CN116673433A - 一种精密铸造石膏型3dp成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密铸造石膏型3DP成型方法，属于石膏型精密铸造领域。本发明由石膏型的三维数字模型直接成型石膏型并用于浇注，避免了复杂的制模、翻型工序，可极大程度的提高石膏型铸造方法的生产效率，降低生产成本；且本发明可直接成型精密铸造用石膏型，用于有色金属铸造领域。通过3DP方法成型石膏型可充分利用3D打印技术成型自由度高成型复杂点阵结构，可在石膏型的内部设计镂空结构，在保证石膏型具有足够的强度的同时，改变石膏型透气性差、石膏型去除难的缺点。

Description

一种精密铸造石膏型3DP成型方法

技术领域

本发明属于石膏型精密铸造领域，具体涉及一种精密铸造石膏型3DP成型方法。

背景技术

自20世纪50年代起，石膏型铸造工艺逐渐应用于铸造产业，目前，石膏型铸造主要应用于有色金属铸造领域，尤其是铝合金铸造，石膏型铸件尺寸精度高、表面质量好，铸型残余强度低，可用于小型铸件批量生产，也可用于大型铸件单件、小批量生产。

传统石膏型铸造技术，多采用橡胶模、金属模、木模或者蜡模灌注石膏浆料，待浆料胶凝后脱模，石膏型烘干后可进行浇注。近年来随着3D打印技术的兴起，虽然也有学者采用3D打印快速熔模代替蜡模用于石膏型铸造，但是这种方式与传统工艺相比差别较小，生产工艺流程繁复，需要经过多个步骤才能成型石膏型，生产成本和周期较高。

随着3D打印技术的不断发展，三维液滴喷射成型方法(3DP方法)相比于其他3D打印方法成型效率高的优势愈发明显，近年来该技术已经应用于铸造砂型、粉末金属成型等多种材料，进一步推动了3D打印技术的发展。

因此，如何提供一种精密铸造石膏型3DP成型方法以简化工艺、降低生产成本是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有的石膏型铸造工艺在获得石膏铸型之前所存在的制备工艺复杂、生产效率不高，透气性差等不足之处，提供一种将3DP方法应用于石膏型精密铸造领域，由石膏型的三维数字模型直接成型石膏型并用于浇注，避免了复杂的制模、翻型工序，可极大程度的提高石膏型铸造方法的生产效率，降低生产成本。

需要说明的是，本发明的目的是为了缩短石膏型精密铸造工艺方法的生产流程、提高生产效率，降低生产成本，充分发挥3DP方法的成型优势，而提供的一种精密铸造石膏型3DP成型方法，可直接成型精密铸造用石膏型，用于有色金属铸造领域。同时，通过3DP方法成型石膏型可以充分利用3D打印技术成型自由度高、可成型复杂点阵结构的优势，在石膏型的内部设计镂空结构，可以改变石膏型透气性差的缺点。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种精密铸造石膏型3DP成型方法，所述方法具体包括如下步骤：

步骤一：数字模型准备

兼顾铸造工艺设计方案、3DP成型方法特点，利用三维建模软件，对精密铸造石膏型的数字模型进行处理，包括添加收缩余量，补偿石膏型在烘干过程中的收缩、铸件在凝固过程的收缩；合理进行分型，保证铸件尺寸、形状精度的同时，保证石膏型成型后型腔内粉末清理的便捷。同时在石膏型内部设计一种镂空结构，用以改善石膏型透气性差的缺点，且该镂空结构必须为敞开式，以方便镂空结构内部粉末的清理。

需要说明的是，所述的敞开式镂空结构，其中“敞开”的意义在于所述镂空结构直接穿透铸型的外表面，镂空结构的孔洞与大气相通；近于铸型型腔表面附近，为非镂空结构，以保证铸型内表面具有足够的承受充型机械冲击及热冲击的能力，镂空结构的起始面与铸型内表面的法向距离保持3-10mm，随铸型的尺寸选择合适的尺度；所采用的镂空结构主要为在实现铸型内部与外籍环境联通的同时，保证石膏铸型整体的结构强度，镂空结构单一单元的形状可任意选择，但本发明所设计的镂空结构为一种渐变式镂空结构，所有孔洞内外联通，结构所形成的孔的孔径在铸型表面附近较小，延铸型表面法向向外孔径尺寸逐渐增加，最终保证铸型中孔洞的体积占比不低于60％。

步骤二：粉末材料制备

制备石膏型粉末材料，选择200-325目α-半水石膏(α-CaSO₄·1/2H₂O)为主体材料，添加短玻璃纤维、陶瓷纤维填料或者SiO₂-Al₂O₃系石膏耐火填料包括但不限于硅石粉、硅线石、莫来石、高岭土、铝矾土、氧化铝、锆砂粉。

