CN116274860A - 铸造模具和制备方法以及基于铸造模具的铸件和铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铸造模具及其制备方法，制备方法包括以下步骤，通过计算机生成铸造模具的模型，并在模型上添加浇道和排料口，然后保存为打印设备可识别的文件格式并导入3D打印设备中；将混合材料加入3D打印设备中，混合材料包括质量分数为40％～70％的热塑性材料和30％～60％的树脂；启动3D打印设备进行打印，未成形材料从排料口中排出；打印结束后得到铸造模具。本发明还涉及基于铸造模具的铸件及其铸造方法。通过该方法制得的铸造模具热塑性强，铸造铸件时能够防止模壳热裂，能够承受更大的应力，可用于打印结构更复杂的零件，在脱壳时，得到的产品具有更小的变形量和更高的精度，减少树脂的残留量，提高铸件的纯度。
Description
技术领域
本发明属于3D打印和熔模铸造技术领域，具体涉及铸造模具和制备方法以及基于铸造模具的铸件和铸造方法。
背景技术
熔模铸造是一种精密铸造工艺，在航空航天和汽车制造等领域具有广泛的应用。
传统的熔模铸造主要包括制造模具、沾浆、浇砂、熔模、浇筑金属液和后处理等步骤，先是以蜡为模料，采用机加工的方法得到蜡模，再将蜡模模具浸入陶瓷浆料中，撒上一层砂，升温除去蜡模，得到模壳，再向模壳中浇筑金属液，冷却后敲破模壳，再进行后处理。各步骤之间联系紧密，缺一不可。
现还可以采用3D打印技术制造模具，以树脂或蜡为材料打印出模具。该技术实现了缩短加工时间和降低加工成本，且能够得到用传统机加工的方法难以得到的具有复杂结构的模具。
其存在以下技术问题：
用树脂得到的外壳性能好，但挥发温度高，残留元素多，影响产物纯度，不利于环境保护。用蜡得到的外壳熔化温度低，但强度和塑性低，在升温过程中常常因承受的应力超过其强度和塑性极限而发生热裂。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供铸造模具制备方法，通过该方法制得的铸造模具热塑性强，铸造铸件时能够防止模壳热裂，能够承受更大的应力，可用于打印结构更复杂的零件，在后续脱壳时，得到的产品具有更小的变形量和更高的精度，减少树脂的残留量，提高铸件的纯度。
本发明的目的之二是：提供铸造模具。
本发明的目的之三是：提供基于铸造模具的铸造方法，能够减少树脂的残留量，提高铸件的纯度。
本发明的目的之四是：提供基于铸造模具的铸造方法的铸件。
本发明目的通过以下技术方案实现：
铸造模具制备方法，包括以下步骤，
通过计算机生成铸造模具的模型，并在模型上添加浇道和排料口，然后保存为打印设备可识别的文件格式并导入3D打印设备中；浇道在除去内模的时候可以作为熔融内模流出的通道，让熔融的内模流出，留下外层模壳；在浇筑金属的时候，作为熔融金属浇筑的通道；排料口直径为10～20mm,数量为1～2个，分布在浇道所在平面；
将混合材料加入3D打印设备中，混合材料包括质量分数为40％～70％的热塑性材料和30％～60％的树脂；树脂作为热塑性材料的粘接剂，热塑性材料作为内模填充物并使其可通过加热的方式流出；
启动3D打印设备进行打印，未成形材料从排料口中排出；
打印结束后得到铸造模具。
进一步，打印铸造模具时，采用光固化打印方法成形，树脂材料为光敏树脂，打印前将光敏树脂与热塑性材料按需称重，并充分混合、消泡，然后倒入3D打印设备中，再进行光固化，实现铸造模具的打印。
进一步，打印制备铸造模具时，采用粘接剂喷射的方法成形，树脂材料采用光敏树脂或热固性树脂，在打印前将树脂加入喷射墨盒中，将热塑性材料加入粘接剂喷射设备供料缸中，实现铸造模具的打印。
进一步，铸造模具内部设有加强结构。
进一步，加强结构为网格状结构，网格状结构的孔隙尺寸为5～10mm，孔隙率为20％～80％。
按照铸造模具制备方法得到的铸造模具。
基于铸造模具的铸造方法，包括以下步骤，
S1，将铸造模具浸入浆料中，使浆料均匀涂覆铸造模具表面；
S2，在铸造模具表面涂覆一层砂，使铸造模具表面的浆料和砂混合形成模壳；
S3，重复S1和S2，直至模壳达到一定厚度；
S4，加热覆有模壳的铸造模具，使铸造模具熔化后从浇道流出，得到铸造外壳；
S5，将铸造外壳加热后，通过浇道往铸造外壳内浇筑金属，充分冷却后，敲破铸造外壳，得到铸件。
进一步，使铸造模具熔化后从浇道流出的实现方式为，将覆有模壳的铸造模具朝下放入加热设备中，启动加热设备升温至热塑性材料的熔点，使铸造模具熔化后从浇道流出，然后再次升温至树脂材料挥发温度点，除去模壳上残余的材料，同时增加模壳的强度。
