CN116099983B - 一种磁力结合的3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁力结合的3D打印方法，包括将模型设计为含磁性成分材料，将模型中的空腔部分设计为非磁性材料，在非磁场环境下进行分层铺粉，将逐层累加完成铺粉的模型放置在磁场中，模型在磁力的作用下结合为一整体，去除空腔部分的非磁性材料，得到需要的模型。本申请提供的磁力结合的3D打印方法，利用磁力结合代替树脂粘结剂结合造型铸型，因而打印的铸型具有发气量小、强度高、成本低、清理容易及对环境污染小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种磁力结合的3D打印方法。
背景技术
3D打印是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。主要方式包括熔融沉积式成型(FDM)，激光增材制造(LAM)，电子束熔融成型(EBM))，粘结剂喷射成型(3DP)等。3D打印的材料可以分为金属材料、塑料、石蜡、型砂等，不同材料采用不同的打印方式。目前，基于3D打印(分层制造技术)快速制造铸型的常用方法，基本都是通过树脂粘结剂将型砂粘结在一起形成树脂砂铸型，常用的打印方式主要有两种。
一种是用激光对树脂覆膜砂进行选择性烧结，采用的基本方法是：先对铸型3D进行分层处理，再在工作台上铺一层树脂覆膜砂，厚度与分层的薄层厚度一致，并加热至略低于树脂膜熔点温度，然后使用激光束按照薄层轮廓形状进行扫描，被扫描到的覆膜砂表层树脂膜先熔化后凝固，将覆膜砂粘接成一体，从而形成与扫描形状一致的薄层实体。然后在该实体上方再铺一层覆膜砂，再进行下一层薄层的激光选择性烧结。新形成的薄层与之前的薄层也是通过烧结过程粘结成一体，如此循环，通过薄层逐层的制造和堆积直至完成整个树脂砂铸型的制造。
另一种是采用喷头对覆有树脂或固化剂的型砂喷射固化剂或树脂后选择性固化成形，其基本方法是：首先也对铸型3D进行分层处理，再在工作台上铺一层覆有树脂或固化剂的型砂，其厚度与薄层厚度一致，使用喷头按照成型零件的薄层形状在型砂表面喷射固化剂或树脂，被喷射到的型砂发生固化反应后粘接成一体，从而形成与扫描形状一致的薄层实体。然后在该实体上方再铺一层覆有树脂或固化剂的型砂，再进行下一层薄层的选择性喷射固化成形，新形成的薄层与之前的薄层也是通过固化作用粘结成一体，通过薄层逐层的制造和堆积直至完成整个树脂砂铸型的制造。
而本申请的发明人经过研究发现，以上两种3D打印砂型方式基本成型原理相同，只是粘接固化方式不同，一种采用热固性树脂作为粘结剂，一种采用双组分自硬树脂作为粘结剂，但是两种方式都采用了树脂材料，因此这两种方法都存在如下缺点：浇注铸件时，树脂发气量大，容易在铸件中产生气孔缺陷；未固化的型砂容易受到污染，回收使用效果不好，因此原材料成本高；每一层都在上一已固化层上进行打印固化，层间结合力较差，砂型烘烤或浇注过程中容易开裂；树脂砂浇注后残留强度较高(特别对于低熔点轻合金铸件)，铸件清理去砂难度高；树脂废砂会对环境造成污染。
发明内容
针对现有3D打印砂型方式存在铸型发气量大，原材料成本高，砂型容易开裂，铸件清理去砂难度高及树脂废砂会对环境造成污染的技术问题，本发明提供一种磁力结合的3D打印方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种磁力结合的3D打印方法，包括将模型设计为含磁性成分材料，将模型中的空腔部分设计为非磁性材料，在非磁场环境下进行分层铺粉，将逐层累加完成铺粉的模型放置在磁场中，模型在磁力的作用下结合为一整体，去除空腔部分的非磁性材料，得到需要的模型。
进一步，所述方法包括以下步骤：
