CN107598095A - 一种3d打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，该方法包括：数据获取方法，成型工艺设计及模拟优化浇注工艺，3D打印SLS蜡模，浇注系统消失模泡沫成型，工艺组树和制壳，焙烧脱模，真空浇注、增压凝固，金属构件清理、打磨、抛光全工艺步骤。本发明的铸造方法结合了3D打印、熔模铸造、消失模铸造的优点为大型复杂薄壁高温金属构件的快速研制提供了可靠的技术方案，采用真空增压浇注方法解决了透气性不好、补缩距离不足等问题；且将大型复杂薄壁高温金属构件生产周期从1‑3个月缩短为10个工作日内，实现了大型复杂薄壁高温金属构件的快速生产。
Description
技术领域
本发明属于金属成型方法领域，具体涉及一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法。
背景技术
在大型复杂高温金属构件的研发过程中，大多采用开模具的方法，进行熔模精密铸造或砂型铸造，生产过程存在很多困难，熔模精密铸造制壳工序十分困难且经常由于模壳强度和裂纹导致失败，砂型铸造表面及尺寸很难达到要求。3D打印蜡模代替模具蜡模主要用于熔模铸造的硅熔胶工艺、水玻璃工艺、石膏型工艺(低温铝、铜、金、银、锌等中低温合金)，由于蜡模强度、壳模制作、焙烧脱模等原因，3D打印中小蜡模件成型金属构件工艺相对成熟，在打印大型蜡模或组合大型打印蜡模中，除铝合金采用石膏型外，铸钢等高温金属工艺方法仍处于探索阶段。3D打印代替模具进行构件制造，无论成本、制造周期、可调整性等具有明显优势，3D打印大型构件研制工艺探索和定型具有巨大的经济和社会意义。
本发明通过将多种技术复合，实现大型复杂薄壁高温金属构件的规模化和快速化生产。利用3D打印蜡模或组合蜡模将复杂构件一体化制造；利用熔模铸造灵活补缩和喷涂工艺保证复杂构件内部质量和表面光洁度；采用消失模泡沫制作浇冒系统改善焙烧胀壳和焙烧时间；采用砂型技术保证铸型的强度和保温，延长凝固充缩时间；采用真空浇注工艺减少气体阻力改善充型环境；采用增压凝固工艺增加补缩距离改善内部质量；采用复合工艺减少了工艺过程，降低了劳动强度，清理简单容易。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的目的在于提供一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，使得制备得到的复杂薄壁高温金属构件成品率高且周期短，且效果佳。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，包括以下步骤：
(1)金属构件数据获取：通过正向设计或逆向工程设计获取金属构件三维数据；
(2)成型工艺设计及模拟优化浇注工艺：通过云数据处理、支撑、镂空、切片技术优化步骤(1)所得的金属构件三维数据，再通过铸造工艺模拟优化软件对优化的金属构件三维数据进行铸造工艺设计和定型，同时在优化的金属构件三维数据上设计浇注系统和浇注速度，得到预设计金属构件三维实体数据模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维实体数据模型进行切片分层处理，层厚为0.07-0.1mm；
(3)3D打印SLS蜡模：在工作台上用铺粉辊铺一层粒径为5-20微米的工程塑料粉末，由激光器发出的激光束在3D立体打印机的控制下，根据步骤(2)所得的分层处理过的预设计金属构件三维实体数据模型一体打印成型，得到粗制的金属构件实体，再对粗制的金属构件实体进行浸蜡、打磨、抛光、烘干处理，得到所需金属构件SLS蜡模；
(4)浇注系统消失模泡沫成型：在步骤(3)所得的金属构件SLS蜡模基础上，采用消失模铸造工艺得到浇注系统模壳模型；
(5)工艺组树和制壳：将步骤(4)所得的浇注系统模壳模型进行浇注和补缩系统组合，得到完整、光滑的模壳模型，再对完整、光滑的模壳模型制2-3层壳体；其中，第1-2层壳的浆料为锆英粉和硅溶胶复配物，第2-3层壳的浆料为莫来石粉末和硅溶胶复配物，待2-3层壳体自然干燥后，放入含有质量分数为1％的棕刚玉砂的圆形或方形铁制箱中进行填充、紧实和固化干燥；其中砂型的填充进一步加强了壳型的强度，避免了金属粉末外漏和延长补缩时间；
(6)焙烧脱模：将步骤(5)所得的制有壳体的模壳模型以每小时升温30-40℃的速率加热升温至180-220℃，在此温度上保温4-6h，然后再以每小时升温50℃的速率加热升温至500℃，在此温度上保温2-3h，焙烧脱去EPS蜡模，得到铸型；
(7)真空浇注、增压凝固：将步骤(6)所得的铸型置于500℃保温条件下进行抽真空，当真空度抽至0.13-0.15Kpa时，向铸型中缓慢浇注熔化的金属液，浇注完成后对铸型进行增压处理使之凝固补缩，凝固补缩后再保持加压状态30-60min，得到铸件；
