一種型砂噴射固化增材制造方法
【專利摘要】發明涉及一種型砂噴射固化增材制造方法，該方法首先是根據鑄件結構設計出鑄型的三維CAD模型，然后由模型數據得到分層截面輪廓數據和分層掃描路徑，再分析得到不同原砂材料和冷鐵材料信息，最后獲得每層的層面詳細信息并確定出控制信息。接下來根據當前層面信息選擇噴頭沿當前層掃描路徑進行不同材料和目數的型砂（或者冷鐵材料）精準噴射，同時利用噴射裝置將粘結劑和固化劑精準噴射在每一層型砂上。一層噴射完畢后，移動一個層高，直至得到所需鑄型。通過該方法獲得的鑄型，自適應性強，透氣性好，后期得到的鑄件具備優良的力學性能和使用性能。
【專利說明】一種型砂噴射固化增材制造方法【技術領域】
[0001]本發明屬于快速制造領域中的數字化增材制造技術，具體地涉及一種型砂噴射固化增材制造方法。
【背景技術】
[0002]所謂數字化增材制造技術就是一種三維實體快速自由成形制造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優勢，這種新技術起源于1988年誕生的“快速原型制造”技術。快速原型技術采用了一種全新的無模具自由成形原理來制造三維實體零件，它采用逐漸增加材料的方法成形零件。這種成形方法不需要模具，省去了十分冗長的制造模具過程和昂貴的模具制造成本。因而又被稱為實體自由成形技術或快速成形技術。
[0003]近幾年來利用快速成形的離散/堆積原理發展起來的直接鑄型制造技術，省去了傳統工藝的模型，按照鑄型CAD模型(包括澆注系統等工藝信息)的幾何信息精確控制造型材料的堆積過程，直接制造鑄型，屬于增材制造技術的一種。由清華大學研制成功的PCM(Patternless Casting Modeling)無模鑄型制造工藝,是將RP理論(快速原型)引進到樹脂砂造型工藝中，采用輪廓掃描噴射固化工藝，實現了無模型鑄型的快速制造。
[0004]對于快速制造領域中的無模具鑄型制造技術在實際生產而言，必須保證能夠制造出滿足不同鑄件實際需要的鑄型。實際生產中首先根據鑄件的機械結構，制定出合理有效的鑄造工藝，且往往考慮到鑄件的不同壁厚以及特殊的結構，會需要不同型砂材料以及冷鐵等來最終制造出所需鑄型。但是目前的增材制造鑄型技術，一般都是采用同種原砂加固化劑以及相同的噴頭來制造鑄型。此種方法制造出的鑄型透氣性較差，且大多數情況很難滿足鑄件的順序凝固或者均勻凝固原則，進而難以降低或消除鑄件的內應力，以至于會產生裂紋、變形以及縮孔縮松等多種鑄造缺陷，最終嚴重影響鑄件的力學性能。而本發明提供的型砂噴射固化增材制造方法是在綜合利用無模鑄型制造工藝在鑄型制備方面優勢的基礎上，采用原砂或者混合好固化劑的型砂以及不同目數的型砂，也可加上冷鐵用金屬材料粉末，通過合理的噴射固化工藝，直接獲得所需鑄型。通過此種工藝技術制造的鑄型，工藝性能好，后期得到的鑄件具備優良的力學性能和使用性能。

【發明內容】

[0005]本發明旨在提供一種型砂噴射固化增材制造方法，以解決現有增材制造技術因采用同種材料以及同種目數的型砂，且使用相同的噴頭所制造的鑄型存在透氣性差、難以降低或消除鑄件內應力以及所得鑄件會產生裂紋、變形以及縮孔縮松等多種鑄造缺陷的問題。另外，本發明提供的型砂噴射固化增材制造方法還可以解決現有技術無法同時噴射成形冷鐵的問題。
[0006]本發明提供的一種型砂噴射固化增材制造方法，其主要步驟包括:
(I)建立鑄型的三維實體模型，即首先確定工藝參數，如選取最優加工方向、設計澆注系統等，然后根據產品/零件的CAD模型設計出鑄型的三維CAD模型；
(2)對鑄型CAD三維模型進行離散化處理，得到分層截面輪廓數據和分層掃描路徑；
(3)分析鑄型得出每層不同型砂材料和冷鐵材料信息，獲得每層的詳細層面信息，并由其確定出精確的控制信息；
(4)根據當前層面詳細信息選擇合適噴頭，沿當前層掃描路徑進行不同型砂材料(或者冷鐵材料)精準噴射，然后再選擇粘結劑和固化劑的噴頭將粘結劑和固化劑精準地噴射在每一層型砂上；
(5)—層噴射固化完畢后,移動一個層高；
