-
TECHNISCHER ANWENDUNGSBEREICH
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leichtbaumuster, welches an einer Sandgussform gebildet ist und auf ein Sandgussform-Konstruktionsverfahren, welches letzteres verwendet, und insbesondere auf ein Leichtbaumuster, welches an einer im 3D-Druckverfahren hergestellten Sandgussform gebildet ist, und auf ein Konstruktionsverfahren einer Sandgussform, welche im 3D-Druck unter Verwendung desselben hergestellt wurde.
-
BISHERIGER STAND DER TECHNIK
-
Ein häufig verwendeter Prozess, welcher einer der Metallbearbeitungsprozesse ist, erfordert eine Sandform, bestehend aus einem Sand- oder Wachsmaterial, und die Sandform startet allgemein anhand der Herstellung eines hölzernen Musters. In den letzten Jahren, als die 3D-Drucktechnologie und insbesondere eine Bindemittelstrahltechnologie entwickelt wurden, konnte die Sandform einen Gießprozess ohne ein hölzernes Muster bewerkstelligen. Der 3D-Druck ist eine Herstellungstechnologie zum Erzeugen eines dreidimensionalen Objekts durch Sprühen aufeinanderfolgender Schichten von Materialien. Da in der 3D-Drucktechnologie von einem typischen Herstellungsverfahren wie beispielsweise mechanischem Schneiden und Gießen und Herstellen eines Produkts, welches eine bestimmte Form aufweist, im Batchverfahren abgewichen werden kann, erhielt die hohe Innovationskraft der 3D-Drucktechnologie Aufmerksamkeit. In der 3D-Drucktechnologie kann es wichtig sein, Prozesse durch Ändern der Art von 3D-Druckern entsprechend den Zwecken des Prozesses auszuführen. Dies liegt daran, dass nachfolgende Prozesse unterschiedlich ausfallen können, wobei jedoch diverse Materialarten und 3D-Drucker auf diverse Prozesse anwendbar sind. Beispielsweise sprüht die oben beschriebene Bindemittelstrahltechnologie einen flüssigen Klebstoff oder ein flüssiges Bindemittel auf ein Pulverbett, an welchem dünne Pulverschichten laminiert werden. Die Bindemittelstrahltechnologie wird vornehmlich zur Herstellung einer Sandform für Kunst-, Architektur- und Metall-Herstellungsprozesse verwendet. Die Sandform ist ein Rahmen und eine wesentliche Komponente für einen Gießprozess zum Bilden einer Form durch Gießen geschmolzenen Metalls und anschließendes Aushärten des gegossenen geschmolzenen Metalls.
-
Hingegen, obwohl die 3D-Drucktechnologie, welche die Bindemittelstrahltechnologie einschließt, die Sandform direkt ohne ein hölzernes Muster herstellen kann, welches in dem typischen Prozess wesentlich ist, weist die 3D-Drucktechnologie eine Beschränkung als Ersatz für das typische Sandherstellungsverfahren unter Verwendung des hölzernen Rahmens insofern auf, dass die verwendeten Materialien und Prozesse kostspielig sind. Typischerweise wird eine Technologie zur Prozessentwicklung einer Schlammzusammensetzung für eine Keramikform und einen Keramikkern, welche eine effektive Festigkeit besitzen, unter Verwendung von zwei Arten von Polymeren offenbart, und es wird eine Technologie an einer Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Sandform zum Sandformgießen offenbart, welche sich auf die Herstellung eines Kerns und einer Sandform zum Sandformgießen durch direktes Laser-Sintern beziehen.
-
Hingegen, obwohl die typische Technologie verwendet wird, könnte die Beschränkung, welche sich auf die Verbrauchsmenge des Materials und die Herstellungsprozess-Kosten der Bindemittelstrahltechnologie bezieht, nicht gelöst werden. Folglich ist die Erforschung eines Verfahrens zur Herstellung der Sandform in einer stabilen und effizienten Weise erforderlich, um die Verbrauchsmenge des Materials zu senken.
-
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
-
TECHNISCHES PROBLEM
-
Die vorliegende Erfindung stellt ein stabiles und effizientes Leichtbau-Konstruktionsverfahren einer Sandgussform bereit, welches eine wirtschaftliche Machbarkeit durch Reduzierung einer Verbrauchsmenge eines Materials und der Kosten eines Herstellungsprozesses sicherstellt, in einer Sandgussform-Herstellungstechnologie unter Verwendung von 3D-Druck, um die diversen Probleme, darunter die oben beschriebenen Probleme, zu lösen. Dies dient jedoch lediglich der Veranschaulichung und folglich ist der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung nicht hierauf begrenzt.