进一步，得到铸造外壳的方式为，启动加热设备以每小时升温10℃的速率升温至300℃，使模壳内层的铸造模具熔化后从浇道流出，然后以每小时升温40℃的速率升温至500℃，除去模壳上残余的材料，同时增加模壳的强度，保温1h后得到铸造外壳。
按照基于铸造模具的铸造方法制得的铸件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)增强材料的热塑性。常见的打印材料是单一树脂，热塑性较低，在高温下外壳容易因所受应力过大而破裂。本发明通过用树脂和热塑性材料的混合材料代替传统的单一树脂，增强了材料的热塑性，且降低了去除混合材料所需温度，使熔融的混合材料在升温至挥发温度点之前流出，此时温度较低，有效减小了模壳所受的应力，防止了模壳的热裂。
(2)增大模具的强度。树脂材料的热膨胀系数大，在高温下易膨胀变形，对铸造过程和产品造成影响。树脂和热塑性材料的混合材料的强度高于单一树脂材料，能够承受更大的应力，可用于打印结构更复杂的零件。在后续脱壳时，得到的产品具有更小的变形量和更高的精度。
(3)提高铸件的纯度。传统方法通过挥发除去树脂，部分未挥发的树脂残留在模具中，在后续步骤中也没有被除去，导致铸件中混有树脂，纯度较低。而热塑性材料的加入增强了树脂的流动性，使原本通过挥发除去的树脂能够融化流出，减少了树脂的残留量，使铸件的纯度更高。
附图说明
图1为网格状结构示意图。
图2为浇道和排料口示意图。
图3为基于铸造模具的铸造方法的流程图。
图中：
1为网格状结构，2为浇道，3为排料口。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的描述。
如图1-3所示，铸造模具制备方法，包括以下步骤，
通过计算机生成铸造模具的模型，并在模型上添加浇道2和排料口3，然后保存为打印设备可识别的文件格式并导入3D打印设备中；
将混合材料加入3D打印设备中，混合材料包括质量分数为40％～70％的热塑性材料和30％～60％的树脂；
启动3D打印设备进行打印，未成形材料从排料口3中排出；
打印结束后得到铸造模具。
具体地，包括如下步骤：
S1，使用计算机软件如SolidWorks建模铸造模具的模型并导出为stl格式。
S2，将模型导入Materialise Magics进行生成加强结构，添加排料口3作为未成形材料排出口，再进行添加支撑和切片等处理。
S3,保存为打印设备可识别的文件格式并导入3D打印设备中。
S4，按照材料配比的要求，称取适量混合材料。
S5，将混合材料加入3D打印设备中，启动打印。
S6,打印结束后对铸造模具上多余材料进行处理，去除其支撑，并进行二次固化，得到铸造模具。
步骤S4中，混合材料包括质量分数为70％的PMMA、质量分数为28％的光敏树脂和质量分数为2％的流平剂，其中树脂作为PMMA的粘接剂，PMMA作为内模填充物并使其可通过加热的方式流出，流平剂能够增强材料的可打印性。
步骤S5中，3D打印时，采用立体光刻等光固化打印方法成形，打印前需将光敏树脂与PMMA按需称重，并充分混合、消泡1-2h，然后倒入3D打印设备中，再进行光固化，实现铸造模具的打印。
为了加强铸造模具的强度，在计算机建模时，在模型内配置加强结构，并在3D打印时在铸造模具内部打印出该加强结构。
本实施例中，加强结构为网格状结构1，网格状的孔隙尺寸为5～10mm，孔隙率为20％～80％。采用这样的结构，不仅能够减少打印材料的使用量，还能够优化结构性能，增强了铸造模具的强度和塑性，避免后续模壳因高温而破裂。
一种采用上述铸造模具制备方法得到的铸造模具，包括内部加强结构、浇道2和排料口3。
浇道2为上底面直径为5mm、下底面直径为10mm、高度为10mm的圆台，其靠近铸造模具的面为上底面。在除去内模的时候，该浇道2可以作为熔融内模流出的通道，让熔融的内模流出，留下外层模壳；在浇筑金属的时候，作为熔融金属浇筑的通道。
排料口3为直径为10mm、高度为10mm的圆孔，数量为1个，位于浇道2所在平面，作为未成形材料排出的通道。
基于铸造模具的铸造方法，包括以下步骤，
S1,将铸造模具浸入陶瓷浆料中，使陶瓷浆料均匀涂覆铸造模具表面，要留出浇道2。
S2，陶瓷浆料均匀覆在铸造模具表面后，在表面继续撒上一层刚玉砂。
S3，重复S1和S2,直至模壳达到0.5mm。
S4，将模壳进行加热至200℃进行干燥，再保温6h。
S5，启动加热设备以每小时升温10℃的速率升温至300℃，使得内层的铸造模具熔化，并从浇道2流出。
