本發明涉及藝術鑄品鑄造領域，具體涉及一種單件鑄鋼件藝術鑄品的快速熔模鑄造方法。

背景技術：

3D打印技術制造速度快、成本低，可制造復雜零件，并可預先消除缺陷；而鑄造則幾乎可以成形任何一種金屬，且不受零件大小形狀的限制，成本低廉，但從設計到模型、模型到鑄件其鑄造周期較長。3D打印技術與傳統鑄造技術相結合形成快速鑄造技術，其基本原理是利用3D打印技術直接或間接地制造鑄造用消失模、聚乙烯模、蠟樣、模板、鑄型、型芯或型殼，然后結合傳統鑄造工藝，快捷地鑄造出藝術鑄品。

而現有藝術鑄品的制造工藝通常是根據客戶提供的模型參數，設計人員綜合考慮提供的模型尺寸，制模時受溫度變化對收縮率影響等因素，調整模型參數，并將調整后的參數作為廠家制作模具的依據。實際操作中，廠家按照調整后參數制作出的模具，其最終參數與客戶提供的模型參數不一致，存在一定偏差。這種情況下，需要根據偏差的情況，重新調整模型參數，廠家再次重新制作模具，如此反復，直至制作出的模具與客戶提供的模型參數一致。

可見，現有單件鑄鋼件藝術鑄品由于是單件或小批量生產，從接受客戶訂單、制作出模具，到根據模具制作出成品的周期，大于等于需要10天以上。對于單件或小批量的生產，周期長，且該過程中需要制作模具，模具本身制作成本較高，相對于最終銷售額，整個生產成本提高。

基于此，研究并開發設計一種單件鑄鋼件藝術鑄品的快速熔模鑄造方法。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：現有單件藝術鑄品生產過程中制作出成品時間長、成本高，現提供具體涉及一種單件鑄鋼件藝術鑄品的快速熔模鑄造方法，采用FDM技術打印3D模樣，熔模鑄造生產出藝術鑄品模樣，將3D打印技術與熔模鑄造技術創造性的結合一起，制造出滿足客戶個性化需求的金屬材質藝術鑄品，解決了現有單件藝術鑄品生產工藝周期長、成本高等問題。

本發明通過下述技術方案實現：

一種單件鑄鋼件藝術鑄品的快速熔模鑄造方法，包括以下操作步驟，

步驟（1）獲取多組藝術鑄品三維模型數據，根據三維模型數據獲得三維圖形；

步驟（2）采用熔融沉積FDM技術打印三維模型，設置3D模樣打印的填充密度為7%—11%，獲得多個3D打印模樣，3D模樣打印材質為PLA材料或ABS樹脂；

步驟（3）在每個3D模樣上設置大于等于一個出氣孔，出氣孔的直徑為6—8mm；

步驟（4）制造型殼：

將電熱刀放置在蠟質澆注系統的表面使其熔化并與3D模樣連接，然后采用電熱刀修整3D模樣與蠟質澆注系統的結合端，使蠟質澆注系統與3D模樣表面緊貼，最后在3D模樣表面掛砂、掛涂料，在3D模樣表面形成型殼；

步驟（5）脫掉蠟質澆注系統的蠟

步驟（6）：焙燒脫3D模樣的PLA材料或ABS樹脂；

步驟（7）：熔煉澆注；

修補出氣孔處砂殼，焙燒型殼，向型殼內澆注熔煉的金屬液。

本發明技術方案中，發明人采用開源軟件MeshMixer 編輯藝術鑄品三維模型參數，如在3D打印設備中設置每組三維模型參數的填充密度、打印速度等，可編輯出多組藝術鑄品三維模型數據，根據三維模型數據獲得多個三維圖形，將多個三維圖形通過3D打印設備打印，獲得多個藝術鑄品3D模樣。將多個藝術鑄品模樣同時送往工廠加工，依次進行制造型殼、脫蠟質澆注系統的蠟、焙燒脫掉3D模樣PLA材料或ABS樹脂、熔煉澆注。其中經脫蠟質澆注系統的蠟、焙燒脫掉3D模樣PLA材料或ABS樹脂后，將采用FDM技術打印出3D模樣、以及蠟質澆注系統均焙燒掉，形成與3D模樣形狀相同的空型殼。熔煉澆注具體操作方法是將熔煉的金屬液澆注在空型殼內。