-
TECHNISCHE LÖSUNG
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leichtbaumuster in einer Sandgussform bereitgestellt.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Leichtbaumuster eine Vielzahl von Poren einschließen, aus welchen ein Teilbereich der Sandgussform entfernt ist, und die Vielzahl von Poren kann eine Struktur aufweisen, in welcher Elementarzellen in einer eng gepackten Struktur wiederholt gebildet sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die eng gepackte Struktur eine erste Laminierungsfläche und eine zweite Laminierungsfläche einschließen, welche jeweils eine Vielzahl von Poren einschließen, und wobei die erste Laminierungsfläche und die zweite Laminierungsfläche wiederholt angeordnet sein können, um abwechselnd miteinander laminiert zu sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Laminierungsfläche Folgendes einschließen: eine erste kugelförmige Pore, welche an jeder von Ecken eines Sechsecks angeordnet ist; und eine mittlere kugelförmige Pore, welche an einem Mittelpunkt des Sechsecks angeordnet ist und wobei die Sechsecke, welche jeweils die erste kugelförmige Pore und die mittlere kugelförmige Pore einschließen, nacheinander verbunden und angeordnet sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zweite Laminierungsfläche eine zweite kugelförmige Pore einschließen, welche an jeder von Ecken eines Dreiecks angeordnet ist, um das Dreieck zu bilden, welches einen Mittelpunkt an einem Punkt aufweist, welcher der mittleren kugelförmigen Pore entspricht, wobei die Dreiecke, welche jeweils die zweite kugelförmige Pore einschließen, nacheinander verbunden und angeordnet sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die eng gepackte Struktur ein beliebiges eines von einem kubisch-flächenzentrierten System (FCC), einem kubisch-raumzentrierten System (BCC) und einem eng gepackten sechseckigen System (HCP) in Bezug auf die Kristallografie einschließen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Leichtbaumuster ein Verbindungsteil einschließen, welches eine hohle Form aufweist, durch welche ein Material beweglich ist, um mindestens zwei Poren der Vielzahl von Poren zu verbinden.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Leichtbaumuster ferner ein Verbindungsteil einschließen, welches eine hohle Form aufweist, durch welche ein Material beweglich ist, um mindestens zwei Poren der Vielzahl von Poren zu verbinden, und das Verbindungsteil kann Mittelpunkte der Poren verbinden, welche auf derselben Linie in der ersten Laminierungsfläche oder der zweiten Laminierungsfläche, nur in der gleichen Laminierungsfläche, gebildet sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Leichtbaumuster ferner ein Verbindungsteil einschließen, welches eine hohle Form aufweist, durch welche ein Material beweglich ist, um mindestens zwei Poren der Vielzahl von Poren zu verbinden, und das Verbindungsteil kann Mittelpunkte der Poren verbinden, welche jeweils in der ersten Laminierungsfläche und der zweiten Laminierungsfläche, in den unterschiedlichen Laminierungsflächen, gebildet sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Leichtbaumuster für 3D-Druck konstruiert sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Sandgussform, auf welche das Leichtbaumuster angewandt wird, eine strukturelle Dichte in einem Bereich von 0,36 bis 0,7 aufweisen.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Leichtbau-Konstruktionsverfahren einer Sandgussform unter Verwendung von 3D-Druck bereitgestellt.
-
Das Leichtbau-Konstruktionsverfahren der Sandgussform kann einen Schritt des Konstruierens eines 3D-Moduls gemäß einer Struktur der Sandform einschließen, wobei der Schritt des Konstruierens einen ersten Leichtbau-Konstruktionsschritt des Konstruierens eines ersten Leichtbaumodells einschließen kann, durch Festlegen eines Bereichs, auf welchen ein erstes Leichtbaumuster angewandt wird, und wobei das erste Leichtbaumuster ein beliebiges eines von in den oben beschriebenen Sandgussformen gebildeten Leichtbaumustern einschließen kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste Leichtbau-Konstruktionsschritt Folgendes einschließen: einen Schritt des Anpassens eines maximalen Abstandes zu einer äußeren Fläche und einer Größe eines jeden von einem leeren Raum und einem Verbindungsteil in dem ersten Leichtbaumuster; einen Schritt des Bestimmens, ob das erste Leichtbaumuster auf einen Abschnitt angewandt wird, welcher um einen vorbestimmten Abstand von einer Sandformoberfläche zum Inneren der Sandform beabstandet ist, während geschmolzenes Metall in die Sandform injiziert wird; und einen Schritt des Bestimmens eines Strukturfaktors, um ein auf das erste Leichtbaumuster angewandtes Mindestvolumen zu bestimmen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Konstruierens des 3D-Modells ferner einen zweiten Leichtbau-Konstruktionsschritt des Konstruierens eines zweiten Leichtbaumodells einschließen, durch Festlegen eines Bereichs, auf welchen ein zweites Leichtbaumuster angewandt wird, und wobei das zweite Leichtbaumuster durch Entfernen mindestens eines Abschnitts der Sandform gebildet werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der zweite Leichtbau-Konstruktionsschritt einen Schritt des Bestimmens einschließen, ob ein Abschnitt, in welchen das geschmolzene Metall nicht gefüllt wird und auf welchen eine vertikale Last nicht aufgebracht wird, ein Abschnitt ist, aus welchem ein vorbestimmtes Volumen entfernbar ist, da ein Abstand von einer Sandformoberfläche zu einer Innenfläche gesichert ist, basierend auf Simulationsergebnissen einer durch geschmolzenes Metall während eines Gießprozesses aufgebrachten Last.
-
VORTEILHAFTE EFFEKTE
-
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das optimierte Leichtbau-Konstruktionsverfahren der Sandgussform durch die Anordnung des Musters bereitgestellt werden, in welchem die Elementarzellen, welche die Vielzahl von Poren einschließen, in der eng gepackten Struktur wiederholt gebildet sind. Ebenso, da die Herstellungskosten effektiv durch Lenkung der Verbrauchsmenge des hochpreisigen Materials beim 3D-Druck reduziert werden, kann das 3D-Druckverfahren weitläufiger in dem typischen Gießprozess angewandt werden, und es lässt sich die Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit der Gießtechnik und die Entwicklung eines neuen Marktes erzielen. Ebenso, als die einzigartige Struktur für die Leichtbaustruktur, kann die Musterstruktur, welche die stabile Festigkeit auf einem vorbestimmten Level hält, durch Reduzieren des Volumens des gegossenen Artikels geschaffen werden und die Spannung daran hindern, sich an einem spezifischen Abschnitt in dem Leichtbaumuster während des Transportprozesses und des Gießprozesses zu konzentrieren. Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebenen Effekte beschränkt.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine Ansicht, welche eine Leichtbaumusterstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung andeutet.
