TW201817512A - 採用３ｄ打印殼模之塡砂造模方法 - Google Patents

Abstract

一種採用3D打印殼模之填砂造模方法，其方法係包含以下步驟：a)繪製圖案步驟：依據需求將視圖利用電腦繪製而成；b)打印殼模步驟：藉由繪製圖案步驟完成之檔案傳入3D陶瓷打印機中，並利用感光材料混合陶瓷材料打印一立體殼模，達到減少耗材之功能；c)填砂造模步驟：將固化之立體殼模放置於一箱體中，並填充一鑄造用砂於該箱體中之立體殼模外側，以致鑄造用砂可供該立體殼模所支撐，並留一灌料口，然後搖晃其箱體，致使箱體中之鑄造用砂完全密合；d)減壓澆鑄步驟：將需求之金屬原料加熱使其呈現液體狀態，並從灌料口灌入其立體殼模內部，令其冷卻，產生鑄件；e)振殼開模步驟：取出內部之鑄件，並加以修整，得到一成品；及f)回收鑄造用砂步驟：將使用完畢之鑄造用砂回收，俾達到模具之快速製作、減少耗材與汙染之功效。

Description

採用3D打印殼模之填砂造模方法

本發明係關於一種鑄造方法，尤指一種利用其3D打印機替換該脫蠟陶瓷模具之複雜繁瑣的製程，並呈現脫臘鑄造之精密度，配合砂模鑄造之方式支撐其模具，使其達到減去繁瑣的製程，進一步減少耗材及汙染之方法者。

按，鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史，在中國地區的史前人類約在公元前1700~前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的水準。

鑄造是指將加熱後變成液態的物質，在融化狀態時將其倒入預先做好的鑄造模內，待其冷卻凝固後取出即得所需之鑄件。被鑄物質多為固態，但加熱至液態的金屬(例：銅、鐵、鋁、錫、鉛等)，而鑄模的材料可以是砂、金屬甚至陶瓷。因應不同要求，使用的方法也會有所不同。

而鑄造中根據需求更有砂模鑄造法、脫臘鑄造法等方式，而該砂模鑄造法利用高耐熱之碤砂作為鑄模材料，好處是成本較低，因為鑄模所使用的砂可重複使用；缺點是鑄模製作耗時，且鑄模本身不能被重複使用，須破壞後才能取得成品；又該脫蠟鑄造法，先以蠟複製所需要鑄造的物件， 然後浸入含陶瓷的池中並待乾，使以蠟製的複製品覆上一層陶瓷外膜，一直重複步驟直到外膜足以支持鑄造過程(約4毫米至8毫米間)，接著熔解模中的蠟，並抽離鑄模。其後鑄模需要多次加以高溫，增強硬度後方可用以鑄造，此方法具有良好的準確性，但製作過程需要多次複雜之加工，而目前的脫蠟鑄造法，在燒結處理、清砂處理會產生污染；同時，殼模的製作也非常複雜，直接影響了生產效率的低下。

另一方面，3D打印，又稱為增量製造、基層製造，在20世紀70年代後期，出現了多樣不同的3D打印方法，並隨著時代進步，以致許多增量技術逐漸投入使用。不同增量工藝主要區別在於層疊方法和使用的材料。有些工藝透過熔化或軟化材料分層，例如選擇性雷射熔化技術或直接金屬雷射燒結術、選擇性雷射燒結術、熔融沉積成型、或熔絲製造。

還有些工藝運用不同技術加工液體原料，例如立體光刻技術(SLA)。在分層實體製造技術下，原材料(紙張，聚合物，金屬等)被分層以供重組。每種增量工藝都有自身的優缺點，因此一些公司開始同時供應粉末與聚合物原材料以供不同的工藝選擇。

然，就上述習知而言，可知曉砂模鑄造法所鑄造之模具，儘管使用之材料便宜，但製作上費時費工，而脫蠟鑄造法需以蠟複製所需要鑄造的物件，複製完成時該複製之物件其整體需要加以修飾，然後浸入含陶瓷的池中並待其乾燥，使以蠟製的複製品覆上一層陶瓷外膜，一直重 複步驟直到外膜足以支持鑄造過程，大約4毫米至8毫米間，其整體過程冗長且複雜，然後熔解模中的蠟，並抽離鑄模。其後鑄模需要多次加以高溫，增強硬度後才能用以鑄造，因此製作過程需要多次複雜之加工，故成本頗為昂貴，且費時費力，均相當不便，而亟待加以改良。