成型石膏型的主要粉体材料为200-325目α-半水石膏(α-CaSO₄·1/2H₂O)，添加量为20％-60％；选择铝矾土粉末为填料，添加量为40％-80％，同时添加0.05-0.5％的短玻璃纤维或陶瓷纤维，经充分搅拌混合，制备成3DP打印石膏型用粉末材料。

步骤三：粘结剂制备

粘结剂的主要组成成分为去离子水，占比为60-90％，添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，占比为1％-10％；添加助凝剂硫酸镁0-0.5％，添加缓凝剂硼砂0-0.5％，同时酌量添加保湿剂、PH调节剂等，配制用于3DP方法成型石膏型的粘结剂。

步骤四：成型石膏型

采用3DP方法成型石膏型，将步骤一所获得的数字模型的切片文件导入至成型控制软件中，将步骤二中所制备的石膏粉料通过铺粉车平整的铺设于成型缸表面，将步骤三所制备的粘结剂经过打印喷头依据经模型切片获得的图片均匀的喷射于石膏粉料表面，形成石膏型，然后成型缸下降层厚0.1-0.2mm，铺粉车再次铺粉，打印喷头再次喷射粘结剂，如此循环往复，直至完成整个石膏型打印。

步骤五：石膏型后处理

待步骤四成型的石膏型于成型缸中固化4-12h后，利用工业吸尘器将成型缸中未固化的粉料吸出，经筛分后可重复使用，固化完成的石膏型取出后清除表面附着的残余粉末。将石膏型转移至烘干炉中烘干，烘干温度100-400℃，烘干时间12-36h，保证石膏型完全脱水。

步骤六：浇注

将烘干炉中完全脱水的石膏型取出，检查石膏型强度，并快速浇注，避免石膏型温度降低过多，热型浇注可以保证液态金属在型腔内具有充足的流动性，有利于薄壁铸件成型，浇注方式可以根据铸件的工艺特点灵活选择重力浇注或者反重力浇注。

步骤七：铸件后处理

浇注完成的铸件冷却后即可去除石膏型，取出的铸件经过切割、打磨等铸件后处理工序后即可获得合格的石膏型铸件。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的一种精密铸造石膏型3DP成型方法，具有如下优异效果：

1)本发明公开的精密铸造用石膏型，是将三维喷射成型技术(3DP)和石膏型铸造工艺的有机结合，能够缩短传统石膏型铸造工艺的制作流程，改变传统石膏型工艺的缺点。

2)本发明通过利用3DP技术将一种用于成型石膏型的粘结剂，按照正确的几何图案喷射于均匀铺设的石膏粉末床上，经逐层喷射粘结剂及逐层铺设石膏粉，将喷射粘结剂区域的粉末层层的粘结在一起，最终形成可应用于精密铸造的石膏型；

3)本发明可以充分发挥3D打印技术成型自由度高的特点，通过在石膏型内部设计镂空结构，在石膏型内形成类似于发泡石膏型的孔洞结构，同时在保证石膏型强度的同时可以自由设计各种镂空结构，相比于发泡型石膏内部空洞的不可控性，更加的规则，孔洞间的联结程度更高，石膏型内部与外部的连通程度较传统石膏型更高，采用本发明的工艺生产的石膏型的透气性更高，铸件良品率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为3DP方法成型原理图。

图2为石膏铸型装配图。

图3为铸件图。

图4为铸造工艺图。

图1中，

1为集料箱，2为成型缸，3为打印喷头，4为石膏型，5为铺粉车，6为设备外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种精密铸造石膏型3DP成型方法。

为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。

下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

运用本发明的方法成型铸造石膏型，具体实施方法如下：

1)模型设计：首先，利用NX三维建模软件，将如图3所示的铸造零部件完成铸造工艺方案设计，采用上型石膏型、下型金属型的工艺铸造。同时生成铸造石膏型的三维数字模型，此时生产的铸造石膏型三维模型未添加镂空结构。结合铸造零件的结构和尺寸，以铸造型腔内表面法向距离3mm的位置为起点，建立由内到外的联通镂空结构。镂空结构以六面体单元为基础，内部(靠近铸型内腔表面)六面体边长为2mm，外部(铸型外表面)六面体边长为5mm，镂空结构由内向外连接；

2)石膏粉料制备：选择325目ɑ-半水石膏为主体材料，质量占比59.9％，添加325目铝矾土粉料，质量占比40％，添加陶瓷纤维，质量占比0.1％，采用碗式搅拌机搅拌3h，混合均匀后，转移至烘干箱烘干，烘干温度100℃，烘干时间5h。