- 2 ist eine Ansicht zur Erklärung einer Porenstruktur des Leichtbaumusters, welche ein sechseckiges, eng gepacktes System in einer Art aufweist, welche einer Anordnungsstruktur von Metallatomen in Bezug auf die Kristallografie ähnelt.
- 3 ist eine Ansicht, welche einen Abschnitt einer Sandgussform veranschaulicht, in welcher das Leichtbaumuster, in welchem Poren in einem sechseckigen, eng gepackten System laminiert sind, gebildet wird.
- 4 ist ein Diagramm, welches durch Bewertung einer Druckfestigkeit des Leichtbaumusters erzielt wurde.
- 5 ist ein schematisches Flussdiagramm, welches ein Leichtbau-Konstruktionsverfahren einer Sandgussform nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 6 ist eine schematische Ansicht, welche eine Struktur der Sandgussform nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
- Die 7 bis 9 sind schematische Ansichten, welche einen Konstruktionsprozess gemäß der Struktur der Sandgussform veranschaulichen, welche in 6 veranschaulicht ist, um das Leichtbau-Konstruktionsverfahren der Sandgussform nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erklären.
-
AUSFÜHRUNGSART DER ERFINDUNG
-
Nachstehend werden spezifische Ausführungsformen detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollten nicht dahingehend ausgelegt werden, als wären sie auf die hierin dargelegten Ausführungsformen begrenzt; diese Ausführungsformen werden eher bereitgestellt, damit Fachleute die vorliegende Erfindung umfassend verstehen. Eher werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit die vorliegende Erfindung umfassend und vollständig ist, und sie den Fachleuten den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung in vollem Umfang vermittelt.
-
Der 3D-Druck ist eine Herstellungstechnologie zum Erzeugen eines dreidimensionalen (3D) Objekts durch Sprühen aufeinanderfolgender Schichten von Materialien. Ein 3D-Drucker bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen eines 3D-Objekts durch ein Laminierungsverfahren, welches einem in einem typischen Tintenstrahldrucker verwendeten Verfahren ähnelt, anstelle von Fräsen oder Schneiden. Der 3D-Drucker ist in der Lage, diverse Formen zu erzeugen, da der 3D-Drucker durch einen Computer gesteuert wird und einfacher zu gebrauchen ist als andere Herstellungstechnologien.
-
Da der 3D-Drucker einen Postprozess aufweisen kann, welcher auf der Basis eines Zwecks davon geändert werden kann, ist es notwendig, Prozesse vor deren Durchführung zu klassifizieren. Unter den Prozessen ist das oben beschriebene Bindemittelstrahlen ein Verfahren zum Spritzen eines Klebstoffs oder eines Bindemittels auf ein Pulverbett, um Pulver unter Verwendung des Klebstoffs zu binden, anstatt festes Pulver mit Hitze zu schmelzen.
-
Die typische 3D-Drucktechnologie in Zusammenhang mit Kunststoff oder ähnlichem überwindet typische Beschränkungen in Konstruktions- und Herstellungsprozessen, wie beispielsweise Konstruktionsformen, Abmessungen und Materialkomplexität, dank Konstruktion für additive Herstellung (DfAM). Im Wesentlichen verwenden bei Metall- und Kohlenstoff-Verbundmaterialien sowie bei Kunststoff, zahlreiche inländische und ausländische Firmen die DfAM-Technologie zum Herstellen eines Komponentenmoduls, welches eine komplexe Funktion und Konstruktion aufweist, in integrierter Weise, ohne zusätzlichen Montageprozess und erzielen so ebenfalls Effekte wie beispielsweise hohe Festigkeit mit komplexer innerer Struktur, geringer Vibration und Leichtbauweise.
-
Nachstehend wird die Anwendbarkeit eines Leichtbaustrukturverfahrens, welches für eine typische Metall-3D-Druckerstruktur verwendet wird, auf eine Struktur überprüft, welche aus einer Sandform gebildet wird, und es wird ein Leichtbaustrukturverfahren, welches eine Unterscheidung von einem typischen Verfahren nach der vorliegenden Erfindung aufweist, wird unter Betrachtung von Merkmalen von Gusssand beschrieben.
-
Zu diesem Zweck werden Festigkeitswerte, basierend auf Gewichtsreduktion, experimentell verglichen, indem ein Festigkeitstest und eine FEM-Simulation an einer Struktur durchgeführt werden, welche in einer typischen Metall-3D-Druckerstruktur verwendet wird und eine Leichtbaustruktur aufweist.
-
Experimentelle Ergebnisse, welche durch Anwendung der in der typischen Metall-3D-Druckerstruktur verwendeten Leichtbaustruktur auf die Sandgussstruktur erzielt werden, werden in Detail durch 10 beschrieben, welche ein zu experimentierendes Objekt veranschaulicht, und 11, welche Diagramme der experimentellen Ergebnisse veranschaulicht.
-
10 veranschaulicht Testprobenobjekte, wobei Objekt (a) Typ 1 veranschaulicht, welcher eine Lochstruktur mit quadratischer Anordnung aufweist, wobei Löcher in einer Quadratform angeordnet sind, welche eine Struktur einer typischen Metall-3D-Drucker Innenstruktur ist, und Objekt (b) Typ 2 veranschaulicht, welcher eine 3D-Netzmit-Kissen-Struktur aufweist, wobei jede der oberen und der unteren Fläche ein Gitterwerk bildet.