本發明之主要目的係在於：利用其3D打印機替換該脫蠟陶瓷模具之複雜繁瑣的製程，並呈現脫臘鑄造之精密度，配合砂模鑄造之方式支撐其模具，使其達到減去繁瑣的製程，進一步減少耗材及汙染之方法者。

本發明提供一種採用3D打印殼模之填砂造模方法，其方法係包含以下步驟：a)繪製圖案步驟：依據需求將視圖利用電腦繪製而成，並藉由電腦轉換檔案；b)打印殼模步驟：藉由繪製圖案之步驟而將轉換完成之檔案傳入3D陶瓷打印機中，使其依照該轉換完成之檔案，計算其燒結時之收縮率調整尺寸，並利用感光材料混合陶瓷材料打印一立體殼模，進一步燒結固化，其殼膜厚度介於0.2毫米~7.0毫米間，以達到減少耗材之功能；c)填砂造模步驟：將固化之立體殼模放置於一箱體中，並填充一鑄造用砂於該箱體中之立體殼模外側，而該鑄造用砂選用之粒徑目數介於1目~1000目間，其鑄造用砂之氧化物與金屬物比重介於1~20間，以致鑄造用砂可供該立體殼模所支撐，其鑄造用砂可承受之耐溫度介於200℃~2000 ℃間，並留一灌料口，然後以機械方式搖晃其箱體或真空吸引方式將空氣抽離箱體，致使箱體中之鑄造用砂完全密合壓實，大幅提升立體殼模之堅固性；d)減壓澆鑄步驟：將需求之金屬原料加熱使其呈現液體狀態，根據所需之物件係選用大氣爐及真空爐進行真空澆鑄作業及大氣澆鑄作業，並從灌料口灌入其立體殼模內部，令其冷卻固化，進而產生鑄件；e)振殼開模步驟：將固化完成之鑄件連同立體殼模取出，並用以機械方式或人力方式將其立體殼模振碎開模，取出內部之鑄件，並加以修整切除多餘之剩料，得到一成品；及f)回收鑄造用砂步驟：將使用完畢之鑄造用砂回收，以利下次鑄造時使用，其中有磁性之鑄造用砂更可用以電磁吸引方式快速分離整體鑄造用砂；其中至步驟2)時，該打印材料中的陶瓷材料係包括：氧化鋯、氧化鋁、磷酸三鈣或羥基磷灰石之任一者或其組合所組成；其中至步驟4)時，該立體殼模更可用於熔解澆鑄；其中該鑄造用砂，係選自碤砂及鉻砂任一者或其組合所組成；其中該鑄造用砂，係以圓形、長方形、三角形或多邊形之幾何型態所呈現；其中該3D打印機係選自可供陶瓷材料及感光樹脂混合物使用的3D打印機。

本發明之採用3D打印殼模之填砂造模方法，其達到功效在於：a)繪製圖案步驟：依據需求將視圖利用電腦繪製而成，並藉由電腦轉換檔案；b)打印殼模步驟：藉由繪製圖案之步驟而將轉換完成之檔案傳入3D陶瓷打印機中，使其依照該轉換完成之檔案，計算其燒結時之收縮率調整尺寸，並利用感光材料混合陶瓷材料打印一立體殼模，進一步燒結固化，其殼膜厚度介於0.2毫米~7.0毫米間，以達到減少耗材之功能；c)填砂造模步驟：將固化之立體殼模放置於一箱體中，並填充一鑄造用砂於該箱體中之立體殼模外側，而該鑄造用砂選用之粒徑目數介於1目~1000目間，其鑄造用砂之氧化物與金屬物比重介於1~20間，以致鑄造用砂可供該立體殼模所支撐，其鑄造用砂可承受之耐溫度介於200℃~2000℃間，並留一灌料口，然後以機械方式搖晃其箱體或真空吸引方式將空氣抽離箱體，致使箱體中之鑄造用砂完全密合壓實，大幅提升立體殼模之堅固性；d)減壓澆鑄步驟：將需求之金屬原料加熱使其呈現液體狀態，根據所需之物件係選用大氣爐及真空爐進行真空澆鑄作業及大氣澆鑄作業，並從灌料口灌入其立體殼模內部，令其冷卻固化，進而產生鑄件；e)振殼開模步驟：將固化完成之鑄件連同立體殼模取出，回收其鑄造用砂，並用以機械方式或人力方式將其立體殼模振碎開模，取出內部之鑄 件，並加以修整切除多餘之剩料，得到一成品；及f)回收鑄造用砂步驟：將使用完畢之鑄造用砂回收，以利下次鑄造時使用，其中有磁性之鑄造用砂更可用以電磁吸引方式快速分離整體鑄造用砂；上述之製作過程提供一種藉由前述3D打印機，來替換該脫蠟鑄造之製模程序，並藉由砂模鑄造方式來使其更為完善之鑄造方法，藉由3D打印機改變陶瓷模具之製作方式，省去脫蠟陶瓷模具製作之繁瑣步驟，且藉由打印之殼模的厚度縮減至0.2毫米~7.0毫米，減少耗材，更減少汙染，並埋入鑄造用砂，用以支撐該陶瓷模具，更能於使用完成後加以回收利用，致使該陶瓷模具於3D打印機製作時可以省去多於材料，並於鑄造完成時達到陶瓷模具特有的精密度，而該些箱體之鑄造用砂更可加以回收重複使用，俾達到模具之快速製作、減少耗耗材與汙染之功效。

