一种3D打印砂型在低压浇注的加工方法和3D打印砂型与流程

本发明涉及3d打印技术领域，尤其涉及一种3d打印砂型在低压浇注的加工方法和3d打印砂型。

背景技术：

低压铸造的金属模具具有产品精度高、收得率高、批量生产效率高等优势，但在前期模具开发过程中存在制造成本高、周期长、适用性差等问题；传统的砂型重力铸造由于冒口、排气的限制，铸件收得率低。而现有的3d打印中，若使用3d打印后的砂模进行低压铸造时，进料口在浇注全过程受到金属液的冲击，金属液长时间高温作用于砂型，会导致铸件粘砂、溃散等问题；3d打印砂型模具，模具上的排气通道在低压铸造加压、保压过程中会出现连续跑液溢流的问题，在砂型运用于低压铸造过程中需要解决上述粘砂、溃散问题和排气保液的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种3d打印砂型在低压浇注的加工方法，其使用了金属或陶瓷材质的浇口杯安装于预留在模具主体的浇注口，并在模具砂型的排气通道内安装排气塞。

本发明还提出一种3d打印砂型，成型腔的底部连通有浇注口；浇注口用于安装浇口杯；成型腔的上部连通有排气通道；排气通道，其一端连通于模具砂型的外侧，另一端连通于成型腔，用于安装排气塞。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种3d打印砂型在低压浇注的加工方法，包括：模具装配步骤；

所述模具装配步骤包括：

步骤（s1）：为砂型进行3d建模，建模内容包括：模具主体和浇口件；浇口件用于安装于模具主体的浇注口；

步骤（s2）：3d分层打印模具主体，获得模具砂型；

步骤（s3）：利用相同规格的浇口杯代替步骤（s1）的浇口件，将浇口杯固定于模具砂型的浇注口；浇口杯为金属或陶瓷材质；

步骤（s4）：在模具砂型的排气通道内安装排气塞。

优选地，所述步骤（s1）中，为砂型进行3d建模时，模具主体处留置有排气通道，排气通道的一端连通模具主体的成型腔内，另一端位于模具主体的外侧面。

优选地，所述步骤（s4）中，利用排气塞的小径面端伸入排气通道，以连通靠近成型腔位置，排气塞的大径面端外露于模具主体外表面。

优选地，还包括：低压浇注步骤；所述低压浇注包括：步骤（s5），将金属液自下而上地通过浇口杯压入所述步骤（s4）模具砂型的成型腔。

优选地，所述低压浇注包括：步骤（s6），当模具砂型浇注完成后，保压处理；待金属液凝固后，对模具砂型泄压处理，冷却后从模具砂型内取出由金属液成型的工件。

优选地，所述步骤（s4）中，排气塞安装于模具砂型上表面的排气通道；

所述步骤（s5）中，将金属液自下而上地通过模具砂型底部的浇口杯压入模具砂型的成型腔。

优选地，所述步骤（s5）中，金属液包括：镁液、铝液和铁液中的至少一种。

一种3d打印砂型，包括：模具砂型、浇口杯和排气塞；

所述模具砂型内设有成型腔；

所述成型腔的底部连通有浇注口；所述浇注口安装有浇口杯；浇口杯为金属或陶瓷材质；

所述成型腔的上部连通有排气通道；所述排气通道，其一端连通于所述模具砂型的外侧，另一端连通于所述成型腔，安装有排气塞。

优选地，所述排气塞的一端设有小径面端，另一端为大径面端；所述大径面端的孔径大于所述小径面端；

所述小径面端连通靠近于所述成型腔；所述大径面端压紧于所述模具砂型的外侧。

本发明的有益效果：

本加工方法，能发挥砂型优势，利用3d打印技术将砂型代替低压铸造的金属模型，减少产品开发周期及制造成本，提高了低压铸造的通用性，解决了现有技术中3d打印砂型难以应用于低压铸造的问题。

附图说明

图1是3d打印砂型的剖面示意图；

图2是3d打印砂型的剖面示意图；

图3是模具砂型的结构示意图；

图4是排气塞结构示意图。

其中：

模具砂型1；排气塞2；浇口杯3；工件4；

小径面端21、大径面端22

成型腔11；浇注口12；排气通道13。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种3d打印砂型在低压浇注的加工方法，包括：模具装配步骤；

