TWI661879B - 採用雙薄殼模工藝的鑄造方法 - Google Patents

Abstract

本發明涉及3D打印技術與鑄造工藝領域，是一種採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，包括製作薄殼模的3D打印機和相應的計算機；具體為利用3D打印技術打印出薄殼模，其壁厚不超過2毫米，再利用精密鑄造工藝中的浸漿流程，製造出耐高溫的外殼模，經填砂加固後，利用物理或化學的方法清除薄殼模，再進行澆鑄和後處理，製得成品；藉此，提供一種採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，係利用3D打印機製作薄殼模可以讓生產標準化，3D打印技術和脫蠟鑄造工藝結合起來，獲得更易操作且生產成本降低且更環保節能的製造工藝。

Description

採用雙薄殼模工藝的鑄造方法

本發明涉及3D打印技術與鑄造工藝領域，具體為一種採用雙薄殼模工藝的鑄造方法。

按，脫蠟鑄造是精密鑄造的一種，在傳統脫蠟鑄造中，通常會有很多步驟；對此，在中國發明公開號CN 105834360 B的「一種採用3D打印製作殼模的鑄造方法」中明確記載了在傳統脫蠟鑄造工藝中製造殼模的方法，一般是使用石蠟等材料製作成蠟模，再將蠟模透過多層浸漿或者噴漿的方法讓蠟模的外表面有一層殼模；隨後等待此殼模硬化後，利用溫度使固態蠟變成液體流出，可用於澆鑄的耐高溫殼模就完成了；傳統脫蠟鑄造工藝非常複雜，並且在脫蠟、燒結、清砂工序中會產生污染，同時蠟模的製造過程需要進行人工「組樹」，導致生產效率低下；且蠟模是實心的，假如殼模太薄，在脫蠟的過程中，殼模就很容易因蠟模的熱漲冷縮而破裂，所以一般要求殼模厚度要在6到8毫米之間；在這件對比文件中，僅僅提及到使用3D打印機打印耐高溫薄殼模的方法，但此技術方案中燒結是個難點，因為這個3D打印出來的薄殼模在高溫脫脂與陶 瓷緻密的過程中，升降溫曲線不易取得，縮收比例不均勻，造成變形、破裂等問題難以克服。

對比，在經過檢索後，還有一件近似的對比文件，在中國發明公開號CN 106964757 A的「一種採用3D打印機製作工藝品的鑄造方法」，該申請文件中，同樣也指出了利用3D打印機製作耐高溫薄殼模作為鑄造型腔的方法，但是對於利用3D打印機先製作薄殼模，然後再利用浸漿工序製造出耐高溫的鑄造型腔的方法沒有提及。

然，據上述可得知，一方面，傳統脫蠟鑄造工藝製作的殼模，存在製作流程繁瑣和複雜，成本較高的缺點；且因殼模較厚，對後續震殼、清砂，耗能高且污染大；另一方面，利用3D打印機打印耐高溫的薄殼模，其在燒結過程中，易造成變形、破裂等問題難以克服。

為了更好的解決上述的兩個問題，本發明人有鑑於此，並且依據多年從事此領域的相關經驗，細心觀察及研究，並配合學理運用，進而提出一種合理且有效之本發明。

本發明之目的在於提供一種採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，以解決上述先前技術中提出的問題。

本發明之一種採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，包括：薄殼模專用的3D打印機和相應配套的計算機，其特徵在於：步驟一：將產品的圖紙或照片輸入計算機中進行繪製和建模，構造出薄殼模的3D模型，並且對此3D模型的結構進行有限元分析，增加內壁補償量； 步驟二：將計算機製作完成的3D模型數據輸入到薄殼模專用的3D打印機內，並以相應的打印材料進行薄殼模的打印工作，將薄殼模打印完成；步驟三：對所述打印完成後的薄殼模，將薄殼模單獨進行外表面光滑處理，更有利於後續的噴漿和(或)浸漿；步驟四：將薄殼模經多層浸漿或噴漿的製殼流程，製造出耐高溫的外殼模，形成雙層殼模；步驟五：將雙層殼模放入砂箱中進行填砂加固處理；步驟六：對由薄殼模和外殼模構成的雙層殼模利用物理或化學的方法，對薄殼模進行清除處理；步驟七：對砂箱裡的外殼模進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；步驟八：對所述成型的物件進行震殼、清砂等後處理，最後得到所要的成品。