-
11 veranschaulicht Ergebnisse eines Festigkeits-Experiments der Struktur von Typ 1 und der Struktur vom Typ 2, wobei Diagramm (a) Festigkeitsdaten zeigt, welche durch Variieren einer Größe eines inneren Lochs der Struktur vom Typ 1 erzielt wurden und Diagramm (b) Festigkeitsdaten zeigt, welche durch Variieren eine Dicke eines inneren Netzes der Struktur vom Typ 2 erzielt wurden.
-
Unter Bezugnahme auf die in (a) von 11 gezeigten Ergebnisse ist möglicherweise bekannt, dass ein Festigkeitswert erheblich reduziert wird, wenn die Größe des Lochs ansteigt, um die Leichtbaustruktur durch Ausführung von 3D-Druck herzustellen. Ebenso unter Bezugnahme auf in (b) von 11 gezeigte Ergebnisse ist möglicherweise bekannt, dass ein Problem, bei welchem ein Festigkeitswert der Struktur signifikant reduziert ist, auftritt, wenn eine Dicke eines Netzes dünn ist.
-
(a) von 12 veranschaulicht 3D- und 2D-Spannungsverteilungsergebnisse, nachdem eine Verschiebung pro Stunde als Ergebnis einer Struktursimulation angewandt wurde, die Struktursimulation dient dem Zweck der Analyse einer Spannungskonzentration in einem Gusssand-Proben-Prüflings unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Voraussagen einer Bruchfläche und Vergleichen der Simulation mit einem tatsächlichen Bruch, anhand eines Bruchs eines tatsächlichen Prüflings.
-
In der Struktursimulation weist der Gusssand-Prüfling eine Struktur auf, welche eine Volumenstruktur an oberen und unteren Abschnitten davon aufweist, und eine Gitterwerksstruktur als einen mittleren Abschnitt davon, und einen Deformation wird auf eine obere Fläche eines oberen Volumenkissens mit einer Geschwindigkeit von -0,0002m/s aufgebracht, was denselben Zustand wie in einem echten Drucktest darstellt. Ein Zustand wird so festgelegt, dass die Unterseite eingeschränkt ist, um sich nicht rechtwinklig zu einer unteren Fläche zu bewegen, und frei ist, sich in Richtung eines flachen Abschnitts zu bewegen.
-
Der Test wird in einer zeitabhängigen Weise mit einem Intervall von 0,01 Sekunde über 0,1 Sekunde durchgeführt, als eine Simulation der Anwendung einer Verschiebung pro Stunde anstelle des Aufbringens einer konstanten Last. Es könnte anhand des Ergebnisses der Simulation bekannt sein, dass eine Zugspannung von 0,4 MPa oder darüber an einem äußeren Abschnitt eines jeden der Balken der Gitterstruktur konzentriert ist.
-
Da ein niedrigfester keramischer Verbundstoff wie die Probe besonders gegenüber einer Zugfestigkeit anfällig ist, mehr als gegenüber einer Druckfestigkeit, lässt sich bestimmen, dass der äußere Abschnitt des Balkens anfällig für die Zugspannung ist und daher zuerst zu Bruch ging. Wie in (b) von 12 veranschaulicht, verifiziert sich, dass das Ergebnis des tatsächlichen Experiments mit dem Simulationsergebnis übereinstimmt, da der Bruch zuerst am äußeren Abschnitt des Balkens auftrat
-
Daher, wenn das Leichtbaustrukturverfahren in der typischen 3D-Druckerstruktur verwendet wird, ist es möglicherweise bekannt, dass, während sich die Zugspannung in einer diagonalen 3D-Netzstruktur konzentriert, die Struktur leicht bricht oder ihre Festigkeit sich erheblich verringert, trotz der Leichtbaueffekte der Struktur.
-
Folglich, um die Leichtbaustruktur auf den Gussand-3D-Drucker anzuwenden, ist das Leichtbaustrukturverfahren, welches eine Unterscheidung von dem typischen Verfahren aufweist, angesichts von Merkmalen des Gusssandes notwendig, und folglich eine laminierte Musterstruktur, welche kugelförmige Poren verwendet, welche in der Lage sind, Spannungskonzentrationen zu minimieren.
-
Die vorliegende Erfindung legt eine neue Leichtbaumusterstruktur nahe, welche eine eng gepackte Struktur ist, gebildet durch Anwenden einer Metallatom-Gitterwerksstruktur zum Laminieren der kreisförmigen Poren ähnlich der Atom-Gitterwerkstruktur.
-
Die Leichtbaumusterstruktur gemäß der technischen Idee der vorliegenden Erfindung schließt eine Vielzahl von kreisförmigen Poren ein, welche leere Räume sind, aus welchen ein Teilbereich der Gusssandform entfernt ist, und wobei die Vielzahl von Poren eine Musterstruktur aufweist, in welcher Elementarzellen, welche in der eng gepackten Struktur angeordnet sind, in einer 3D-Art wiederholt und verschoben sind. Hier schließt die eng gepackte Struktur ein beliebiges eines von einem kubisch-flächenzentrierten System (FCC), einem kubisch-raumzentrierten System (BCC) und einem eng gepackten sechseckigen System (HCP) in Bezug auf die Kristallografie ein. Ebenso schließt das Leichtbaumuster ferner ein Verbindungsteil zum Verbinden der Poren miteinander ein.
-
In 1, als der Leichtbaumusterstruktur nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird jeder von Fällen, in welchen die eng gepackte Struktur BCC, FCC oder HCP ist, nahegelegt.
-
Die effektive Laminierungsstruktur einer in der natürlichen Welt bekannten Kugel ist eine Gitterwerksstruktur eines kugelförmigen Metallatoms wie beispielsweise FCC, BCC und HCP.