3)粘结剂制备：粘结剂的主要成分为去离子水，质量占比80％，添加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)5％，添加硫酸镁0.5％，添加硼砂0.5％，添加保湿剂4％，搅拌0.5h，然后酌量添加PH调节剂，使PH近中性；

4)制备石膏型：将制备完成的粘结剂和石膏粉料分别添加至AFS-J380P的粘结剂桶和料箱中，将设计好的铸型模型的STL格式的三维数据导入设备的软件控制系统，设置打印层厚0.1mm，粘结剂量中等；然后逐层打印成型，打印完成后在缸内放置6h以上，方可取出，然后去除多余粉末；

5)石膏型后处理：石膏型取出后，转移至干燥箱中，烘干温度120℃，烘干时间10h；

6)浇注：将干燥完成后的石膏型取出，目视检查石膏型有无裂纹、缺失，完好的铸型即可放置于下型金属板上，金属板预热200℃，然后放置好压铁，立即进行浇注；

7)铸件后处理：浇注完成的铸件，冷却后即可去除石膏型，获得铸件。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种成型石膏型粉体材料，其特征在于，所述材料主要以200-325目α-半水石膏(α-CaSO₄·1/2H₂O)为主体材料，添加短玻璃纤维、陶瓷纤维填料或者SiO₂-Al₂O₃系石膏耐火填料制备而成；其中，

所述SiO₂-Al₂O₃系石膏耐火填料包括硅石粉、硅线石、莫来石、高岭土、铝矾土、氧化铝或锆砂粉。

2.根据权利要求1所述的一种成型石膏型粉体材料，其特征在于，按照质量百分比计，所述材料由下述原料制备而成：

200-325目α-半水石膏(α-CaSO₄·1/2H₂O)20％-60％，铝矾土40％-80％，短玻璃纤维或陶瓷纤维0.05-0.5％。

3.一种精密铸造石膏型3DP成型方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

1)数字模型准备

利用三维建模软件，对精密铸造石膏型的数字模型进行添加收缩余量处理，并合理进行分型，同时在石膏型内部设计一款敞开式渐变镂空结构；

2)粉末材料制备

按照如权利要求1所述原料组成经充分搅拌混合，制成3DP打印石膏型粉末材料；

3)粘结剂制备

按质量百分比聚乙烯吡咯烷酮(PVP)1-10％，助凝剂硫酸镁0-0.5％，缓凝剂硼砂0-0.5％，去离子水60-80％分别称取原料；

将配方量的聚乙烯吡咯烷酮、硫酸镁和硼砂加入至去离子水中，同时添加保湿剂、pH调节剂，以配制用于3DP方法成型石膏型的粘结剂；

4)成型石膏型

将步骤1)获得的数字模型的切片文件导入至成型控制软件中，将步骤2)制备的粉末材料通过铺粉车(5)平整的铺设于成型缸(2)表面；将步骤3)制备的粘结剂经过打印喷头(3)依据经模型切片获得的图片均匀的喷射于所述粉末材料表面，形成石膏型(4)；然后所述成型缸(2)下降层厚0.1-0.2mm，所述铺粉车(5)再次铺粉，所述打印喷头(3)再次喷射粘结剂，如此循环往复，直至完成整个石膏型打印；

5)石膏型后处理

待步骤4)成型的石膏型于所述成型缸(2)中固化12-24h后，将所述成型缸(2)中未固化的粉料吸出，并将固化的石膏型取出后清除表面附着的残余粉末；随后将石膏型烘干；

6)浇注

将经步骤5)烘干的石膏型取出，检查石膏型强度，并快速浇注；

7)铸件后处理

待经步骤6)浇注完成的铸件冷却后即去除石膏型，取出的铸件经过切割、打磨等铸件后处理工序后即获得合格的石膏型铸件。

4.根据权利要求3所述的一种精密铸造石膏型3DP成型方法，其特征在于，步骤1)中，所述敞开式渐变镂空结构，其中“敞开”的意义在于所述镂空结构直接穿透铸型的外表面，镂空结构的孔洞与大气相通；于铸型型腔表面附近，为非镂空结构，镂空结构的起始面与铸型内表面的法向距离为3-10mm。

5.根据权利要求3所述的一种精密铸造石膏型3DP成型方法，其特征在于，所述步骤5)中的烘干温度为100-400℃，烘干时间为12-36h。

6.根据权利要求3所述的一种精密铸造石膏型3DP成型方法，其特征在于，所述步骤6)中的浇注方式根据铸件的工艺特点灵活选择重力浇注或者反重力浇注。