所述模具装配步骤包括：

步骤（s1）：为砂型进行3d建模，建模内容包括：模具主体和浇口件；浇口件用于安装于模具主体的浇注口；

步骤（s2）：3d分层打印模具主体，获得模具砂型；

对数模切片分层，分层后进行3d增材打印；打印时，使用公知的砂型打印，每层砂表面涂一层粘结剂。

步骤（s3）：利用相同规格的浇口杯代替步骤（s1）的浇口件，将浇口杯固定于模具砂型的浇注口；浇口杯为金属或陶瓷材质；

在打印砂型前在浇注口预留陶瓷浇口杯安装位置，砂型打印完成后在陶瓷浇口杯密封位置涂上密封胶，压紧安装；

步骤（s4）：在模具砂型的排气通道内安装排气塞。

本加工方法，能发挥砂型优势，利用3d打印技术将砂型代替低压铸造的金属模型，减少产品开发周期及制造成本，提高了低压铸造的通用性，解决了现有技术中3d打印砂型难以应用于低压铸造的问题。

具体地，现有的低压浇注主要采用金属型模具成型，即将金属液通过加压充型、保压凝固、泄压冷却等几个阶段；但现有的这种低压浇注方法时间长，造模时间长。当3d打印砂型结合低压浇注时，会面对两种问题：

1、浇注过程中金属液自下而上通过进料口压入砂型时，进料口在浇注全过程受到金属液的冲击，金属液长时间高温作用于砂型，会导致铸件粘砂、溃散等问题。

2、浇注过程中由于型腔内含有大量气体，以及在浇注开始到凝固完成前，砂型内的粘结剂因高温分解产生大量的气体，这些气体如果不及时排出砂型，会导致卷气和侵入性的气孔导致产品质量下降。传统砂型重力浇注在合箱之后采用定量一次性浇注，当液面到达砂型模腔顶部时停止浇注，不存在跑液溢流风险，但低压浇注分加压、保压两个主要阶段，该阶段铝液、镁液、铁液一直保持一定的充型压力，在液体未凝固时，铝液、镁液、铁液通过排气通道跑液溢流。

而本方案中，通过在为砂型进行3d建模时，已预留了浇口件，即在建模时设计浇口件安装于模具主体的浇注口，在3d打印时只打印模具主体；同时，将金属或陶瓷材质的浇口杯代替建模时的浇口件，并固定于将模具主体的浇注口；由于浇口杯的材质为金属或陶瓷材质，其耐热性好，代替模具主体处的浇注口接触高温金属液，有效地解决了浇注过程铝液连续冲击砂型问题。

优选地，所述步骤（s1）中，为砂型进行3d建模时，模具主体处留置有排气通道，排气通道的一端连通模具主体的成型腔内，另一端位于模具主体的外侧面。

为解决上述的第2个问题，本方案还在模具主体处留置有排气通道，其中排气通道的一端连通模具主体的成型腔内，另一端位于模具主体的外侧面；只需将排气塞从模具主体的外侧伸入于模具主体的成型腔内，使成型腔内的气体能通过排气塞排出于模具主体的外部，可解决模具主体的排气问题和低压铸造加压保压过程铝液、镁液、铁液跑液溢流问题。

优选地，所述步骤（s4）中，排气塞的小径面端伸入排气通道，以连通靠近成型腔位置，排气塞的大径面端外露于模具主体外表面。

常规的排气塞，只有单个端面，即上下端面都是同样形状的，其不可能安装于本方案的模具主体处作排气使用，只能在成型面位置采取过盈配合镶入砂型，因为3d整体打印的砂型无法拆块；如图，本方案排气塞设有小径面端和大径面端，适用于低压浇注；小径面端能依次伸入排气通道内，连通模具主体的成型腔；大径面端能外露于模具主体的上端，拆卸和排气都更方便。

优选地，还包括：低压浇注步骤；所述低压浇注包括：步骤（s5），将金属液自下而上地通过浇口杯压入所述步骤（s4）模具砂型的成型腔。

本加工方法，包括模具装配步骤和低压浇注步骤；其中模具装配步骤用于3d打印砂型前的准备，制得模具砂型，并合理地布局了浇口杯和排气位置。当低压浇注步骤只需要将金属液自下而上，通过低压浇对模具砂型进行充模，实现了利用快速3d打印后的低压浇注。

