CN116352020A - 增材制造同步刷涂铸造涂料的铸型或型芯制备方法 - Google Patents

增材制造同步刷涂铸造涂料的铸型或型芯制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造同步刷涂铸造涂料的铸型或型芯制备方法，属于增材制造技术领域。将复杂铸型或型壳分层挤出成形增材制造过程中实施同步刷涂铸造涂料，根据铸型或型芯的复杂结构，利用可调涂料流量和工作角度的微型刷头同步刷涂铸造涂料，同步刷涂铸造涂料实施于已打印的2‑5层，直至铸型或型芯最后打印完成。本发明有效解决了分层挤出成形增材制造铸型或型芯表面粗糙的难题，经刷涂铸造涂料后铸型或型芯的表面粗糙度Ra 10‑25μm的范围，是一种高效的高表面精度铸型或型芯增材制造技术，适用于小批量、多品种、大中小型复杂结构铸型或型芯短流程快速制造。

Description

增材制造同步刷涂铸造涂料的铸型或型芯制备方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，更具体地，涉及增材制造同步刷涂铸造涂料的铸型或型芯制备方法，尤其涉及一种分层挤出成形同步涂刷铸造涂料打印高表面精度的铸型或型芯的方法。
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，分层挤出成形陶瓷型芯能够在常温、无需激光辐射的条件下成形三维陶瓷样品，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，是一种极具前景的复杂型芯制备手段。铸型和型芯是铸造至关重要的一环，广泛应用于各种铸件的铸造。
利用分层挤出成型技术制备铸型和型芯可以有效提高效率，尤其适用于小批量多品种快速短流程铸造，但是分层挤出直接成形的铸型和型芯具有以下问题：表面精度不够、界面反应厚度较大、铸型和型芯应用温度区间有限等。但打印后难以对复杂结构的铸型内腔进行施涂，即使简单结构的铸型，以及型芯虽然可进行涂刷，但降低了制造效率，增加了时间成本，同时由于铸型和型芯在涂刷铸造涂料前已干燥固化，因此也减弱了铸造涂料的渗透效率。
基于此，现有技术研究了基于分层挤出成形增材制造，解决铸型和型芯表面精度差、成形效率低的典型问题。公开了施加同步刷涂铸造涂料的方式直接成型具有复杂结构和高表面精度的铸型和型芯，利用刷涂铸造涂料同步填充打印形成的层间台阶和粗大型(芯)砂形成的粗糙表面，提高铸型和型芯内腔表面光洁度至Ra 10-25μm，接近精密铸造的表面精度。本技术解决了分层挤出成形增材制造技术打印过程产生层间台阶和粗大型(芯)砂形成的粗糙表面的典型问题，提高了分层挤出成形增材制造产品的表面精度，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和型芯的短流程快速制造。
发明内容
针对现有技术存在的问题和铸造技术的发展需要，本发明提供了一种分层挤出成形同步刷涂铸造涂料成形高表面精度的铸型或型芯的方法，目的在于解决分层挤出成形增材制造技术打印过程产生层间台阶和粗大型(芯)砂形成的粗糙表面的典型问题，达到利用分层挤出成形增材制造技术制造高表面精度铸型和型芯的目标。
为了实现上述发明目的，提供了一种分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，包括以下步骤：
(1)制备打印浆料和刷涂浆料，所述打印浆料中陶瓷粉体的粒径为10～150μm，所述刷涂浆料中陶瓷粉体的粒径小于10μm；
(2)根据待打印铸型或型芯的三维模型数据，设置打印参数和刷涂参数；先开始利用步骤(1)制得的打印浆料打印铸型或型芯的横截面至少一层，然后开始利用步骤(1)制得的刷涂浆料刷涂打印铸型或型芯的表面，并同时进行打印，直至先完成打印，随后完成待打印件表面的刷涂；
(3)将步骤(2)得到的铸型烘干，或者将步骤(2)得到的型芯烘干后再烧结，即得到表面精度提高的铸型或型芯。
优选地，步骤(2)中，打印铸型或型芯的横截面2-5层后，然后开始刷涂铸型或型芯的表面。
优选地，所述涂刷的厚度为0.1～0.2mm。
优选地，步骤(2)中，完成打印件表面的刷涂后，再刷涂打印件的最后一次打印的横截面，以提高打印面的精度。
优选地，所述打印浆料中陶瓷粉体和所述刷涂浆料中陶瓷粉体各自独立地选自氧化硅、氧化铝或氧化钇。
优选地，所述打印浆料中粘结剂和所述刷涂浆料中粘结剂各自独立地选自硅溶胶、硅酸乙酯、钇溶胶或聚乙烯吡咯烷酮。
优选地，所述铸型为型壳。
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，主要具备以下的技术优点：
(1)本发明提出了一种分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料成形复杂结构高表面精度铸型和型芯的方法，铸型和型芯的基体材料采用不同颗粒度的氧化硅粉料，有利于成形具有高强度和较好孔隙率的铸型和型芯，在分层挤出打印过程中同步配备了涂刷铸造涂料过程，使得铸型和型芯一次成形，增强了铸造涂料的渗透性和均匀性，同时提高了成形效率，缩减了时间成本，铸型和型芯在烧结过程中填埋于耐火粉料中，并设计了合理的焙烧工艺曲线，有效预防铸型和型芯的变形开裂的不良情况，最后对铸型和型芯进行一定的打磨处理。最终成形的铸型和型芯的表面粗糙度可达到Ra 10-25μm，优于直接分层挤出成形的铸型和型芯表面精度。
(2)本发明优选地，完成待打印件表面的刷涂后，再刷涂待打印件的打印面，以提高打印面的精度。实验验证可知，铸型表面经过涂刷后，表面粗糙度由Ra～70μm降低至Ra～20μm，这说明表面精度大幅提高，涂刷具有显著的效果。同时，由于涂刷与打印同步进行，铸型成形与加工的时间缩短了约40％，大大提高了铸型成形的效率。