其中在步驟三將薄殼模光滑處理之前，先將薄殼模固定在3D打印機上的支架去掉，保證薄殼模是單獨的物體；其中在步驟三中外表面光滑處理步驟中，包括超聲波清洗劑和(或)紫外線照射燈；其中3D打印機和打印材料分別是：LCD光固化打印機和光固化樹脂材料、FDM打印機和塑料、DLP光固化打印機和光固化陶瓷樹脂材料、SLA光固化打印機和樹脂蠟材料或FDM打印機和塑料；其中在步驟六中，將有蓋子的砂箱放入有通風系統的旋轉燒結爐中，以正轉360°，再反轉360°的方式旋轉，且以每小時300°的升溫速度，升溫到700°後，保持一個小時，使薄殼模完全氣化； 其中在步驟六中，將含有甲苯的溶液由澆口注入薄殼模中，放置4小時，使薄殼模完全被分解，再把外殼模內的液體清除；其中在步驟六中，將此有雙層殼模的砂箱放入有通風系統的燒結爐中，澆口朝上，以每小時50°至400°的升溫速度，開始升溫到150°至1000°，保持30分鐘至1小時，破壞薄殼模的完整性，再降至室溫，清除外殼模內的雜質；其中薄殼模的厚度不超過2mm。

本發明之主要目的功效在於：利用3D打印機製作薄殼模可以讓生產標準化、還可以增加薄殼模內部整體結構連接強度，便於後續的浸漿和去除薄殼模的作業，另外，外殼模的厚度很薄，可以降低震殼、清砂的強度，減少污染，提高生產效率。

〔本發明〕

1‧‧‧薄殼模

2‧‧‧外殼模

3‧‧‧補償量

第1圖係本發明中薄殼模內壁補償量之示意圖。

為使貴審查委員對本發明目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合〔圖式簡單說明〕詳述如后：請參閱第1圖所示，為本發明「採用雙薄殼模工藝的鑄造方法」，係包括：薄殼模1、外殼模2及補償量3；步驟一：將產品的圖紙或照片輸入計算機中進行繪製和建模，構造出薄殼模1的3D模型，並且對此3D模型的結構進行有限元分析，增加內壁補償量3， 以消除整體結構連接強度不夠的隱患；必要的有限元分析，可以更好的設計出整體結構穩定、連接結實的薄殼模1整體設計以及空腔內部的支架設計，特別是針對於如圖1中外輪廓不規則，並且內部是空腔的結構，利用有限元分析可以透過增減和槓桿原理的方式，逐漸改變薄殼模1層與層之間的連接強度，便於後續浸漿和清除薄殼模1的作業；其中，在步驟一所述薄殼模1的厚度不超過2mm；步驟二：將計算機製作完成的3D模型數據輸入到薄殼模1專用的3D打印機內，並以相應的打印材料進行薄殼模1的打印工作，將薄殼模1打印完成；其中，所述的3D打印機的打印材料包括：塑膠、樹脂蠟、光敏樹脂或樹脂陶瓷材料；其中，所述的3D打印機包括：LCD、DLP或SLA光固化打印機或FDM打印機；另外，補償量3在逐層打印的時候與薄殼模1腔體輪廓內壁呈一體，形成薄殼模1的一部分；步驟三：對所述打印完成後的薄殼模1，將薄殼模1單獨進行外表面光滑處理，更有利於後續的噴漿和(或)浸漿；在打印完成後，薄殼模1的外表面由於是堆積層疊構成的，在微觀的觀察下，會發現具有高低起伏的波紋，而這些波紋對於後面利用薄殼模1製作外殼模2的內壁是有影響的，因此適當透過高溫軟化的方法，把薄殼模1的外表面尖銳的部分自動形成一些圓角；為了更好的讓薄殼模1高溫下軟化，還需要步驟三中將薄殼模1光滑處理之前，先將薄殼模1固定在3D打印機上的支架去掉；保證薄殼模1是單獨的物 體；這樣在薄殼模1表面軟化的時候，不會因為其他支架與薄殼模1接觸，影響了薄殼模1的外表面；更可進一步地，在步驟三中的外表面光滑處理步驟，可包括超聲波清洗和(或)紫外線照射；步驟四：將薄殼模1經多層浸漿或噴漿的製殼流程，製造出耐高溫的外殼模2，形成雙層殼模；更具體的說，把此薄殼模1先經清洗、乾燥後，浸入鋯漿中，然後再噴上鋯砂，形成第一層殼，放置乾燥後，再以相同或不同的漿料，進行第二層和(或)第三層的製殼流程，最後對外殼模2浸入漿料中進行封漿；更具體的說，浸漿的漿料主要為鋯漿和莫來漿，鋯砂和莫來砂；更進一步說，鋯漿主要是由矽膠、鋯粉、滲透劑、消泡劑所混合的漿料；莫來漿主要是由矽膠、莫來粉、滲透劑、消泡劑所混合的漿料；其中，在步驟四所述外殼模2的厚度約1~3mm之間；步驟五：將雙層殼模放入砂箱中進行填砂加固處理；在本步驟中，由於外殼模2可能無法直接承受薄殼模1的熱脹冷縮，可能會因高溫氣化、液化或粉末化薄殼模1而導致外殼模2破裂，所以需要將此雙層殼模進行填砂加固處理，即，將雙層殼模澆口朝上，放入砂箱中，注入細砂，並對砂箱進行震動，令雙層殼模外部的砂子緊實；更進一步的，當砂箱內的砂子緊實後，可以加一個砂箱蓋子，在蓋子上輕輕用力向下壓，使砂箱內部的砂子更緊實；此砂箱蓋子要預留好一個洞，這洞和雙層殼模的澆口密合，讓澆口高出箱蓋約1公分； 對於填砂來說，可以使用鋯砂、莫來砂、矽砂等耐火材料及鐵砂、銅砂、鋁沙等金屬，其形狀為圓型、多角型；步驟六：對砂箱裡的薄殼模1和外殼模2構成的雙層殼模利用物理或化學的方法，對薄殼模1進行清除處理；對於上述中物理方法除了可以用高溫氣化、液化或粉末化外，還可以使用溶液讓薄殼模1溶解；而化學方法，主要用化學溶劑與薄殼模1反應溶解，具體來說可以使用甲苯等有機溶劑；更具體的說，高溫氣化、液化或粉末化的設備為具有通風系統的燒結爐或旋轉燒結爐；步驟七：對砂箱裡的外殼模2進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；更具體的說，若在大氣環境中進行澆鑄，需先把砂箱放入1000°左右的燒結爐中，加熱一段時間後從燒結爐中取出，將熔融的原料從澆口倒入；若使用密閉爐進行燒結澆鑄，依密閉爐的使用方式，把砂箱放入密閉爐中，進行澆鑄作業；步驟八：對所述成型的物件進行震殼、清砂等後處理，最後得到所要的成品；對於上述步驟來說，還可以有一種操作方式：將薄殼模1外表面經過多層浸漿和(或)噴漿後形成的外殼模2和薄殼模1，直接經高溫氣化、液化或粉末化等方式，讓薄殼模1消失，再放入砂箱中進行填砂加固處理，然後在常壓、真空或負壓環境中澆鑄，最後將澆鑄物從外殼模2中取出；也就是說，對於雙層殼模來說，可以先以物理或化學的方法來去除薄殼模1，再填砂加固； 對於使用不同的3D打印機和打印材料，以及使用具體的3D打印材料所涉及的薄殼模1去除方式和浸漿方法，具體而言可以有以下的實施例：實施例一：其具體的操作方法：1、製出1mm厚度的薄殼模1的3D模型，以及內壁補償量3；2、利用LCD光固化打印機和光固化樹脂材料，打印出薄殼模1；3、進行以下表面光滑處理：先去除薄殼模1的外支架，做超聲波清潔，再進行UV照射，原則上，照射的時間和打印的時間相同；4、經以下3層的浸漿處理後，製作出外殼模2；第一層：鋯漿+鋯砂