优选地，所述低压浇注包括：步骤（s6），当模具砂型浇注完成后，保压处理；待金属液凝固后，对模具砂型泄压处理，冷却后从模具砂型内取出由金属液成型的工件。

优选地，所述步骤（s4）中，排气塞安装于模具砂型上表面的排气通道；

所述步骤（s5）中，将金属液自下而上地通过模具砂型底部的浇口杯压入模具砂型的成型腔。

模具砂型下底部设有浇口杯，上表面为排气通道；上表面安装的排气塞，其上端安装接触于模具砂型上表面，排气塞通过压块或者网带压板固定限位；当成型腔内由下至上填充金属液，能在排气塞的作用下排出气体；金属液由下至上流入时，在浇口杯的保护作用下，不会对浇注口破坏。

优选地，所述步骤（s5）中，金属液包括：铝液、镁液、铁液中的至少一种。

一种3d打印砂型，包括：模具砂型；

所述模具砂型内设有成型腔；

所述成型腔的底部连通有浇注口；所述浇注口用于安装浇口杯；

所述成型腔的上部连通有排气通道；所述排气通道，其一端连通于所述模具砂型的外侧，另一端连通于所述成型腔，用于安装排气塞。

优选地，所述排气塞的一端设有小径面端，另一端为大径面端；所述大径面端的孔径大于所述小径面端；

所述小径面端连通靠近于所述成型腔；所述大径面端压紧于所述模具砂型的外侧。

实施例a：对比3d打印砂型代替金属模的可行性；

3d打印砂型是用3d打印制造而成的，呋喃自硬性树脂一般用于重力浇注，重力浇注分为顶注、中注、底注，而低压浇注的方式类似于重力浇注的底注式，如果3d打印的砂型强度能达到呋喃自硬性树脂砂型的强度，就可以满足重力浇注的底注式，也就等同于可以按照低压浇注的方式进行浇注。砂型铸造常用于重力浇注，砂型在重力浇注过程中，砂型受到金属液的冲击力；而在低压铸造过程中，砂型受到的冲击力主要是由下而上的加压压力，砂型低压铸造类同于砂型重力底注式浇注，通过对比分析3d打印砂块和自硬砂块的特性：

对比呋喃3d打印砂型和呋喃自硬性树脂常温下抗弯强度，如表1；

呋喃3d打印和自硬性树脂砂块抗弯强度无明显差异。

对比呋喃3d打印和自硬性树脂砂块的发气量，取抗弯强度样块中间位置各1g进行发气量测定：

3d打印样比自硬树脂样块发气量大，经分析两组主要组成成分，3d打印使用的树脂比自硬化使用的树脂多，导致3d打印砂块发气量略大于自硬化树脂砂块，增加部分发气量在低压浇注充型阶段未开始释放，对产品充型无影响；而无论是呋喃自硬树脂砂，还是呋喃3d打印砂，充型完后铝液都会产生浸入性气孔，3d打印的砂型产生的浸入性气孔经过小批量验证，相对于呋喃自硬树脂砂产生的浸入性气孔无明显增加。

试验证明：3d打印的砂块与自硬性砂块的强度和发气量都能满足重力浇注的需求，由于低压铸造类同于重力浇注的底注浇注方式，自硬性砂型在实际应用中已经十分普遍了，3d打印砂型采用低压铸造的方案具有可行性。

实施例b：

以下实施例所使用的性能测试：

外观质量性能：

目测工件，若工件无裂纹、无冷隔、无气孔，尺寸符合ct9级以上，则为通过；

内部质量性能：

工件中，不得有裂纹和由铸造缺陷造成的贯穿性孔洞；允许有不影响使用性能的孔洞；单个气孔、缩孔、夹杂物等缺陷大小不超过壁厚的1/3，在10cm×10cm面积上的数量不多于3个；成组气孔、缩孔、夹杂物缺陷在3cm×3cm面积上的数量不多于2个；气孔或夹杂距铸件边缘和内孔边缘的距离不小于夹杂或气孔最大尺寸的2倍。