S6，待内模材料流尽后，以每小时升温40℃的速率升温至500℃，除去模壳上残余的材料，同时增加模壳的强度，保温1h后得到铸造外壳，冷却后取出。
S7，将铸造外壳预热至300℃，通过浇道2向里面并浇筑金属；充分冷却后，敲破铸造外壳，得到铸件。
S8，在铸件上切除浇口，进行最终的后处理以完成铸件。
步骤S5中，应将覆有模壳的铸造模具朝下放入加热设备中，便于熔融材料的流出。
步骤S7中，应将覆有模壳的铸造模具转为朝上放置，便于浇筑金属。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
(1)增强材料的热塑性。常见的打印材料是单一树脂，热塑性较低，在高温下外壳容易因所受应力过大而破裂。本发明通过用树脂和热塑性材料的混合材料代替传统的单一树脂，增强了材料的热塑性，且降低了去除混合材料所需温度，使熔融的混合材料在升温至挥发温度点之前流出，此时温度较低，有效减小了模壳所受的应力，防止了模壳的热裂。
(2)增大模具的强度。树脂材料的热膨胀系数大，在高温下易膨胀变形，对铸造过程和产品造成影响。树脂和热塑性材料的混合材料的强度高于单一树脂材料，能够承受更大的应力，可用于打印结构更复杂的零件。在后续脱壳时，得到的产品具有更小的变形量和更高的精度。
(3)提高铸件的纯度。传统方法通过挥发除去树脂，部分未挥发的树脂残留在模具中，在后续步骤中也没有被除去，导致铸件中混有树脂，纯度较低。而热塑性材料的加入增强了树脂的流动性，使原本通过挥发除去的树脂能够融化流出，减少了树脂的残留量，使铸件的纯度更高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.铸造模具制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
通过计算机生成铸造模具的模型，并在模型上添加浇道和排料口，然后保存为打印设备可识别的文件格式并导入3D打印设备中；
将混合材料加入3D打印设备中，混合材料包括质量分数为40％～70％的热塑性材料和30％～60％的树脂；
启动3D打印设备进行打印，未成形材料从排料口中排出；
打印结束后得到铸造模具。
2.按照权利要求1所述的铸造模具制备方法，其特征在于：打印铸造模具时，采用光固化打印方法成形，树脂材料为光敏树脂，打印前将光敏树脂与热塑性材料按需称重，并充分混合、消泡，然后倒入3D打印设备中，再进行光固化，实现铸造模具的打印。
3.按照权利要求1所述的铸造模具制备方法，其特征在于：打印铸造模具时，采用粘接剂喷射的方法成形，树脂材料采用光敏树脂或热固性树脂，在打印前将树脂加入喷射墨盒中，将热塑性材料加入粘接剂喷射设备供料缸中，实现铸造模具的打印。
4.按照权利要求1所述的铸造模具制备方法，其特征在于：铸造模具内部设有加强结构。
5.按照权利要求4所述的铸造模具制备方法，其特征在于：加强结构为网格状结构，网格状结构的孔隙尺寸为5～10mm，孔隙率为20％～80％。
6.按照权利要求1-5任一项所述的铸造模具制备方法得到的铸造模具。
7.基于权利要求6所述的铸造模具的铸造方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，将铸造模具浸入浆料中，使浆料均匀涂覆铸造模具表面；
S2，在铸造模具表面涂覆一层砂，使铸造模具表面的浆料和砂混合形成模壳；
S3，重复S1和S2，直至模壳达到一定厚度；
S4，加热覆有模壳的铸造模具，使铸造模具熔化后从浇道流出，得到铸造外壳；
S5，将铸造外壳加热后，通过浇道往铸造外壳内浇筑金属，充分冷却后，敲破铸造外壳，得到铸件。
8.按照权利要求7所述的基于铸造模具的铸造方法，其特征在于：使铸造模具熔化后从浇道流出的实现方式为，将覆有模壳的铸造模具朝下放入加热设备中，启动加热设备升温至热塑性材料的熔点，使铸造模具熔化后从浇道流出，然后再次升温至树脂材料挥发温度点，除去模壳上残余的材料，同时增加模壳的强度。
9.按照权利要求8所述的基于铸造模具的铸造方法，其特征在于：得到铸造外壳的方式为，启动加热设备以每小时升温10℃的速率升温至300℃，使模壳内层的铸造模具熔化后从浇道流出，然后以每小时升温40℃的速率升温至500℃，除去模壳上残余的材料，同时增加模壳的强度，保温1h后得到铸造外壳。
10.按照权利要求7-9任一项所述的基于铸造模具的铸造方法制得的铸件。
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