第二層：鋯漿+鋯砂

第三層：莫來漿+莫來細砂

封漿：莫來漿

5、把雙層殼模放入砂箱中進行填砂加固工序，加上砂箱蓋子，使澆口露出箱蓋約1公分；6、將此有蓋子的砂箱放入有通風系統的旋轉燒結爐中，以正轉360°，再反轉360°的方式旋轉，且以每小時300°的升溫速度，升溫到700°後，保持一個小時，使薄殼模1完全氣化；7、對砂箱裡的外殼模2進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；8、對所述澆鑄成型的物件進行後處理，得到成品。

實施例二： 其具體的操作方法：1、製出1.5mm厚度的薄殼模1的3D模型，以及內壁補償量3；2、利用FDM打印機和塑料，打印出薄殼模1；3、進行以下表面光滑處理：去除薄殼模1的外部支架；4、經以下2層浸漿處理後，製作出外殼模2；第一層：鋯漿+鋯砂

第二層：莫來漿+莫來細砂

封漿：莫來漿

5、放入砂箱中進行填砂加固工序；6、將此雙層殼模，放入有通風系統的燒結爐中，澆口朝上以每小時400°的升溫速度，升溫到1000°後，保持1個小時，使薄殼模1完全氣化；7、對砂箱裡的外殼模2進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；8、對所述澆鑄成型的物件進行後處理，得到成品。

實施例三：其具體的操作方法：1、製出1mm厚度的薄殼模1的3D模型，以及內壁補償量3；2、利用DLP光固化打印機和光固化陶瓷樹脂材料，打印出薄殼模1；3、進行如下表面光滑處理：先進行超聲波清潔，再進行UV照射，原則上，照射的時間和打印的時間相同；4、經以下2層浸漿處理後，製作出外殼模2，而形成雙層殼模； 第一層：鋯漿+鋯砂