-
Die BCC-Struktur besitzt eine Form, in welcher ein Atom an jeder Ecke eines Würfels angeordnet ist, und ein Atom ist an einem Mittelpunkt des Würfels angeordnet, und zwei Atome gehören zu einem Elementar-Gitterwerk. Die FCC-Struktur besitzt eine Form, in welcher ein Atom an jeder Ecke und an jedem Seitenmittelpunkt angeordnet ist, und vier Atome gehören zu einem Elementar-Gitterwerk. Die HCP-Struktur besitzt eine Form, in welcher ein Atom an jeder von Ecken und an einem Mittelpunkt eines Sechsecks jeweils einer oberen und einer unteren Basisfläche angeordnet ist, und drei Atome sind in einem Zwischenschicht-Gitterwerk zwischen der oberen und der unteren Basisfläche angeordnet, und sechs Atome gehören zu einem Elementar-Gitterwerk. Wenn davon ausgegangen wird, dass das Atom eine allgemein kugelförmige Form aufweist, haben das HCP und das FCC die gleiche atomische Packungsdichte von 0,74, und das BCC hat eine atomische Packungsdichte von 0,68.
-
Der technischen Idee der vorliegenden Erfindung gemäß, da die Poren, welche leere Räume sind, aus welchen ein Teilbereich der Sandform entfernt ist, genau so angeordnet sind wie die Laminierungsstruktur des Metallatoms, erhöht sich die Dichte, um die Leichtbaustruktur zu schaffen.
-
Unter Bezugnahme auf 2 wird die Porenstruktur des Leichtbaumusters, welches die HCP-Struktur aufweist, exemplarisch in einer Weise beschrieben, welche einer Anordnungsstruktur von Metallatomen in Bezug auf die Kristallografie ähnelt.
-
Wenn die Anordnung der Poren die HCP-Struktur in Bezug auf die Kristallografie aufweist, schließt eine Elementarzelle eine erste Laminierungsfläche 1000, welche eine Vielzahl von Poren 1100 einschließt, und eine zweite Laminierungsfläche 2000 ein, wobei die zweite Laminierungsfläche 2000 unterhalb der ersten Laminierungsfläche 1000 angeordnet ist, und wobei die Vielzahl von Poren jeweils eine kugelförmige Form aufweist, um die eng gepackte Struktur zu bilden.
-
Insbesondere besitzt die erste Laminierungsfläche 1000 eine Form eines Sechsecks und schließt eine erste kugelförmige Pore 1100 ein, welche an jeder Ecke des Sechsecks angeordnet ist, und eine mittlere kugelförmige Pore 1200, welche an einem Mittelpunkt des Sechsecks angeordnet ist, und die Sechsecke, welche jeweils die erste kugelförmige Pore 1100 und die mittlere kugelförmige Pore 1200 einschließen, sind nacheinander miteinander verbunden.
-
Ebenso schließt die zweite Laminierungsfläche 2000 zweite kreisförmige Poren 2100 ein, welche ein Dreieck bilden, welches einen Mittelpunkt an einer Position aufweist, welche der mittleren kreisförmigem Pore entspricht und welche jeweils an Ecken des Dreiecks angeordnet sind, und wobei die Dreiecke, welche jeweils die zweiten kugelförmigen Poren 2100 einschließen, nacheinander miteinander verbunden sind.
-
Die erste Laminierungsfläche 1000 und die zweite Laminierungsfläche 2000 sind wiederholt angeordnet, um abwechselnd laminiert zu werden, um die HCP-Struktur zu bilden, welche in 3 veranschaulicht ist.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Form einer jeden der Vielzahl von Poren eine teilweise deformierte elliptische 3D-Struktur oder polygonale 3D-Struktur aufweisen, entsprechend der Laminierungsstruktur zusätzlich zu der kugelförmigen Form.
-
Ebenso sind unter Bezugnahme auf 3 die kugelförmigen Poren durch ein Verbindungsteil 3000 verbunden, welches eine hohle Form aufweist, und restlicher Gusssand oder Gase, welche sich während der Herstellung der Sandform gebildet haben, können nach außen durch das Verbindungsteil 3000 abgelassen werden. Obwohl das Verbindungsteil als ein Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf begrenzt. Das Verbindungsteil kann beispielsweise eine elliptische Form oder eine polygonale Form aufweisen. Ebenfalls variiert der Querschnitt des Verbindungsteils 3000 für jede Position, anstatt konstant wie eine Kegelform gehalten zu werden.
-
4 zeigt eine Variation einer Druckfestigkeit gemäß einer strukturellen Dichte p/p0 einer leeren Zylinderanordnung (VCA) unter Verwendung der 3D-Netzstruktur als die Leichtbaustruktur und der kugelförmigen Pore nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die strukturelle Dichte p/p0 ist ein Verhältnis aus einem Volumen p, wenn jede Leichtbaustruktur auf ein Originalvolumen p0 angewandt wird.
-
Wie in 4 veranschaulicht, ist möglicherweise bekannt, dass eine Struktur, welche die leere Zylinderanordnung (VCA) unter Verwendung der kreisförmigen Pore nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, eine Druckfestigkeit aufweist, welche relativ größer als diejenige einer Struktur ist, welche die 3D-Netzstruktur aufweist, welches die typische Metall-Leichtbaustruktur ist.
-
Ebenso ist möglicherweise bekannt, dass die HCP-Struktur eine Druckfestigkeit beibehält, welche relativ größer als diejenige einer jeden der BCC-Struktur oder der FCC-Struktur unter den Laminierungsstrukturen ist.
-
Wie in 4 veranschaulicht, ist möglicherweise bekannt, dass die HCP-Struktur eine strukturelle Dichtigkeit in einem Bereich von 0,36 bis 0,7 aufweist und die beste Druckfestigkeit in dem Bereich in Vergleich mit anderen Leichtbaustrukturen aufweist.