現有技術中，熔模鑄造的工藝流程是：制定工藝包括設計工藝方案和工藝參數—制作壓型—蠟模—焊接—制造型殼包括掛砂和脫蠟—澆注—冷卻—清理—檢測。試生產中，如果檢測后鑄件不合格，則需要修改工藝方案與工藝參數不合適，送模具廠修改壓型，再次進行上述循環，費時費力，影響了企業快速響應市場需求。

發明人針對上述缺陷利用開源軟件繪制或編輯三維圖形，設計多組三維模型數據，生成3D打印代碼，并優選設置采用熔融沉積FDM打印時3D模樣的填充密度，打印速度，然后打印，確保3D模樣的質量，將多個藝術鑄品模樣分別在表面設置出氣孔、制造制殼、脫蠟質澆注系統中的蠟、焙燒脫PLA/ABS等工序處理，最終選擇成品成型最佳、表面平整的藝術鑄品三維模型數據作為生產藝術鑄品的三維模型數據。

從上述分析可知，本技術方案所述的單件鑄鋼件藝術鑄品的工藝方法，極大的縮短了從接受訂單到交付工藝品成品的時間，一般只要5-7天。且獲得的工藝品成型性好，表面平整，能夠更好的滿足客戶的個性化需求。

本技術方案中采用的3D打印技術屬于增材制造方法，原材料利用率高、單件成本與生產批量無關。目前，主要的3D打印技術有熔融沉積FDM，選擇性激光燒結SLS，立體印刷SLA，三維打印3DP等，其中FDM技術的設備與原材料價格便宜、成型時間短、成品的精度應滿足使用要求，成為人們的精選。本發明所述操作方法，極大縮短了藝術鑄品成品的生產時間，由原來的3—4周，縮短為5—7天，降低生產成本。

本技術方案中3D打印獲得3D模樣的具體流程為：獲得三維圖形、打印前檢查、生成3D打印代碼，打印與后處理。

其中，步驟（2）中設置3D打印軟件打印三維圖形時，在打印軟件中設置3D模樣填充密度為7%—11% 。

本技術方案中，采用熔融沉積FDM技術打印藝術鑄品。熔融沉積的工作原理為：直徑為1.75mm材料ABS/PLA經過噴頭后發生2個變化：直徑變細、固態變成了熔融態。工作時，噴頭在XY平面內做水平運動，打印完一層后，向Z方向運行，逐層打印得到成型件。

打印過程中設置3D打印參數的填充密度為7—11%，該填充密度表示所打印的工藝品模樣所用材料的量。工藝品的模樣為層層噴料堆疊而成的實物，如果填充密度設置較高，則浪費了較多原材料和時間，如果填充密度設置較低，則打印出的模樣因支撐力不夠無法成型。優選，填充密度為7—11%，打印機噴頭不需花較多時間來打印模樣的內部結構，打印速度得到提高，且同時節省打印機所用PLA/ABS材料，不影響3D打印機的精度，利于工藝品模樣成型。

其中，在本技術方案中在每個3D模樣上設置大于等于一個出氣孔，出氣孔的設置將3D模樣內部與外界連通，便于快速將后續脫蠟質澆注系統中的蠟、焙燒3D模樣的PLA/ABS，產生的液體流出，產生的煙氣或液體迅速排出，同時緩解進入3D模樣內部氣體產生的氣壓，防止壓力過大脹壞型殼。出氣孔直徑為6—8mm，對出氣孔直徑的選擇，出氣孔直徑較大則制造的型殼垮塌，較小則通氣作用差。