(6)重復步驟(4)?(5)，直至整個鑄型噴射固化完成；
(7 )清理出未固化的干砂，得到所需鑄型。
[0007]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，分層面信息包含鑄型結構尺寸信息、掃描路徑信息、不同型砂材料以及冷鐵材料信息。
[0008]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，在同一層面上可以由多個噴頭將原砂或者混合好固化劑的型砂或者不同目數的型砂材料同時噴射，或是所述多個噴頭中的單個噴頭單獨噴射一種型砂。
[0009]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，在同一層面上可以同時噴射不同種類的粘結劑和固化劑。
[0010]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，如果鑄型需要冷鐵，則在具有冷鐵的各層面上可以同時噴射鐵粉材料。
[0011]進一步地，上述噴射固化增材制造方法中，噴射型砂的噴頭、噴射鐵粉材料的噴頭以及噴射粘結劑和固化劑的噴頭都必須采用專用的噴頭結構。
[0012]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，噴射裝置在控制系統操控下必須將粘結劑和固化劑精準地噴射在每一層型砂上。
[0013]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，移動一個層高是工作臺下降一個層厚或噴頭上升一個層厚。
[0014]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，在同一層面上可以分別采用不同的噴射壓力、噴射速率以及不同的掃描速度。
[0015]進一步地，在上述噴射固化增材制造方法中，粘結劑與固化劑噴射后會發生膠聯反應，且其共同作用地方的型砂會被固化在一起，其他地方型砂仍為顆粒態干砂。固化完一層后再粘接下一層，直至所有層面全部粘結完成。
[0016]綜上所述:根據本發明的技術方案所產生的有益效果是:采用本發明提供的型砂噴射固化增材制造方法獲得鑄型，是集成度很高的柔性制造過程，具有非常高的噴射固化效率，能夠滿足快速制造的要求。通過此種方法獲得的鑄型，自適應性強，透氣性好，后期得到的鑄件具備優良的力學性能和使用性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
圖1為本發明的型砂噴射固化增材制造方法的工藝流程圖；圖2為采用本發明方法制造的鑄型內部截面示意圖。
具體實施例
[0018]以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0019]為了清楚地表達出本發明的多金屬液態噴射沉積增材制造方法步驟特點，以下列舉一個鑄型包含多種型砂材料以及冷鐵的型砂噴射固化增材制造實施例。
[0020](I)根據鑄件結構，確定出工藝參數，然后建立鑄型的三維實體CAD模型如圖2所示；
(2)對鑄型CAD三維模型進行離散化處理，即將三維實體模型沿Z方向分成可加工單層厚度的層狀模型，得到X-Y平面方向的分層截面輪廓數據和分層掃描路徑；
(3)分析每個層，得到每個噴射層既包含選擇A、B、C或D中的一種或多種型砂材料或者冷鐵材料，也包含所選用一種或多種型砂材料的分布區域等信息；
(4 )獲得每層的詳細層面信息，然后確定出控制信息，控制信息包括掃描路徑、掃描速度、工作臺的運動方向和速度、噴射材料信息以及噴射壓力和噴射速率等；
(5)在控制系統操控下，根據當前層面信息選擇合適的噴頭沿當前層掃描路徑進行噴射，如圖2中最底層先噴射普通20目原砂，然后利用噴射裝置將粘結劑(酚醛樹脂)和固化劑精準地噴射在每層型砂上；
(6)每噴射完一層，工作臺沿Z方向移動一個層高，在層高到達D區域之前，重復步驟
(5)。當層高到達D區域之后，同時精準噴射冷鐵用鐵粉材料，同樣再利用噴射裝置將粘結劑(酚醛樹脂)和固化劑精準地噴射在每一層型砂上；