-
Folglich ist möglicherweise anhand des Ergebnisses des Diagramms des vorliegenden Experiments bekannt, dass sich die HCP-Struktur am besten zur Anwendung auf die Leichtbaustruktur eignet, da die HCP-Struktur die hervorragendste Druckfestigkeit unter Betrachtung des Verhältnisses der kugelförmigen Pore, welche in der Struktur belegt ist, im Vergleich mit anderen kreisförmigen Atom-Laminierungsstrukturen zeigt.
-
Ebenso ist möglicherweise bekannt, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Sandform für den Gießprozess ist, und dass die Sandform die Musterstruktur aufweist, in welcher die Vielzahl von Poren mit der oben beschriebenen eng gepackten Struktur laminiert ist.
-
Ebenso ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Gießprozessverfahren, welches Folgendes einschließt: einen Schritt des Erhitzens von Metall bis zu einer Schmelztemperatur; einen Schritt des Injizierens des geschmolzenen Metalls in eine Form für einen Gießprozess vor dessen Verfestigung; und einen Schritt des Rückführens des geschmolzenen Metalls von einem flüssigen Zustand in einen festen Zustand durch einen Kühlungsschritt. Hier ist die Form für den Gießprozess aus der Sandform gebildet, welche die Musterstruktur aufweist, in welcher die Vielzahl von Poren mit der oben beschriebenen eng gepackten Struktur laminiert ist.
-
Da die neue Laminierungsmusterstruktur nach der vorliegenden Erfindung auf eine Struktur während des Gusssand-3D-Drucks angewandt wird, wird die Leichtbaustruktur erzielt, um eine verbrauchte Materialmenge und eine Prozesszeit davon zu reduzieren, und gleichzeitig eine stabile Festigkeit auf einem vorbestimmten Level zu erhalten, sodass sich ein Prozess, welcher 3D-Druck verwendet, in der Formherstellung verbreitet.
-
Ebenso weitet die vorliegende Erfindung das DfAM, welches das Leichtbauverfahren für den 3D-Druck der Metall- und Kunststoffmaterialien ist, auf die Sandform zur Formherstellung aus.
-
Gemäß einer anderen technischen Idee der vorliegenden Erfindung wird ein Leichtbau-Konstruktionsverfahren der Sandgussform bereitgestellt.
-
Da die Sandgussform unter Verwendung von hochpreisigem Material im Zuge des 3D-Drucks hergestellt wird, weist die Sandgussform eine Begrenzung als ein Ersatz für ein Sandform-Herstellungsverfahren unter Verwendung eines typischen Holzmusters auf. Folglich, da das Leichtbaumuster konstruiert und angewandt wird, bevor der 3D-Druck in der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, kann die Verbrauchsmenge des hochpreisigen Materials reduziert werden, um effektiv die Herstellungskosten zu reduzieren, und der 3D-Druck kann auf die Herstellung der Sandgussform angewandt werden.
-
5 ist ein schematisches Flussdiagramm, welches ein Leichtbaustruktur-Konstruktionsverfahren einer Sandgussform nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
Das Leichtbaustruktur- (LWS) Konstruktionsverfahren der Sandgussform nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt einen Schritt des Konstruierens eines 3D-Modells gemäß einer Struktur einer Sandform ein. Der Schritt des Konstruierens des 3D-Modells schließt einen ersten Leichtbau-Konstruktionsschritt 1LWS des Konstruierens eines ersten Leichtbaumodells ein, durch Festlegen eines Bereichs, auf welchen ein erstes Leichtbaumuster angewandt wird, und einen zweiten Leichtbau-Konstruktionsschritt 2LWS des Konstruierens eines zweiten Leichtbaumodells, durch Festlegen eines Bereichs, auf welchen ein zweites Leichtbaumuster angewandt wird.
-
Wie oben beschrieben, stellt das erste Leichtbaumuster die Musterstruktur dar, in welcher die Vielzahl von Poren mit der oben beschriebenen, eng gepackten Struktur laminiert ist. Das erste Leichtbaumodell ist ein Leichtbaumodell in Bezug auf einen makroskopischen Aspekt, wobei das erste Leichtbaumuster über die gesamte Sandgussform angeordnet ist.
-
Das zweite Leichtbaumodell ist ein Modell zur Schaffung der Leichtbaustruktur durch Gewichtsverlust, welche lokal einen spezifischen Bereich der Sandgussform entfernt, und das zweite Leichtbaumuster stellt einen Bereich dar, aus welchem ein spezifischer Bereich lokal in der Sandgussform entfernt wird.
-
Der erste Leichtbau-Konstruktionsschritt 1LWS und der zweite Leichtbau-Konstruktionsschritt 2LWS können sequenziell angewandt werden. Es kann jedoch, je nach Freiheitsgrad der Konstruktion, der zweite Leichtbau-Konstruktionsschritt 2LWS zuerst durchgeführt werden, und anschließend kann der erste Leichtbau-Konstruktionsschritt 1LWS durchgeführt werden. Der erste Leichtbau-Konstruktionsschritt 1LWS und der zweite Leichtbau-Konstruktionsschritt 2LWS können bei Bedarf gleichzeitig durchgeführt werden.