附图说明
图1为分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料打印高表面质量铸型和型芯的示意图。
图2为实施例1同步刷涂铸造涂料分层挤出成形铸型的表面微观结构。
图3为对比例1未经同步刷涂铸造涂料分层挤出成形铸型的表面微观结构。
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。
图1为分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料打印高表面质量铸型、型壳和型芯的示意图。
本发明一种分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料打印高表面精度铸型、型壳和型芯的方法，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：选用适当粒径的型(芯)砂(氧化硅、氧化铝、氧化钇等)以及有机粘结剂以质量比(80-85):(20-15)混合均匀作为浆料，根据铸件需要所选粒径为10～150μm，所述粘结剂为硅溶胶、硅酸乙酯或钇溶胶等、聚乙烯吡咯烷酮等和去离子水(无水乙醇)混合物，其质量比为(9-15)：(91-85)；
S2：向搅拌均匀的浆料滴入适量消泡剂并搅拌均匀，消泡剂的质量为浆料总质量的0.1-0.3％，所述消泡剂为正丁醇溶液；
S3：将陶瓷粉体、粘结剂、消泡剂等混合均匀，制成打印浆料；
S4：根据铸件表面精度需要选用型(芯)砂细粉末(氧化硅、氧化铝、氧化钇等)、乙醇、硅溶胶、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、正丁醇、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)等以适当的比例混合均匀作为铸造涂料；
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：将铸造涂料装进涂料斗，旋紧连接口；
S3：打开驱动开关，调节驱动力，使得浆料和铸造涂料可以按照需要的流速流畅挤出；
S4：打开连接电脑，导入待打印铸型、型壳和型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和涂刷参数(包括涂料流速、刷涂路径和涂刷速度等)；
S5：调整浆料打印针头、涂料刷头高度角度以及起始打印位置；所述涂料刷头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、型壳和型芯打印，刷头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；打印针头实现的每一层打印侧面(即待打印件的表面)存在层间凹槽；
S4：涂刷，所述刷涂进程在打印进行到一定程度后开始，此时铸型、型壳或型芯完成打印2-5层，或者经其它方法进行表面精整后，刷头按照程序预设涂刷路径涂刷表面，填充表面粗砂形成的凹槽并覆盖一层由细砂组成的精细表面层，显著提高表面精度；
料斗、刷头同步跟随打印针头行进，但与针头互不干涉；
刷头涂刷部位为含有凹槽的铸型、型壳和型芯表面，或者经过精整的由粒径较大型(芯)砂组成的表面；
S5：回程，所述回程包含针头回程和刷头回程，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，针头回程与刷头互不干涉；所述刷头回程为刷头完成涂刷后返回起始位置，刷头回程与针头互不干涉；
S6：逐层打印，所述逐层打印为，针头和刷头重复完成S3—S5的过程，直至铸型、型壳或型芯打印完成；
S7：铸型、型壳或型芯处理，用毛刷清洁铸型、型壳或型芯表面的毛刺；
步骤4：烧结过程，所述烧结进程包括：
S1：将步骤3所得的的型壳或型芯静置一段时间后，放入烘箱中在50℃下烘干，待坯体干燥后取出；铸型不需要进行烧结。
S2：将S1获得的干燥的坯体填埋于耐火材料中，并放入烧结炉内选择合适的烧结曲线进行烧结，烧结完成并冷却至室温后取出型壳或型芯。
一些实施例中，配制浆料用的型(芯)砂(氧化硅、氧化铝、氧化钇等)与粘结剂的质量比为(80-85)：(20-15)，所选造型材料根据需要粒径为10～150μm。
一些实施例中，型(芯)砂、乙醇、粘结剂(硅溶胶、硅酸乙酯或钇溶胶等)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、正丁醇、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)等以一定的比例进行配比。
一些实施例中，消泡剂为正丁醇溶液，消泡剂的添加质量为浆料质量的0.1-0.3％。
一些实施例中，铸造涂料斗置于刷头上方，且中间置于管道和开关，可实时控制涂料进入刷头的流速和流量。
一些实施例中，对打印的铸型、型壳或型芯原坯涂刷铸造涂料使得铸造涂料均匀覆盖铸型、型壳和型芯表面，涂刷的铸造涂料厚度为0.1～0.2mm。
本发明中刷涂参数为涂料流速、刷涂路径和涂刷速度。
本发明中打印参数为打印速度、挤出速度和层厚。
本发明表面粗糙度检验为采用任意一涂刷过铸造涂料的平面进行检验。
实施例1
一种分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料成形复杂结构高表面精度铸型、型壳和型芯，所述成形方法包括以下步骤：