(8)金属构件清理、打磨、抛光：对步骤(7)所得的铸件进行高压水力清洗，清洗完成后，再对铸件进行打磨和抛光，得到所需金属构件。
在步骤(3)中，所述蜡模精度为100mm±0.1mm，表面粗糙度Ra低于3.2；激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，该激光器的具体参数为：激光光束在工作平面的运动速度V＝2100-2300mm/s，铺粉直线单元的运动速度V＝350-450mm/s，激光器的实际输出功率P＝42-48W，供料裕量为0.08-0.1mm，转换因子为1.08。
在步骤(4)中，所述消失模材料为可发泡聚苯乙烯EPS。
在步骤(5)中，所述第1-2层壳的浆料为锆英粉和硅溶胶复配物，其中，锆英粉和硅溶胶的质量比为1:(3.4-3.5)，锆英粉的粒径为320-330目；所述第2-3层壳的浆料为莫来石粉末和硅溶胶复配物，其中，莫来石粉末和硅溶胶的质量比为1:(3.3-3.4)，莫来石粉末的粒径为315-325目。
在步骤(7)中，所述金属液为铸铁合金液、碳钢合金液、不锈钢合金液中的任意一种。
在步骤(7)中，所述增压处理时压力为300-600Kpa。
本发明的有益效果：本发明解决了大型复杂薄壁高温金属构件熔模精铸制壳的难题；发挥了熔模精铸浇冒系统设置灵活和砂型铸造保温效果好的优点，增加了凝固时间和充分补缩；采用真空增压浇注方法解决了透气性不好和补缩距离不足的问题；浇注系统采用消失模泡沫改善了3D打印大尺寸蜡模中浇注系统胀型和脱模时间过长的问题；实现了3D打印蜡型和真空增压浇注系统的融合，大型复杂薄壁高温金属构件的快速生产等问题，将大型复杂薄壁高温金属构件生产周期从1-3个月缩短为10-12个工作日内。
附图说明
附图1为一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法的流程示意图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不局限于这些实施例。
一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，包括以下步骤：
(1)金属构件数据获取：通过逆向工程设计获取复杂薄壁金属构件三维数据；
(2)成型工艺设计及模拟优化浇注工艺：通过云数据处理、支撑、镂空、切片技术优化步骤(1)所得的复杂薄壁金属构件三维数据，再通过铸造工艺模拟优化软件对优化的复杂薄壁金属构件三维数据进行铸造工艺设计和定型，同时在优化的复杂薄壁金属构件三维数据上设计浇注系统和浇注速度，得到预设计复杂薄壁金属构件三维实体数据模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维实体数据模型进行切片分层处理，层厚为0.08mm；
(3)3D打印SLS蜡模：在工作台上用铺粉辊铺一层粒径为10微米的工程塑料粉末，由激光器发出的激光束在3D立体打印机的控制下，根据步骤(2)所得的分层处理过的预设计金属构件三维实体数据模型一体打印成型，得到粗制的金属构件实体，再对粗制的金属构件实体进行浸蜡、打磨、抛光、烘干处理，得到所需钛金属构件SLS蜡模；其中，蜡模精度为100.1mm，表面粗糙度Ra低于3.2；激光器采用CO2激光器，该激光器的具体参数为：激光光束在工作平面的运动速度V＝2200mm/s，铺粉直线单元的运动速度V＝420mm/s，激光器的实际输出功率P＝46W，供料裕量为0.09mm，转换因子为1.08；
(4)浇注系统消失模泡沫成型：在步骤(3)所得的金属构件SLS蜡模基础上，采用消失模铸造工艺得到浇注系统模壳模型；其中，消失模材料为可发泡聚苯乙烯EPS；
(5)工艺组树和制壳：将步骤(4)所得的浇注系统模壳模型进行浇注和补缩系统组合，得到完整、光滑的模壳模型，再对完整、光滑的模壳模型制3层壳体；其中，第1-2层壳的浆料为质量比为1:3.4的锆英粉和硅溶胶复配物，第3层壳的浆料为质量比为1:3.3的莫来石粉末和硅溶胶复配物，待3层壳体自然干燥后，放入含有质量分数为1％的棕刚玉砂的圆形或方形铁制箱中进行填充、紧实和固化干燥；
(6)焙烧脱模：将步骤(5)所得的制有壳体的模壳模型以每小时升温35℃的速率加热升温至200℃，在此温度上保温6h，然后再以每小时升温50℃的速率加热升温至500℃，在此温度上保温3h，焙烧脱去EPS蜡模，得到铸型；
(7)真空浇注、增压凝固：将步骤(6)所得的铸型置于500℃保温条件下进行抽真空，当真空度抽至0.15Kpa时，向铸型中缓慢浇注熔化的铸铁合金液，浇注完成后对铸型进行增压处理，增压至500Kpa，使铸铁合金液凝固补缩，凝固补缩后再保持加压状态60min，得到铸件；
(8)金属构件清理、打磨、抛光：对步骤(7)所得的铸铁铸件进行高压水力清洗，清洗完成后，再对铸件进行打磨和抛光，得到所需铸铁构件。