S1、对模型进行磁力分析，先假设模型材料均为磁性材料，分析计算模型各部位在磁场中的应力分布；
S2、根据模型各部位在磁场中的应力分布，将模型划分为拉应力部分、低压应力部分和高压应力部分；
S3、将模型空腔部分设计为非磁性材料，将模型拉应力部分更改设计为非磁性材料，将模型低压应力部分及高压应力部分设计为磁性材料；
S4：利用软件对包括空腔部分的模型的数字文件进行分层切片处理；
S5：根据数字文件的切片数据，在非磁场环境下，控制铺粉设备在成型箱内的工作台上铺上一层不同部位由不同性质材料构成的粉末材料；
S6、对模型拉应力部分及低压应力部分进行选区固化；
S7、重复步骤S5和S6，通过薄层逐层的堆积制造直至完成全部铺粉及选区固化；
S8、对完成铺粉的成型箱施加磁场，模型拉应力部分、低压应力部分和高压应力部分在磁力作用下结合成整体，去除模型空腔中没有粘结在一起的非磁性填位材料，得到具有空腔的模型。
进一步，所述低压应力部分的压应力取值在0～0.8公斤/平方厘米。
进一步，在所述步骤S2之后还包括在模型低压应力部分和高压应力部分之间设置结合结构，所述低压应力部分的结合结构设计为榫结构，所述高压应力部分的结合结构设计为卯结构。
进一步，所述步骤S6中采用化学粘结或者采用相变固化进行选区固化。
进一步，在所述步骤S8之后还包括如下铸件成型步骤：
S9、向保持在磁场中的模型的空腔内，浇注具有预定温度的液态金属；
S10、冷却一段时间，所述液态金属凝固；
S11、在无外加磁场的条件下，模型失去磁场强度，取出凝固的金属，得到金属铸件。
进一步，所述步骤S8中得到具有空腔的模型材料的粒度为6～150目。
进一步，所述步骤S4中分层厚度为0.3～7mm。
进一步，所述步骤S5中成型箱用于盛装打印的成型材料，打印完成后进入磁场，要求成型箱材料为非磁性材料。
进一步，所述步骤S8中通过磁场发生装置对成型箱施加磁场，且该施加磁场为磁场强度可调整的磁铁或电磁场。
进一步，所述磁场发生装置设置在铺粉设备内部或者在铺粉设备外部，所述磁场发生装置与成型箱为一体设计或者分体设计，最终须将成型箱放置于磁场中进行硬化。
与现有技术相比，本发明提供的磁力结合的3D打印方法，利用磁力结合代替树脂粘结剂结合造型铸型，因而具有以下优点：
1、发气量小：铸型(模型)不含树脂粘结剂或仅局部含树脂粘结剂，因而浇注时发气量小，引发的铸件气孔减少，强度增高；
2、成本低：非磁性材料可重复使用因而原材料成本低，对于铸型平直部分，可加厚打印层来提高打印效率；
3、清理容易：磁性材料设计合理，铸型经高温浇注后大部分或完全退磁，残留强度低，因而铸件清理更容易；
4、对环境污染小：铸型不含有机粘结剂，浇注时不产生有害气体，因而有利于环境保护。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种磁力结合的3D打印方法，包括将模型设计为含磁性成分材料，将模型中的空腔部分设计为非磁性材料，在非磁场环境下进行分层铺粉，将逐层累加完成铺粉的模型放置在磁场中，模型在磁力的作用下结合为一整体，去除空腔部分的非磁性材料，得到需要的模型。
作为具体实施例，所述磁力结合的3D打印方法包括以下步骤：
S1、对模型进行磁力分析，先假设模型材料均为磁性材料，分析计算模型各部位在磁场中的应力分布；材料设计时，具体可采用现有数值分析软件如 ANSYS、Maxwell等来分析模型材料在磁场下的受力情况及硬化强度；
S2、根据模型各部位在磁场中的应力分布，将模型划分为拉应力部分、低压应力部分和高压应力部分；
S3、将模型空腔部分设计为非磁性材料，将模型拉应力部分更改设计为非磁性材料，将模型低压应力部分及高压应力部分设计为磁性材料；