(7)每噴射完一層，工作臺沿Z方向移動一個層高，當層高超過D區域之后，在B和C區域的型腔表面精準噴射覆膜砂，其他區域同時噴射普通40目原砂，同樣再利用噴射裝置將粘結劑(酚醛樹脂)和固化劑精準地噴射在每一層型砂上；
(8)每噴射完一層，工作臺沿Z方向移動一個層高，當層高超過型腔表面之后即達到A區域，噴射普通20目原砂，同樣再利用噴射裝置將粘結劑(酚醛樹脂)和固化劑精準地噴射在每一層型砂上；
(9)每噴射完一層，工作臺沿Z方向移動一個層高，逐層噴射，直至整個鑄型全部噴射固化完成；
(10)清理出未固化的干砂，得到所需鑄型。
[0021]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于包括以下步驟:(a)根據鑄件結構設計鑄型，即首先確定工藝參數，如選取最優加工方向、設計澆注系統等，然后將鑄件的CAD模型轉換成鑄型的三維CAD模型；(b)對鑄型的三維CAD模型進行離散化處理，得到分層截面輪廓數據和分層掃描路徑；(c)分析鑄型得出每層不同型砂材料和冷鐵材料信息，獲得每層的詳細層面信息，并由其確定出精確的控制信息；(d)根據當前層面信息選擇合適噴頭，沿當前層掃描路徑進行不同型砂材料(或者冷鐵材料)的精準噴射，然后再選擇粘結劑和固化劑的噴頭將粘結劑和固化劑精準的噴射在每一層型砂上；(e)—層噴射固化完畢后,移動一個層高；(f)重復步驟(d)?(e)，直至整個鑄型噴射固化完成；(g)清理出未固化的干砂，得到所需鑄型。
2.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，分層面信息包含鑄型結構尺寸信息、掃描路徑信息、不同型砂材料以及冷鐵材料信息。
3.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，在同一層面上可以由多個噴頭將原砂或者混合好固化劑的型砂或者不同目數的型砂材料同時噴射，或是所述多個噴頭中的單個噴頭單獨噴射一種型砂。
4.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，在同一層面上可以同時噴射不同種類的粘結劑和固化劑。
5.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，如果鑄型需要冷鐵，則在具有冷鐵的各層面上可以同時噴射鐵粉材料。
6.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，噴射型砂的噴頭、噴射鐵粉材料的噴頭以及噴射粘結劑和固化劑的噴頭都必須采用專用的噴頭結構。
7.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，噴射裝置在控制系統操控下必須將粘結劑和固化劑精準地噴射在每一層型砂上。
8.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，在上述噴射固化增材制造方法中，移動一個層高是工作臺下降一個層厚或噴頭上升一個層厚。
9.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，在同一層面上可以分別采用不同的噴射壓力、噴射速率以及不同的掃描速度。
10.根據權利要求1所述的一種型砂噴射固化增材制造方法，其特征在于，粘結劑與固化劑噴射后會發生膠聯反應，且其共同作用的地方型砂會被固化在一起，其他地方型砂仍為顆粒態干砂，固化完一層后再粘接下一層，直至所有層面全部粘結完成。
【文檔編號】B22C9/00GK103586410SQ201210588888
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年12月31日 優先權日:2012年12月31日
【發明者】單忠德, 劉豐, 劉麗敏, 戰麗 申請人:機械科學研究總院先進制造技術研究中心