤出成形铸型、型壳和型芯的良品率，严重影响铸件的尺寸精度和表面质量，甚至引起铸件严重粘砂的难题。
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成形同步多向微轧挤的方法、装置、铸型或型芯，其目的在于基于分层挤出成形增材制造，解决铸型、型壳和型芯的致密度低，从而导致铸型强度低，型壳(芯)烧结收缩过大，尺寸精度低，表面质量差等的技术问题。
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成形同步多向微轧挤的增材制造方法，包括下列步骤：
(1)将含有型砂或芯砂的浆料，根据所需铸型或型芯的三维模型利用分层挤出成形技术进行逐层打印，
(2)在打印预设层数后，从竖直方向向下对打印件进行轧辊，并同时从水平方向由两外侧向内轧辊打印件；
(3)重复步骤(1)和(2)，直至完成打印，得到所需铸型或型芯。
优选地，所述预设层数为2-5层。
优选地，所述含有型砂或芯砂的浆料还包括粘结剂，所述型砂或芯砂为氧化硅、氧化铝或氧化锆，所述型砂或芯砂与粘结剂之间的质量比为(80-85)：(20-15)，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮和溶剂，所述聚乙烯吡咯烷酮和溶剂的质量比为(9-15)：(91-85)，所述溶剂为去离子水或无水乙醇。
优选地，所述浆料还包括消泡剂和分散剂，所述消泡剂的质量为浆料总质量的1-3％，所述分散剂的质量为浆料总质量的1-3％。消泡剂为正辛醇溶液目的在于改善浆料的表面张力去除浆料制备过程中的气泡，所述分散剂为冰醋酸，目的在于促进型(芯)砂颗粒分散。
优选地，所述方法还包括在步骤(3)之后，利用毛刷对得到的铸型或型芯表面进行清洁。
优选地，所述型砂或芯砂的粒径为100-2000目。
按照本发明的另一个方面，提供一种铸型或型芯。
按照本发明的再一个方面，提供一种分层挤出成形同步多向微轧挤的成形的增材制造装置，包括：分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊、浆料筒、打印步进系统，其中，分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊与打印步进系统连接，所述浆料筒与分层挤出针头连接；所述分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊为吊装设置；所述水平轧辊为一对位置相对设置的轧辊。
优选地，用于吊装所述分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊的吊装组件满足使分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊在运动过程中互不干涉。
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，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明提供的分层挤出成形同步多向微轧挤的增材制造方法采用分层挤出成形的过程中，施加同步微轧挤的方式直接成型致密铸型或型芯，利用微轧辊同步轧挤提高铸型和型芯的致密度。本发明解决了传统分层挤出成形增材制造技术打印型/芯致密度差的问题，经同步微轧挤后的铸型、型壳和型芯的致密度显著提高，接近传统方法造型和制芯的水平，获得良好的强度和透气性等性能的匹配，适用于小批量、多品种、大中小型铸型、型壳和型芯短流程快速制造，是一种新型的绿色铸造技术。
(2)本发明提供的分层挤出成形同步多向微轧挤的成形的增材制造装置仅在传统分层挤出成形装置基础上增加了轧辊结构，结构简单，能够有效地解决出分层挤出成形增材制造技术打印型/芯致密度差的问题，适用于工业化应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的分层挤出成形同步多向微轧挤的成形的增材制造装置的结构示意图。
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。
本发明提供一种分层挤出成形同步微轧辊成形致密铸型或型芯的方法，所述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目范围内适当粒径的型(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)混合均匀成浆料，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(芯)砂的混合物，其质量比为(9-15)：(91-85)所述型(芯)砂的取用量由目标铸型的致密度和浆料的性质决定；
S2：向搅拌均匀的浆料滴入适量消泡剂和分散剂并搅拌均匀，消泡剂和分散剂的质量为浆料总质量的1-3％，所述消泡剂为正辛醇溶液目的在于改善浆料的表面张力去除浆料制备过程中的气泡，所述分散剂为冰醋酸，目的在于促进型(芯)砂颗粒分散；
S3：将型(芯)砂、粘结剂、消泡剂和分散剂等混合均匀，制成具有合适粘度的浆料；
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轧挤参数；
S4：调整针头、微轧辊高度以及起始打印位置；所述微轧辊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，微轧辊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：轧挤，所述轧挤进程在打印进行到一定程度后开始，此时铸型或型芯完成打印2-5层并已形成一定强度，微轧辊按照预设轧挤路径轧挤铸型或型芯，从竖直方向向下对打印件进行轧辊，并同时从水平方向由两外侧向内轧辊打印件；使其达到预设紧实度；轧挤参数的设置包括轧挤力、压下量、转速以及轧挤路径等，轧挤力由目的铸型或型芯的致密度和浆料性质决定，可以通过目标紧实度进行适当调整。轧辊工作表面为铸型或型芯的上表面及侧表面。
此处，针头的预设路径和竖直轧辊、水平轧辊的预设路径可以通过多种可行的方式进行设置，例如，针头在打印2-5层后，针头通过吊起的方式离开打印位置，然后将竖直轧辊、水平轧辊同样地通过吊起的方式来到已成形零件位置处，完成轧辊操作后，通过吊起的方式使竖直轧辊、水平轧辊离开成形零件位置。本申请对具体实现方法及装置不作具体限定，只需能够实现使分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊在运动过程中互不干涉的要求即可。
S5：回程，所述回程包含针头回程和微轧辊回程，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，针头回程与微轧辊互不干涉；所述微轧辊回程为微轧辊完成铸型或型芯若干层轧挤后返回起始位置，微轧辊回程与针头互不干涉；