粗糙度：

严格按照《gb6060.1-1985-表面粗糙度比较样块铸造表面》测量工件的粗糙度，当ra12.5以下时，为合格。

硬度：

检测工件的硬度，当硬度≥80hbw为合格。

实施例b1：

步骤（s1）：为砂型进行3d建模，建模内容包括：模具主体；

步骤（s2）：3d分层打印模具主体，获得模具砂型；

步骤（s4）：在模具砂型的排气通道内安装排气塞，利用排气塞的小径面端伸入排气通道后连通靠近成型腔位置，排气塞的大径面端外露于模具主体外表面；

步骤（s5）：将铝液自下而上地通过模具砂型底部的浇注口压入模具砂型的成型腔；

步骤（s6），当模具砂型浇注完成后，保压处理；待铝液凝固后，对模具砂型泄压处理，冷却后从模具砂型内取出由铝液成型的工件。

实施例b2：

步骤（s1）：为砂型进行3d建模，建模内容包括：模具主体和浇口件；浇口件用于安装于模具主体的浇注口；

步骤（s2）：3d分层打印模具主体，获得模具砂型；

步骤（s3）：利用相同规格的浇口杯代替步骤（s1）的浇口件，将浇口杯固定于模具砂型的浇注口；浇口杯为金属或陶瓷材质；砂型打印完成后在陶瓷浇口杯密封位置涂上密封胶，压紧安装；

步骤（s5）：将铝液自下而上地通过模具砂型底部的浇口杯压入模具砂型的成型腔；

步骤（s6），当模具砂型浇注完成后，保压处理；待铝液凝固后，对模具砂型泄压处理，冷却后从模具砂型内取出由铝液成型的工件。

实施例b3：

步骤（s1）：为砂型进行3d建模，建模内容包括：模具主体和浇口件；浇口件用于安装于模具主体的浇注口；

步骤（s2）：3d分层打印模具主体，获得模具砂型；

步骤（s3）：利用相同规格的浇口杯代替步骤（s1）的浇口件，将浇口杯固定于模具砂型的浇注口；浇口杯为金属或陶瓷材质；砂型打印完成后在陶瓷浇口杯密封位置涂上密封胶，压紧安装；

步骤（s4）：在模具砂型的排气通道内安装排气塞，利用排气塞的小径面端伸入排气通道后连通靠近成型腔位置，排气塞的大径面端外露于模具主体外表面；

步骤（s5）：将铝液自下而上地通过模具砂型底部的浇口杯压入模具砂型的成型腔；

步骤（s6），当模具砂型浇注完成后，保压处理；待铝液凝固后，对模具砂型泄压处理，冷却后从模具砂型内取出由铝液成型的工件。

对实施例b1-b3获得的工件进行外观质量、内部质量、粗糙度和硬度，如表1。

说明：

1、由实施例b1和实施例b3对比可知，相对于实施例b3，实施例b1并未在步骤（s1）中将模具主体的浇注口安装浇口件，并通过陶瓷材质的浇口杯安装浇注口，因此在步骤（s5）处的铝液自下而上压入模具砂型的成型腔时，铝液将浇注口的砂型冲开，导致了进料口砂型出现粘砂和溃散，因此外观质量、内部质量和粗糙度区别于实施例b3，工件出现大面积的裂纹、冷隔或气孔；而实施例b3使用了利用相同规格的浇口杯代替步骤（s1）的浇口件，将浇口杯固定于模具砂型的浇注口，以在浇注口处接触铝液，有效地避免了铝液对浇注口，有效地解决了实施例b1中浇注口砂型出现粘砂和溃散的问题，使3d打印砂型应用于低压浇注成为可能。

2、由实施例b2和实施例b3对比可知，相对于实施例b3，实施例b2并未使用模具砂型的排气通道内安装排气塞，由于模具主体内的成型腔充入铝液后，凝固完成前砂型内的粘结剂因高温分解产生大量的气体，而产生的气体不能及时排出，导致卷气和侵入性的气孔影响产品质量，其外观质量和内部质量都不通过，且粗糙度达到了ra50。而实施例b3则在模具砂型的排气通道内安装排气塞，利用排气塞的小径面端伸入排气通道后连通靠近成型腔位置，排气塞的大径面端外露于模具主体外表面，保证了砂型的密封性和良好的排气性，有效地解决了实施例b2的排气不足所导致的3d打印砂型产品质量不佳，使3d打印砂型应用于低压浇注成为可能。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。