其中，在制造型殼的具體操作中，電熱刀放置在蠟質澆注系統的表面，使蠟質澆注系統與電熱刀接觸面發生熔化，熔化的蠟具有粘性，可將3D模樣與蠟質澆注系統粘接在一起，蠟質澆注系統緊貼在3D模樣表面。在3D模樣與蠟質澆注系統的結合端出現不平整的地方，可采用電熱刀進行修整使表面相對平整，預防在對3D型殼掛砂、掛涂層時，表面出現凹凸不平整之處，影響型殼的表面平整性，最終確保鑄造出的藝術鑄品表面平整。

其中蠟質澆注系統為由澆口盆、直澆道、橫澆道、內澆道中的至少一種組成的結構，且該結構及其作用為本領域的公知常識，不再詳述。

在蠟質澆注系統上可粘接多個3D模樣，形成模組，然后根據3D模樣的質量確定掛砂、掛涂料的層數，在蠟質澆注系統、3D模樣外表面掛一層型殼，且與3D模樣一致。其中，掛砂為耐火材料，高溫下，蠟質澆注系統的蠟、3D模樣的PLA/ABS容易被熔化，而耐火材料形成型殼保持原狀。

優選，所述步驟（2）通過3D打印設備打印三維模型，打印速度小于等于50mm/s，溫度195—210℃。這里對3D打印機打印速度的限制，可避免打印速度過快，3D模樣單位表面的PLA/ABS支撐力較弱，不易成型；打印速度過慢，3D模樣的打印質量較差，浪費PLA/ABS材料，增加了脫PLA/ABS時的發氣量，容易造成型殼破裂，影響藝術品表面質量。

具體對打印溫度的設置，使打印3D模樣采用的PLA/ABS呈熔融狀態，如本技術方案采用的打印材質為PLA，設置打印溫度確保PLA材質處熔融狀態。

優選，所述步驟（2）三維模型打印采用分塊打印，3D模樣之間通過連接件粘接。針對鑄造的藝術鑄品形狀較為復雜，一次打印不便于操作的情況，可采用分塊打印，然后將打印的各個部分連接在一起。3D模樣之間可通過連接件連接，連接件具體可為U形卡口或卡槽。

優選，所述步驟（3）中出氣孔為粘接蠟棒，其按3D模樣表面積每50—80mm²設置一個分布，3D模樣表面出氣孔之間的距離為50—60mm。

在3D模樣上設置的出氣孔位置，根據3D模樣的大小及形狀確定，3D模樣質量在100g以內的，按表面積每50 mm²設置一個出氣孔，出氣孔直徑為6mm；3D模樣質量大于100g的，按表面積每80 mm²設置一個出氣孔，出氣孔直徑為8mm。

優選，所述出氣孔的長度為5—8mm，出氣孔與蠟質澆注系統的內澆道之間的距離大于等于30mm。

優選，所述步驟（4）制造型殼操作中，電熱刀放置在蠟質澆注系統表面的時間為3-5s；將經電熱刀熔化處理后的蠟質澆注系統按壓在3D模樣表面3-5s。

電熱刀放置在蠟質澆注系統表面的時間不宜過長，時間能夠保證蠟質澆注系統的蠟能夠熔化，將蠟質澆注系統與3D模樣連接，并將蠟質澆注系統按壓在3D模樣上，使3D模樣與蠟質澆注系統緊密連接。

其中，電熱刀的結構及其作用為所屬領域的公知常識，不再詳述。

優選，所述步驟（4）掛砂的具體操作方法為，根據3D模樣質量確定掛砂層數，3D模樣質量小于30g掛砂4層半，3D模樣質量30g—80g掛砂5層半，3D模樣質量80g—210g掛砂6層半，3D模樣質量大于210g掛砂7層半。

優選，所述在步驟（5）脫蠟質澆注系統的蠟操作之前，去除出氣孔底部外層砂殼，使出氣孔外露。

優選，所述步驟（5）脫蠟質澆注系統的蠟操作具體方法為，將3D模樣采用置于高壓蒸汽釜內，168℃下放置8min，冷卻，封閉出氣孔底部外殼；步驟（6）焙燒3D模樣具體操作方法為：將經高壓蒸汽釜處理后的3D模樣置于焙燒爐中焙燒，焙燒爐起始溫度為350℃—370℃，維持大于等于40min，然后按每10分鐘升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙燒，然后開始往型殼內澆注熔煉的金屬液，形成金屬材質的藝術鑄品。