S4：利用软件例如Cura、Simplify3D等软件对包括空腔部分的模型的数字文件进行分层切片处理，切片厚度根据模型表面要求调整；
S5：根据数字文件的切片数据，在非磁场环境下，控制铺粉设备在成型箱内的工作台上铺上一层不同部位由不同性质材料构成的粉末材料，即按步骤 S3中设置的材料来构成，模型空腔部分铺非磁性材料，模型拉应力部分铺非磁性材料，模型低压应力部分及高压应力部分铺磁性材料；
S6、对模型拉应力部分及低压应力部分进行选区固化；
S7、重复步骤S5和S6，通过薄层逐层的堆积制造直至完成全部铺粉及选区固化；
S8、对完成铺粉的成型箱施加磁场，模型拉应力部分、低压应力部分和高压应力部分在磁力作用下结合成整体，去除模型空腔中没有粘结在一起的非磁性填位材料，得到具有空腔的模型。
作为具体实施例，所述低压应力部分的压应力取值在0～0.8公斤/平方厘米，由此可以将这部分进行特殊处理，将材料设置为磁性材料，在步骤S6中对其进行选区固化，这样既利用了磁力增加结合强度又可以避免模型只依靠磁力其结合强度不够的问题。
作为具体实施例，在所述步骤S2之后还包括在模型低压应力部分和高压应力部分之间设置结合结构，所述低压应力部分的结合结构设计为榫结构(榫头)，所述榫结构与低压应力部分为一体，所述高压应力部分的结合结构设计为卯结构(榫眼)，所述卯结构与高压应力部分为一体，通过榫卯结构相互结合或咬合，达到模型低压应力部分和高压应力部分之间的相互固定连接。当然，本领域技术人员在此基础上还可以采用其他结构设计方式来实现。
作为具体实施例，所述步骤S6中采用化学粘结或者采用相变固化(喷射液体从液相转变为固相产生固化)进行选区固化，而前述化学粘结和相变固化的具体固化方法已为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。
作为具体实施例，在所述步骤S8之后还包括如下铸件成型步骤：
S9、向保持在磁场中的模型的空腔内，浇注具有预定温度的液态金属；
S10、冷却一段时间，所述液态金属凝固；
S11、在无外加磁场的条件下，模型失去磁场强度，取出凝固的金属，得到金属铸件；
由此通过步骤S9～S11，能实现模型的铸件成型应用。
作为具体实施例，所述步骤S8中得到具有空腔的模型材料的粒度为 6～150目，由此可以满足工程应用的一般小模型及大模型的精度要求。
作为具体实施例，所述步骤S4中分层厚度为0.3～7mm，由此可以满足工程应用的一般小模型及大模型的精度要求。
作为具体实施例，所述步骤S5中成型箱用于盛装打印的成型材料，打印完成后进入磁场，因而要求成型箱材料为非磁性材料，即成型箱的材料不能对磁场有磁性屏蔽作用。
作为具体实施例，所述步骤S8中通过现有磁场发生装置对成型箱施加磁场，且该施加磁场为磁场强度可调整的磁铁或电磁场。作为优选实施例，所述磁场发生装置设置在铺粉设备内部或者在铺粉设备外部，所述磁场发生装置具体可与成型箱一体设计，也可与成型箱分体设计，但最终须将成型箱置于磁场中进行硬化，以便让模型拉应力部分、低压应力部分和高压应力部分在磁力作用下结合成整体。
作为具体实施例，所述步骤S8中得到具有空腔的模型材料的耐火度应该满足浇注液态金属的要求。
作为具体实施例，所述步骤S8中得到具有空腔的模型内表面的粒度小于背部，由此可以在提高内表面精度的同时提高背部的透气性。
作为具体实施例，所述步骤S6中得到具有空腔的模型内表面涂设有铸造涂料，所述涂设可以采用现有喷涂、浸涂或刷涂的方式来实现，由此可以提高模型内表面的性能。
与现有技术相比，本发明提供的磁力结合的3D打印方法，利用磁力结合代替树脂粘结剂结合造型铸型，因而具有以下优点：
1、发气量小：铸型(模型)不含树脂粘结剂或仅局部含树脂粘结剂，因而浇注时发气量小，引发的铸件气孔减少，强度增高；