步骤1：选用300目和1000目的氧化硅粉末各82克、粘结剂36g以及正丁醇消泡剂0.4g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；选用氧化锆粉体100g、乙醇100g、硅溶胶25g、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)4g、正丁醇0.2g、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)0.5g混合均匀作为铸造涂料；
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：铸造涂料铸造涂料料斗内填充铸造涂料。打开驱动开关，调节驱动力，使得铸造涂料可以按照需要的流速浸润刷子；
步骤4：打开连接电脑，导入待打印铸型、型壳和型芯的三维模型数据，据此设置打印参数和涂刷参数，调整针头、刷头高度以及起始打印位置；所述刷头与打印针头同时受控于步进系统；
步骤5：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6：当打印完成2-5层并已形成一定强度后，刷头按照程序预设铣涂刷路径填充打印表面微型凹槽；
步骤6：完成一次铸型、型壳和型芯造型后，刷头回程，针头继续打印为下一次刷头造型做准备，重复打印—涂刷过程直至铸型、型壳和型芯成形完毕；
步骤7：将打印完毕固化的铸型、型壳和型芯子，用毛刷清洁其表面的粉刺；
步骤8：固化的铸型、型壳和型芯放进干燥箱内干燥，并放入烧结炉内进行烧结，烧结完成并冷却至室温后取出铸型、型壳和型芯；烧结包括升温至200℃保温1h，然后升温至400℃，保温1h，然后升温至600℃，保温1h，然后升温至900℃，保温1h，最终升温至1150℃，保温2h。
图2为实施例1同步刷涂铸造涂料分层挤出成形铸型的表面微观结构。由图2可知，涂刷后的表面较为平整光滑，无明显凹槽。
结果分析：采用金相显微镜观察打印铸型、型壳和型芯表面，粗糙度测试仪显示铸型、型壳和型芯表面粗糙度为Ra 10-25μm。
对比例1
一种分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料成形复杂结构高表面精度铸型、型壳和型芯，所述成形方法包括以下步骤：
步骤1：选用300目和1000目的氧化硅粉末各82g、粘结剂36g以及正丁醇消泡剂0.4g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、型壳和型芯的三维模型数据，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、型壳和型芯，用毛刷清洁其表面的粉刺。
图3为对比例1未经同步刷涂铸造涂料分层挤出成形铸型的表面微观结构。由图3可知，未涂刷的铸型表面较多凹槽和凸起，肉眼可见表面粗糙不平。
结果分析：采用金相显微镜观察打印铸型、型壳和型芯表面，粗糙度测试仪显示铸型、型壳和型芯表面粗糙度为Ra 40-80μm。
表1实验例和对比例表面粗糙度测试结果
Figure BDA0004151850190000081
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 (7)

1.一种分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备打印浆料和刷涂浆料，所述打印浆料中陶瓷粉体的粒径为10～150μm，所述刷涂浆料中陶瓷粉体的粒径小于10μm；
(2)根据待打印铸型或型芯的三维模型数据，设置打印参数和刷涂参数；先开始利用步骤(1)制得的打印浆料打印铸型或型芯的横截面至少一层，然后开始利用步骤(1)制得的刷涂浆料刷涂打印铸型或型芯的表面，并同时进行打印，直至先完成打印，随后完成待打印件表面的刷涂；
(3)将步骤(2)得到的铸型烘干，或者将步骤(2)得到的型芯烘干后再烧结，即得到表面精度提高的铸型或型芯。
2.如权利要求1所述的分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，其特征在于，步骤(2)中，打印铸型或型芯的横截面2-5层后，然后开始刷涂铸型或型芯的表面。
3.如权利要求1或2所述的分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，其特征在于，所述涂刷的厚度为0.1～0.2mm。
4.如权利要求1或2所述的分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，其特征在于，步骤(2)中，完成打印件表面的刷涂后，再刷涂打印件的最后一次打印的横截面，以提高打印面的精度。
5.如权利要求1所述的分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，其特征在于，所述打印浆料中陶瓷粉体和所述刷涂浆料中陶瓷粉体各自独立地选自氧化硅、氧化铝或氧化钇。
6.如权利要求1所述的分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，其特征在于，所述打印浆料中粘结剂和所述刷涂浆料中粘结剂各自独立地选自硅溶胶、硅酸乙酯、钇溶胶或聚乙烯吡咯烷酮。
7.如权利要求1所述的分层挤出成形增材制造同步刷涂铸造涂料的表面精度提高的铸型或型芯制备方法，其特征在于，所述铸型为型壳。
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