S1~S6‧‧‧流程步驟

1‧‧‧電腦

2‧‧‧3D打印機

3‧‧‧立體殼模

31‧‧‧灌料口

4‧‧‧箱體

41‧‧‧鑄造用砂

5‧‧‧金屬原料

6‧‧‧鑄件

61‧‧‧成品

62‧‧‧剩料

第1圖係本發明之採用3D打印殼模之填砂造模方法之流程圖。

第2圖係本發明之採用3D打印殼模之填砂造模方法之詳述流程圖。

第3圖係本發明之立體殼模之製作示意圖。

第4圖係本發明之立體殼模之填砂造模步驟示意圖。

第5圖係本發明之立體殼模之減壓澆鑄步驟示意圖。

第6圖係本發明之立體殼模之振殼開模步驟示意圖。

第7圖係本發明之振殼開模步驟之鑄件修整示意圖。

為使貴審查人員對本發明目的、特徵及功效能夠有更進一步之了解，以下茲請配合本發明之【圖式簡單說明】詳述如后：請參閱第1圖至第2圖所示，為本發明「採用3D打印殼模之填砂造模方法」之流程圖；其中該方法，包括下列步驟：步驟S1：繪製圖案步驟：依據需求將視圖利用該電腦1繪製而成，並藉由電腦轉換檔案傳送至該3D打印機2中；步驟S2：打印殼模步驟：藉由繪製圖案之步驟的該電腦1轉換之檔案傳入該3D打印機2中，使其依照該轉換完成之檔案，並計算其燒結時之收縮率調整尺寸，利用感光材料混合陶瓷材料打印一立體殼模3，其中打印該立體殼模3時，可進一步燒結成型，或是於打印完成後再進行燒結，使該立體殼模3固化穩固定型，而該立體殼模3之厚度介於0.2~7.0毫米間，達到減少耗材之功能，具有脫蠟造模之精密度，其中該3D打印機2之材料中的陶瓷材料係包括：氧化鋁、氧化鋯、磷酸三鈣或羥基磷灰石之任一者或其組合所組成；步驟S3：填砂造模步驟：將固化之立體殼模3放置於一箱體4中，並填充一鑄造用砂41於該箱體4中之立體殼模3外側，而該鑄造用砂選用之粒徑目數介於1目~1000目間，其鑄造用砂41之氧化物與金屬物比重介於1~20間，以致鑄造用砂41可供該立體殼模3所支撐，而不會令 該鑄造用砂41之間空隙過大，使其鑄造該立體殼模3而破裂、變形，該鑄造用砂41可承受之耐溫度介於200℃~2000℃間，使其鑄造時支撐該立體殼模3不會因溫度過高而熔化或軟化，導致支撐力不足，並留一灌料口31，用以供鑄造時令該金屬原料5經由該灌料口31流入，然後以機械方式搖晃其箱體4或真空吸引方式將空氣抽離箱體4，至使該箱體4中之鑄造用砂41更為密合壓實，大幅提高鑄造用砂41之密度，以提升該立體殼模3之堅固性；步驟S4：減壓澆鑄步驟：將需求之一金屬原料5加熱使其呈現液體狀態，根據所需之物件係可選用大氣爐或真空爐進行真空澆鑄作業及大氣澆鑄作業，並從該灌料口31灌入其該立體殼模3內部，令其冷卻固化，進而產生鑄件6；步驟S5：振殼開模步驟：將固化完成之鑄件6連同該立體殼模3自箱體4中取出，並用以機械方式或人力方式將其立體殼模3振碎開模，取出內部之鑄件6，並加以修整切除多餘之剩料62，得到一成品61；及步驟S6：回收鑄造用砂步驟：將使用完畢之鑄造用砂41回收，以利下次鑄造時使用，其中有磁性之鑄造用砂41更可用以電磁吸引方式快速分離整體鑄造用砂41。