-
Beispielsweise wird unter Bezugnahme auf 5 ein Schritt S100 der Eingabe eines 3D-Modells, welches gemäß der Struktur der Sandform konstruiert wurde, durchgeführt. Danach wird der erste Leichtbau-Konstruktionsschritt 1LWS durchgeführt. Der erste Leichtbau-Konstruktionsschritt 1LWS schließt G1 S200, G2 S300 und G3 S400 gemäß der Struktur der Sandform ein, und die Schritte werden sequenziell durchgeführt. Danach wird ein Schritt S500 des Bestimmens, ob ein Versagen in der konstruierten ersten Leichtbau-Konstruktion erzeugt wurde, durchgeführt. Wenn die erste Leichtbau-Konstruktion einen vorbestimmten Bestimmungsreferenzwert nicht besteht, werden die G1-, G2- und G3-Schritte S200, S300 und S400 erneut durchgeführt. Andererseits, wenn die erste Leichtbau-Konstruktion den vorbestimmten Bestimmungsreferenzwert besteht, wird der zweite Leichtbau-Konstruktionsschritt 2LWS durchgeführt.
-
Der zweite Leichtbau-Konstruktionsschritt 2LWS schließt einen L1-Schritt S600 ein. Nach der Durchführung des L1-Schrittes S600 wird ein Schritt S700 des Bestimmens, ob ein Versagen in der konstruierten zweiten Leichtbau-Konstruktion erzeugt wurde, durchgeführt. Wenn die zweite Leichtbau-Konstruktion einen vorbestimmten Bestimmungsreferenzwert nicht besteht, wird der L1-Schritt S600 erneut durchgeführt. Andererseits, wenn die zweite Leichtbau-Konstruktion den vorbestimmten Bestimmungsreferenzwert besteht, wird ein Schritt S800 des Beendens des Leichtbau-Konstruktionsprogramms durchgeführt. Hier wird eine detaillierte Beschreibung zu den G1-, G2-, G3- und L1-Schritten S200, S300, S400 und S600 später unter Bezugnahme auf die 6 bis 9 beschrieben.
-
6 ist eine schematische Ansicht, welche eine Struktur einer Sandgussform nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
-
Unter Bezugnahme auf 6 schließt eine Sandgussform 100 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Empfindung eine obere Sandform 10 und eine untere Sandform 20 ein, und die obere Sandform 10 ist an der unteren Sandform 20 angeordnet. Ein Injektionsloch für geschmolzenes Metall 15, durch welches geschmolzenes Metall injiziert wird, ist in der oberen Sandform 10 definiert. Die Sandgussform 100 schließt einen Formhohlraum 30 ein, welcher erzeugt wird, während die obere Sandform und die untere Sandform 20 gekoppelt werden, und in welchen das geschmolzene Metall injiziert und gegossen wird. Der Formhohlraum 30 ist entlang des Injektionslochs 15 für geschmolzenes Metall kommuniziert und verbunden, und obwohl dies nicht in der Zeichnung gezeigt ist, kann eine Gasentlüftung, welche in der Lage ist, ein Gas während des Gießens abzulassen, an mindestens einem Abschnitt des Formhohlraums 30 definiert sein.
-
Da die Leichtbau-Konstruktion durch den ersten Leichtbau-Konstruktionsschritt 1LWS und den zweiten Leichtbau-Konstruktionsschritt 2LWS gemäß dem Leichtbau-Konstruktionsverfahren der in 7 veranschaulichten Sandgussform angewandt wird, kann die Sandgussform 100, in welcher ein erstes Leichtbaumuster (nicht gezeigt) und ein zweites Leichtbaumuster 50 gebildet sind, hergestellt werden.
-
Die 7 bis 9 sind schematische Ansichten, welche den Konstruktionsprozess gemäß der Struktur der Sandgussform veranschaulichen, welche in 6 veranschaulicht ist, um das Leichtbau-Konstruktionsverfahren der Sandgussform nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu erklären.
-
(a) und (b) von 7 sind Ergebnisse, welche durch die Durchführung der ersten Leichtbau-Konstruktion an der Sandgussform 100 in 6 erzielt wurden.
-
Unter Bezugnahme auf 6 wird die Leichtbau-Konstruktion auf einen G1-/G2- Bereich (siehe 2) angewandt, welcher durch eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie veranschaulicht ist, durch den G1-Schritt S200 und den G2-Schritt S300 von 7, und der G1-Schritt S200 ist ein Schritt des Steuerns des ersten Leichtbaumusters in Anbetracht einer Größe der Sandgussform 100. Der G2-Schritt S300 ist ein Schritt des Bestimmens, ob/wie viel Abstand von einer Sandformfläche, welche das geschmolzene Metall kontaktiert, zur Anwendung des ersten Leichtbaumusters beabstandet ist.
-
(a) von 7 ist eine Ansicht, welche exemplarisch den G1-/G2-Bereich der Sandgussform 100 veranschaulicht, auf welche das erste Leichtbaumuster vollständig angewandt wurde. (b) von 7 ist eine vergrößerte Ansicht, welche einen Bereich V in (a) von 3 veranschaulicht und eine Struktur eines ersten Leichtbaumusters 40 zeigt. Das erste Leichtbaumuster 40 besitzt eine Elementarzelle, welche eine Pore a und ein Verbindungsteil b zum Verbinden mindestens zweier Poren a aufweist, und wobei die Elementarzelle wiederholt in dem ersten Leichtbaumuster 40 gebildet ist.
-
Hier kann der G1-Schritt S200 des Steuerns des ersten Leichtbaumusters 40 eine Größe und einen maximalen Abstand zu einer äußeren Fläche eines jeden des leeren Raums a und des Verbindungsteils b in dem ersten Leichtbaumuster 40 anpassen. Durch diese Anpassung kann, wie in 1 veranschaulicht, das Muster, in welchem die Elementarzelle wiederholt gebildet ist, eines des kubisch-flächenzentrierten Systems, des kubisch-raumzentrierten Systems und des sechseckigen, eng gepackten Systems einschließen. Die Systeme sind die Art von Kristallstrukturen, durch welche kreisförmige Partikel mit maximaler Packung gefüllt sind, und das erste Leichtbaumuster 40 nach der vorliegenden Erfindung kann in einem der drei Systeme wie oben beschrieben gebildet werden, um mechanische Stabilität der Sandgussform 100 sicherzustellen.