本方法制备的大型复杂薄壁高温金属构件，其数据获取和熔模精铸制壳通过现代电脑技术可以快速得到，并且发挥了熔模精铸浇系统设置灵活和砂型铸造保温效果好的优点，增加了凝固时间和充分补缩；采用真空增压浇注方法解决了透气性不好和补缩距离不足的问题；浇注系统采用消失模泡沫改善了3D打印大尺寸蜡模中浇注系统胀型和脱模时间过长的问题；而且产品薄厚可控，在最初设计好的金属构件数据时就已控制得到理想的金属构件厚度，利用3D打印蜡型和真空增压浇注系统的融合，其金属构件生产时间、整体厚度和形状都可控，而且生产效率提高，最后再对打印的铸件粗品进行精细化处理，得到了理想的复杂薄壁金属构件。该方法可控且合理，步骤清晰，所得产品效果理想。
Claims (6)
1.一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)金属构件数据获取：通过正向设计或逆向工程设计获取金属构件三维数据；
(2)成型工艺设计及模拟优化浇注工艺：通过云数据处理、支撑、镂空、切片技术优化步骤(1)所得的金属构件三维数据，再通过铸造工艺模拟优化软件对优化的金属构件三维数据进行铸造工艺设计和定型，同时在优化的金属构件三维数据上设计浇注系统和浇注速度，得到预设计金属构件三维实体数据模型STL文件，在3D打印设备的工控机上对所述STL文件的三维实体数据模型进行切片分层处理，层厚为0.07-0.1mm；
(3)3D打印SLS蜡模：在工作台上用铺粉辊铺一层粒径为5-20微米的工程塑料粉末，由激光器发出的激光束在3D立体打印机的控制下，根据步骤(2)所得的分层处理过的预设计金属构件三维实体数据模型一体打印成型，得到粗制的金属构件实体，再对粗制的金属构件实体进行浸蜡、打磨、抛光、烘干处理，得到所需金属构件SLS蜡模；
(4)浇注系统消失模泡沫成型：在步骤(3)所得的金属构件SLS蜡模基础上，采用消失模铸造工艺得到浇注系统模壳模型；其中，消失模材料为可发泡聚苯乙烯EPS；
(5)工艺组树和制壳：将步骤(4)所得的浇注系统模壳模型进行浇注和补缩系统组合，得到完整、光滑的模壳模型，再对完整、光滑的模壳模型制2-3层壳体；其中，第1-2层壳的浆料为锆英粉和硅溶胶复配物，第2-3层壳的浆料为莫来石粉末和硅溶胶复配物，待2-3层壳体自然干燥后，放入含有质量分数为1％的棕刚玉砂的圆形或方形铁制箱中进行填充、紧实和固化干燥；
(6)焙烧脱模：将步骤(5)所得的制有壳体的模壳模型以每小时升温30-40℃的速率加热升温至180-220℃，在此温度上保温4-6h，然后再以每小时升温50℃的速率加热升温至500℃，在此温度上保温2-3h，焙烧脱去EPS蜡模，得到铸型；
(7)真空浇注、增压凝固：将步骤(6)所得的铸型置于500℃保温条件下进行抽真空，当真空度抽至0.13-0.15Kpa时，向铸型中缓慢浇注熔化的金属液，浇注完成后对铸型进行增压处理使之凝固补缩，凝固补缩后再保持加压状态30-60min，得到铸件；
(8)金属构件清理、打磨、抛光：对步骤(7)所得的铸件进行高压水力清洗，清洗完成后，再对铸件进行打磨和抛光，得到所需金属构件。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述蜡模精度为100mm±0.1mm，表面粗糙度Ra低于3.2；激光器采用CO2激光器或者光纤激光器，该激光器的具体参数为：激光光束在工作平面的运动速度V＝2100-2300mm/s，铺粉直线单元的运动速度V＝350-450mm/s，激光器的实际输出功率P＝42-48W，供料裕量为0.08-0.1mm，转换因子为1.08。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述消失模材料为可发泡聚苯乙烯EPS。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述第1-2层壳的浆料为锆英粉和硅溶胶复配物，其中，锆英粉和硅溶胶的质量比为1:(3.4-3.5)，锆英粉的粒径为320-330目；所述第2-3层壳的浆料为莫来石粉末和硅溶胶复配物，其中，莫来石粉末和硅溶胶的质量比为1:(3.3-3.4)，莫来石粉末的粒径为315-325目。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，其特征在于：在步骤(7)中，所述金属液为铸铁合金液、碳钢合金液、不锈钢合金液中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印成型大型复杂薄壁高温金属构件的铸造方法，其特征在于：在步骤(7)中，所述增压处理时压力为300-600Kpa。
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