藉由以上所述，茲更進一步詳述如后：其中至前述步驟S2)時，該3D打印機2之材料中的陶瓷材料係包括：氧化鋯、氧化鋁、磷酸三鈣或羥基磷灰石之任一者或其組合所組成。 其中至前述步驟S4)時，該立體殼模3更可用於熔解澆鑄；前述該鑄造用砂41，係選自碤砂及鉻砂任一者或其組合所組成；前述該鑄造用砂41，係以圓形、長方形、三角形或多邊形之幾何型態所呈現；前述該3D打印機2係選自可供陶瓷材料及感光樹脂混合物使用的3D打印機；藉由以上方法所述，續請參閱第3圖至第7圖所示，為本發明「採用3D打印殼模之填砂造模方法」之實施狀態示意圖，茲更進一步說明如后：依據所鑄造之物品將視圖利用該電腦1繪製而成，其中繪製軟體係選用以CAD等繪圖軟體加以繪製，並將其檔案傳送至該3D打印機2中(如第3圖所示)，其中該3D打印機2係選自可供陶瓷材料及感光樹脂混合物使用之3D打印機2，並利用陶瓷材料配合感光樹脂之可塑性打印該立體殼模3；藉由繪製圖案步驟的檔案傳入該3D打印機2中，使其依照該傳入之資料，進一步針對鑄造之材料計算其燒結時之收縮率調整尺寸，並利用陶瓷材料配合感光樹脂之可塑性打印其立體殼模3；而該立體殼模3，需藉由該3D打印機2或是以其他機械或人力方式燒結成型，而燒結時將塑形之感光樹脂熔解清除，使其立體殼模3藉陶瓷材料之燒結固化定型，且該立體殼模3之厚度介於0.2~7.0毫米間，具有脫蠟造模之精密度；由於固化之立體殼模3於鑄造時仍不足以支撐其過程，所以將該立體 殼模3放置於一箱體4中，並填充一鑄造用砂41於該箱體4中之立體模殼3外側，該鑄造用砂41係選用之粒徑目數介於1目~1000目間，其鑄造用砂41之氧化物與金屬物比重介於1~20間，以致鑄造用砂可供該立體殼模3所支撐，其粒徑目數與比重過大可能導致支撐力度不足，而過小可能導致其密度不足產生空隙，致使鑄造中產生該立體殼膜3破裂或變形，而不會因該鑄造用砂41間之空隙過大，使其鑄造中產生該立體殼模3破裂、變形，其鑄造用砂41可承受之耐溫度介於200℃~2000℃間，使其鑄造時支撐該立體殼模3不會因溫度過高而熔化或軟化，導致支撐力不足，並留一灌料口31，然後以機械方式搖晃其箱體4或真空吸引方式將空氣抽離箱體4，致使該箱體4之鑄造用砂41更為密合緊實，大幅提升其密度，並提升該立體殼模3之堅固性；將需求之金屬原料5加熱使其呈現液體狀態，根據所需之物件係選用大氣爐及真空爐進行真空澆鑄作業及大氣澆鑄作業，並經由該立體殼模3之灌料口31灌入其立體模殼3內部，，令其冷卻固化，進而產生鑄件6；將固化完成之鑄件6連同立體殼模3自箱體4取出，並用以機械方式或人力方式將其立體殼模3振碎開模，取出內部之鑄件6，並加以修整切除之剩料62，再根據需求之表面光滑度進行拋光，得到一成品61；及將上述使用完畢之鑄造用砂41回收，以利下次鑄造時使用，其中有磁性之鑄造用砂更可用以電磁吸引方式快速分離整體鑄造用砂；藉此，係提供舊有技術作為比較，鑄造中根據需求有砂模鑄造法、脫 臘鑄造法等方式，而該砂模鑄造法利用高耐熱之碤砂作為鑄模材料，好處是成本較低，因為鑄模所使用的砂可重複使用；缺點是鑄模製作耗時，且鑄模本身不能被重複使用，須破壞後才能取得成品61；又該脫蠟鑄造法，先以蠟複製所需要鑄造的物件，然後浸入含陶瓷的池中並待乾，使以蠟製的複製品覆上一層陶瓷外膜，一直重複步驟直到外膜足以支持鑄造過程(約4毫米到8毫米間)，其重複過程實是耗費大量時間及大量成本，接著熔解模中的蠟，並抽離鑄模。其後鑄模需要多次加以高溫，增強硬度後方可用以鑄造，此方法具有良好的準確性，但製作過程需要多次複雜之加工，且製作成本上過於高昂，而目前的脫蠟鑄造法，在殼模的燒結處理時產生之污染量大；同時，殼模的製作也非常複雜，更是直接影響了生產效率的低下。