-
Ebenso bestimmt der G2-Schritt S300 des Bestimmens, ob/wie viel Abstand von der Sandformoberfläche in Kontakt mit dem geschmolzenen Metall zum Anwenden des ersten Leichtbaumusters beabstandet ist, ob das erste Leichtbaumuster 40 auf einen um einen vorbestimmten Abstand ds von der Sandformoberfläche zum Inneren der Sandform beabstandeten Abschnitt angewandt wird, während das geschmolzene Metall in die Sandform injiziert wird.
-
Das Leichtbaumuster wird auf den G3-Schritt (siehe 6) angewandt, welcher durch eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie veranschaulicht ist, durch den G3-Schritt S400 von 5, und unter Bezugnahme auf 8, bestimmt der G3-Schritt S400 einen Strukturfaktor di zum Bestimmen eines Mindestvolumens, auf welches das erste Leichtbaumuster angewandt wird.
-
Der Strukturfaktor di, Referenzwert zum Bestimmen, ob ein Raum zum Anwenden des ersten Leichtbaumusters in einem willkürlichen Bereich der Sandgussform 100 a gesichert ist, stellt ein Mindestvolumen dar, auf welches das erste Leichtbaumuster angewandt wird.
-
Wenn beispielsweise eine vorspringende Musterstruktur in dem Formhohlraum 30 vorhanden ist, in welchen das geschmolzene Metall injiziert wird, wird anhand einer vergleichenden Analyse einer Breite d1 der vorspringenden Musterstruktur mit einer Größe des voreingestellten Strukturfaktors d1 bestimmt, ob das erste Leichtbaumuster auf die vorspringende Musterstruktur angewandt wird.
-
Wenn die Breite d1 der vorspringenden Musterstruktur kleiner als der Strukturfaktor di ist, kann das erste Leichtbaumuster nicht wie in 8 angewandt werden, da die Breite zu schmal ist, um das erste Leichtbaumuster zu bilden.
-
Nachdem die erste Leichtbau-Konstruktion abgeschlossen ist, wird die zweite Leichtbau-Konstruktion durchgeführt.
-
Das zweite Leichtbaumuster 50 wird auf den LI-Bereich angewandt (siehe 6), welcher durch eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie veranschaulicht ist, durch den L1-Schritt S600 von 7. Das zweite Leichtbaumuster 50 wird durch Entfernen mindestens eines Abschnitts der Sandgussform 100 gebildet.
-
Der L1-Schritt S600, als ein zweiter Leichtbau-Konstruktionsschritt, bestimmt, ob ein Abschnitt, in welchen das geschmolzene Metall nicht gefüllt wird und auf welchen eine vertikale Last W nicht aufgebracht wird, ein Abschnitt ist, aus welchem ein vorbestimmtes zu Volumen entfernbar ist, da ein Abstand von der Sandformoberfläche und der Innenfläche gesichert ist, basierend auf Simulationsergebnissen einer durch das geschmolzene Metall während des Gießprozesses aufgebrachten Last.
-
Unter Bezugnahme auf 9 wird die Last W des in den Formhohlraum 30 injizierten geschmolzenen Metalls mechanisch berechnet, um einen horizontalen Puffer 1 H1, einen horizontalen Puffer 2 H2 und einen vertikalen Puffer P zu bestimmen. Der Restbereich, mit Ausnahme des bestimmten horizontalen Puffers 1 H1, das horizontalen Puffers 2 H2 und des vertikalen Puffers P, ist eine Breite dL1 des entfernbaren Bereichs. Anschließend, da die Sandform in einem Zustand hergestellt wird, in welchem der entsprechende Abschnitt leer ist, um das hochpreisige Material nicht in dem Umfang der Breite dL1 des entfernbaren Bereichs im Zuge des 3D-Drucks zu vergeuden, wird das zweite Leichtbaumuster 50 in mindestens einem Abschnitt der Sandgussform 100 gebildet.
-
Wie oben beschrieben, wird die Form der Sandgussform unter Verwendung des Leichtbau-Konstruktionsverfahrens der Sandgussform nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung analysiert, um den entfernbaren Abschnitt vornehmlich in einem Abschnitt zu sichern, ohne die strukturelle Dichte rund um einen spezifischen Bereich zu haben. Anschließend wird der unnötige Abschnitt entfernt, und danach wird eine Überprüfung durch eine strukturelle mechanische Simulation durchgeführt, um die Herstellungskosten und die Verbrauchsmenge des hochpreisigen Materials im Zuge des 3D-Drucks effektiv zu reduzieren, wodurch die Anwendung des 3D-Druckverfahrens in dem typischen Gießprozess verbreitet wird und die Wettbewerbsfähigkeit der Gießtechnik gestärkt wird.
-
Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient der Veranschaulichung, und durchschnittliche Fachleute in dem technischen Gebiet der vorliegenden Erfindung werden verstehen, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, ohne die technische Idee oder wesentliche Eigenschaften zu ändern. Daher ist der tatsächliche Schutzumfang der vorliegenden Erfindung durch den technischen Anwendungsbereich der beigefügten Patentansprüche zu bestimmen.
-
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
-
Die vorliegende Erfindung kann im Herstellungsgebiet der durch 3D-Druck hergestellten Sandform verwendet werden.