S6：逐层打印，所述逐层打印为，针头和微轧辊重复完成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。
以下为具体实施例：
实施例1
本实施例提供一种分层挤出成形同步微轧辊成形致密铸型或型芯的方法，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3g以及冰醋酸分散剂3g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，导入待打印铸型或型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和轧挤参数，调整针头、微轧辊高度以及起始打印位置；所述微轧辊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，微轧辊按照程序预设轧挤路径轧挤铸型或型芯使其达到预设紧实度；
步骤6：完成一次铸型轧挤后，微轧辊回程，针头继续打印为下一次微轧辊轧挤做准备，重复打印—轧挤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
用阿基米德法则计算铸型密度为3.1g/cm3。
实施例2
本实施例提供一种分层挤出成形同步多向微轧挤的成形的增材制造装置，参见图1，包括：分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊、浆料筒、打印步进系统，其中，分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊与打印步进系统连接，所述浆料筒与分层挤出针头连接；所述分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊为吊装设置；所述水平轧辊为一对位置相对设置的轧辊。
其中，用于吊装所述分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊的吊装组件满足使分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊在运动过程中互不干涉。
对比例：
一种分层挤出成形氧化铝铸型的方法，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3g以及冰醋酸分散剂3g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
采用阿基米德法则计算铸型密度为2.2g/cm3。
综合对比实施例和对比例发现，同步微轧辊的实施使得传统分层挤出成形铸型或型芯的致密度显著提高。但需要指出的是，本发明提供了一种分层挤出成形同步微轧辊成形致密铸型或型芯的方法，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轧辊成形致密型壳、型芯以及砂型，上述分层挤出成形同步微轧辊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。应当指出的是，包括但不限于上述替换或加减工序对于本领域人员是容易想到的；在本发明基础上的易想到方法变式应当受到保护。
本发明提供的技术方案采用分层挤出成形的过程中，施加同步微轧挤的方式直接成型致密铸型或型芯，利用微轧辊同步轧挤提高铸型和型芯的致密度。本技术解决了传统分层挤出成形增材制造技术打印型/芯致密度差的问题，经同步微轧挤后的铸型、型壳和型芯的致密度显著提高，接近传统方法造型和制芯的水平，获得良好的强度和透气性等性能的匹配，适用于小批量、多品种、大中小型铸型、型壳和型芯短流程快速制造，是一种新型的绿色铸造技术。
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 (9)
1.一种分层挤出成形同步多向微轧挤的增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)将含有型砂或芯砂的浆料，根据所需铸型或型芯的三维模型利用分层挤出成形技术进行逐层打印，
(2)在打印预设层数后，从竖直方向向下对打印件进行轧辊，并同时从水平方向由两外侧向内轧辊打印件；
(3)重复步骤(1)和(2)，直至完成打印，得到所需铸型或型芯。
2.如权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述预设层数为2-5层。
3.如权利要求1或2所述的增材制造方法，其特征在于，所述含有型砂或芯砂的浆料还包括粘结剂，所述型砂或芯砂为氧化硅、氧化铝或氧化锆，所述型砂或芯砂与粘结剂之间的质量比为(80-85)：(20-15)，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮和溶剂，所述聚乙烯吡咯烷酮和溶剂的质量比为(9-15)：(91-85)，所述溶剂为去离子水或无水乙醇。
4.如权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述浆料还包括消泡剂和分散剂，所述消泡剂的质量为浆料总质量的1-3％，所述分散剂的质量为浆料总质量的1-3％。
5.如权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤(3)之后，利用毛刷对得到的铸型或型芯表面进行清洁。
6.如权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述型砂或芯砂的粒径为100-2000目。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的增材制造方法制备得到的铸型或型芯。
8.一种分层挤出成形同步多向微轧挤的成形的增材制造装置，其特征在于，包括：分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊、浆料筒、打印步进系统，其中，分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊与打印步进系统连接，所述浆料筒与分层挤出针头连接；
所述分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊为吊装设置；所述水平轧辊为一对位置相对设置的轧辊。
9.根据权利要求8所述的增材制造装置，其特征在于，用于吊装所述分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊的吊装组件满足使分层挤出针头、竖直轧辊、水平轧辊在运动过程中互不干涉。
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