至此，上述之製作過程與舊有技術之敘述中，可知所達到功效在於：提供一種藉由前述該3D打印機2，來替換該脫蠟鑄造之製模程序，並藉由砂模鑄造方式來使其更為完善之鑄造方法，藉由該3D打印機2改變陶瓷模具之製作方式，省去脫蠟陶瓷模具製作之繁瑣步驟，且藉由打印之立體殼模3的厚度減縮，減少耗材，更減少汙染，並埋入鑄造用砂41，用以支撐該陶瓷模具，更能於使用完成後加以回收利用，致使該陶瓷模具於3D打印機2製作時可以省去多於材料，並於鑄造完成時達到陶瓷模具特有的精密度，而該些箱體4之鑄造用砂41更可加以回收重複使用，俾達到模具之快速製作、減少耗耗材與汙染之功效。

綜上所述，當知本發明確實可為相關產業懭為利用，極具有進步性與新穎性，且發明於申請前未見公開，以符合專利法之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請 鈞局明察，惠准專利，實為感禱。

惟以上所述者，僅為本發明之其中較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (6)

1. 一種採用3D打印殼模之填砂造模方法，其方法係包含以下步驟：a)繪製圖案步驟：依據需求將視圖利用電腦繪製而成，並藉由電腦轉換檔案；b)打印殼模步驟：藉由繪製圖案之步驟而將轉換完成之檔案傳入3D陶瓷打印機中，使其依照該轉換完成之檔案，計算其燒結時之收縮率調整尺寸，並利用感光材料混合陶瓷材料打印一立體殼模，進一步燒結固化，其殼膜厚度介於0.2毫米~7.0毫米間，以達到減少耗材之功能；c)填砂造模步驟：將固化之立體殼模放置於一箱體中，並填充一鑄造用砂於該箱體中之立體殼模外側，而該鑄造用砂選用之粒徑目數介於1目~1000目間，其鑄造用砂之氧化物與金屬物比重介於1~20間，以致鑄造用砂可供該立體殼模所支撐，其鑄造用砂可承受之耐溫度介於200℃~2000℃間，並留一灌料口，然後以機械方式搖晃該箱體或真空吸引方式將空氣抽離箱體，致使箱體中之鑄造用砂完全密合壓實，大幅提升立體殼模之堅固性；d)減壓澆鑄步驟：將需求之金屬原料加熱使其呈現液體狀態，根據所需之物件係選用大氣爐及真空爐進行真空澆鑄作業及大氣澆鑄作業，並從灌料口灌入其立體殼模內部，令其冷卻固化，進而產生鑄件；e)振殼開模步驟：將固化完成之鑄件連同立體殼模取出，並用以機械方式或人力方式將其立體殼模振碎開模，取出內部之鑄件，並加以修整切除多餘之剩料，得到一成品；及 f)回收鑄造用砂步驟：將使用完畢之鑄造用砂回收，以利下次鑄造時使用，其中有磁性之鑄造用砂更可用以電磁吸引方式快速分離整體鑄造用砂。
2. 如請求項1所述採用3D打印殼模之填砂造模方法，其中至步驟b)時，該打印材料中的陶瓷材料係包括：氧化鋯、氧化鋁、磷酸三鈣或羥基磷灰石之任一者或其組合所組成。
3. 如請求項1所述採用3D打印殼模之填砂造模方法，其中至步驟d)時，該立體殼模更可用於熔解澆鑄。
4. 如請求項1所述採用3D打印殼模之填砂造模方法，其中該鑄造用砂，係選自碤砂及鉻砂任一者或其組合所組成。
5. 如請求項1所述採用3D打印殼模之填砂造模方法，其中該鑄造用砂，係以圓形、長方形、三角形或多邊形之幾何型態所呈現。
6. 如請求項1所述採用3D打印殼模之填砂造模方法，其中該3D打印機係選自可供陶瓷材料及感光樹脂混合物使用的3D打印機。