第二層：鋯漿+鋯砂

封漿：莫來漿

5、將雙層殼模放入砂箱內，進行填砂加固工序；6、將此有雙層殼模的砂箱放入有通風系統的燒結爐中，澆口朝上，以每小時50°的升溫速度，開始升溫到700°，保持1小時，使薄殼模1變化成粉末狀，降至室溫，清除外殼模2內的粉末；7、對砂箱裡的外殼模2進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；8、對所述澆鑄成型的物件進行震殼、清砂等後處理，得到成品。

實施例四：其具體的操作方法：1、製出2mm厚度的薄殼模1的3D模型，以及內壁補償量3；2、利用SLA光固化打印機和樹脂蠟材料，打印出薄殼模1；3、進行以下的表面光滑處理：先做超聲波清潔，再進行UV照射，原則上，照射的時間和打印的時間相同；4、經以下3層的浸漿處理後，製作出外殼模2；第一層：鋯漿+鋯砂

第二層：莫來漿+莫來細砂

第三層：莫來漿+莫來粗砂

封漿：莫來漿

5、將此雙層殼模放入砂箱中，澆口朝下，以每小時200°的升溫速度， 升溫到150°，保持30分鐘，使薄殼模1完全液化流出；6、對雙層殼模剩餘之外殼模2進行填砂工序；7、對砂箱裡的外殼模2進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；8、對所述澆鑄成型的物件進行後處理，得到成品。

實施例五：其具體的操作方法：1、製出1mm厚度的薄殼模1的3D模型，以及內壁補償量3；2、利用FDM打印機和塑料，打印出薄殼模1；3、進行以下的表面光滑處理：去除薄殼模1的外部支架；4、經以下2層的浸漿處理後，製作出外殼模2；第一層：鋯漿+鋯砂

第二層：莫來漿+莫來砂

封漿：莫來漿

5、將含有甲苯的溶液由澆口注入薄殼模1中，放置4小時，使薄殼模1完全被分解，再把外殼模2內的液體清除；6、將此外殼模2放入砂箱中，進行填砂工序；7、對砂箱裡的外殼模2進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；9、對所述澆鑄成型的物件進行後處理，得到成品。

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 (8)

1. 一種採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，包括：薄殼模專用的3D打印機和相應配套的計算機，其特徵在於：步驟一：將產品的圖紙或照片輸入計算機中進行繪製和建模，構造出薄殼模的3D模型，並且對此3D模型的結構進行有限元分析，增加內壁補償量；步驟二：將計算機製作完成的3D模型數據輸入到該薄殼模專用的3D打印機內，並以相應的打印材料進行薄殼模的打印工作，將薄殼模打印完成；步驟三：對所述打印完成後的薄殼模，將薄殼模單獨進行外表面光滑處理，更有利於後續的噴漿和(或)浸漿；步驟四：將薄殼模經多層浸漿或噴漿的製殼流程，製造出耐高溫的外殼模，形成雙層殼模；步驟五：將雙層殼模放入砂箱中進行填砂加固處理；步驟六：對由薄殼模和外殼模構成的雙層殼模利用物理或化學的方法，對薄殼模進行清除處理；步驟七：對砂箱裡的外殼模進行澆鑄處理，並於澆鑄後冷卻使物件成型；步驟八：對所述成型的物件進行震殼、清砂等後處理，最後得到所要的成品。
2. 如請求項1所述之採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，其中在步驟三將薄殼模光滑處理之前，先將薄殼模固定在3D打印機上的支架去掉，保證薄殼模是單獨的物體。
3. 如請求項1或2所述之採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，其中在步驟三中外表面光滑處理步驟中，包括超聲波清洗劑和(或)紫外線照射燈。
4. 如請求項1所述之採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，其中3D打印機和打印材料分別是：LCD光固化打印機和光固化樹脂材料、FDM打印機和塑料、DLP光固化打印機和光固化陶瓷樹脂材料、SLA光固化打印機和樹脂蠟材料或FDM打印機和塑料。
5. 如請求項1所述之採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，其中在步驟六中，將有蓋子的砂箱放入有通風系統的旋轉燒結爐中，以正轉360°，再反轉360°的方式旋轉，且以每小時300°的升溫速度，升溫到700°後，保持一個小時，使薄殼模完全氣化。
6. 如請求項1所述之採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，其中在步驟六中，將含有甲苯的溶液由澆口注入薄殼模中，放置4小時，使薄殼模完全被分解，再把外殼模內的液體清除。
7. 如請求項1所述之採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，其中在步驟六中，將此有雙層殼模的砂箱放入有通風系統的燒結爐中，澆口朝上，以每小時50°至400°的升溫速度，開始升溫到150°至1000°，保持30分鐘至1小時，破壞薄殼模的完整性，再降至室溫，清除外殼模內的雜質。
8. 如請求項1所述之採用雙薄殼模工藝的鑄造方法，其中薄殼模的厚度不超過2mm。