2、成本低：非磁性材料可重复使用因而原材料成本低，对于铸型平直部分，可加厚打印层来提高打印效率；
3、清理容易：磁性材料设计合理，铸型经高温浇注后大部分或完全退磁，残留强度低，因而铸件清理更容易；
4、对环境污染小：铸型不含有机粘结剂，浇注时不产生有害气体，因而有利于环境保护。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种磁力结合的3D打印方法，其特征在于，包括将模型设计为含磁性成分材料，将模型中的空腔部分设计为非磁性材料，在非磁场环境下进行分层铺粉，将逐层累加完成铺粉的模型放置在磁场中，模型在磁力的作用下结合为一整体，去除空腔部分的非磁性材料，得到需要的模型；所述方法包括以下步骤：
S1、对模型进行磁力分析，先假设模型材料均为磁性材料，分析计算模型各部位在磁场中的应力分布；
S2、根据模型各部位在磁场中的应力分布，将模型划分为拉应力部分、低压应力部分和高压应力部分，所述低压应力部分的压应力取值在0～0.8公斤/平方厘米；
S3、将模型空腔部分设计为非磁性材料，将模型拉应力部分更改设计为非磁性材料，将模型低压应力部分及高压应力部分设计为磁性材料；
S4：利用软件对包括空腔部分的模型的数字文件进行分层切片处理，分层厚度为0.3～7mm；
S5：根据数字文件的切片数据，在非磁场环境下，控制铺粉设备在成型箱内的工作台上铺上一层不同部位由不同性质材料构成的粉末材料；
S6、对模型拉应力部分及低压应力部分进行选区固化；
S7、重复步骤S5和S6，通过薄层逐层的堆积制造直至完成全部铺粉及选区固化；
S8、对完成铺粉的成型箱施加磁场，模型拉应力部分、低压应力部分和高压应力部分在磁力作用下结合成整体，去除模型空腔中没有粘结在一起的非磁性填位材料，得到具有空腔的模型。
2.根据权利要求1所述的磁力结合的3D打印方法，其特征在于，在所述步骤S2之后还包括在模型低压应力部分和高压应力部分之间设置结合结构，所述低压应力部分的结合结构设计为榫结构，所述高压应力部分的结合结构设计为卯结构。
3.根据权利要求1所述的磁力结合的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S6中采用化学粘结或者采用相变固化进行选区固化。
4.根据权利要求1所述的磁力结合的3D打印方法，其特征在于，在所述步骤S8之后还包括如下铸件成型步骤：
S9、向保持在磁场中的模型的空腔内，浇注具有预定温度的液态金属；
S10、冷却一段时间，所述液态金属凝固；
S11、在无外加磁场的条件下，模型失去磁场强度，取出凝固的金属，得到金属铸件。
5.根据权利要求1所述的磁力结合的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S8中得到具有空腔的模型材料的粒度为6～150目。
6.根据权利要求1所述的磁力结合的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S5中成型箱用于盛装打印的成型材料，打印完成后进入磁场，要求成型箱材料为非磁性材料。
7.根据权利要求1所述的磁力结合的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S8中通过磁场发生装置对成型箱施加磁场，且该施加磁场为磁场强度可调整的磁铁或电磁场。
8.根据权利要求7所述的磁力结合的3D打印方法，其特征在于，所述磁场发生装置设置在铺粉设备内部或者在铺粉设备外部，所述磁场发生装置与成型箱为一体设计或者分体设计，最终须将成型箱放置于磁场中进行结合成整体。
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