該方法主要針對3D模樣質量小于100g以下，先后依次進行脫蠟質澆注系統的蠟、3D模樣PLA/ABS，第一步在高壓蒸汽釜內脫蠟，可對脫掉的蠟進行回收，實現資源充分利用。

優選，所述步驟（6）焙燒脫PLA/ABS的操作方法為：將3D模樣置于焙燒爐中焙燒，入爐溫度大于等于450℃，保持大于等于40min，然后按每10分鐘升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙燒。

該操作方法主要針對3D模樣質量大于100g以上。質量大于100g以上的3D模樣直接置于焙燒爐中進行焙燒，可同時脫掉蠟澆注系統的蠟和3D模樣PLA/ABS。

出爐后，采用修補膏修補出氣孔底部，修補時間小于等于5s，并用天然氣烘烤修補端，然后開始澆注金屬液。其中，對出氣孔底部進行修補，形成完整型殼，避免澆注的藝術鑄品外形出現出氣孔形狀。采用天然氣澆注對修補膏修補之處進行固化定型。

本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：

（1）本發明采用開源軟件繪制或編輯三維圖形，生成3D打印代碼，利用FDM技術打印3D模樣，選擇熔模鑄造生產的鑄件，通過制造型殼和脫蠟質澆注系統的蠟、焙燒PLA/ABS等處理，制造出滿足客戶個性化需求的金屬材質藝術鑄品。

（2）本發明所述單件鑄鋼件藝術鑄品的快速熔模鑄造方法，將3D打印技術和傳統熔模鑄造方法相結合，打印出多組3D模樣，每組3D模樣分別進行制造型殼、脫掉蠟質澆注系統的蠟、焙燒3D模樣PLA/ABS、熔煉澆注金屬液等處理，然后選擇最終制作的滿足要求的合格成品的3D模樣尺寸，作為批量生產模型參數，整個操作工藝極大的降低生產周期和費用，可快速響應市場、生產出價格低廉的金屬材質的單件藝術鑄品。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：

圖1為本發明工藝流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發明，并不作為對本發明的限定。

實施例1：

如圖1所示，一種單件鑄鋼件藝術鑄品的快速熔模鑄造方法，其主要操作步驟和要點如下：

步驟（1）獲取多組藝術鑄品三維模型數據，根據三維模型數據獲得三維圖形；

與常規熔模鑄造的方式不同，本實施例所述的金屬材質的藝術鑄品不需要制作零件的蠟型，也不需要制作壓型，只需要通過開源軟件MeshMixer編輯或繪制多組三維模型，獲取多組三維模型數據。可知，獲取三維模型數據的主要方式是通過設計人員正向設計或通過對現有工藝品結構進行逆向測量獲得，然后該數據基礎上，通過開源軟件設計出多組三維模型，得到多組三維模型數據；

步驟（2）采用熔融沉積FDM技術打印三維模型，設置3D模樣打印的填充密度為7%—11%，獲得多個3D打印模樣，3D模樣打印材質為PLA材料或ABS樹脂；

在開源軟件MeshMixer內繪制或編輯獲得的多個三維圖形，生成3D打印代碼，采用熔融沉積技術打印3D模樣。

在打印過程中，關鍵點是對3D打印參數進行處理設置，如打印圓角、不打印部分進行填補等，根據澆注的金屬種類，確定金屬液的收縮量，根據金屬液的收縮量，確定三維數模結構需要整體放大的比例，實現精確控制3D打印的模樣尺寸。

在生成3D打印代碼時，合理設置打印速度，打印速度小于等于50mm/s，溫度195—210℃。較慢則3D模樣表面質量高，較快則表面質量差；

合理設置3D打印軟件的3D模樣的填充密度，優為7%—11%，確保噴頭不花較多時間來打印模樣的內部結構，且打印速度快，節約打印藝術鑄品所用材料，不影響3D打印機的精度，最大限度利于工藝品模樣成型，從而獲得到多個工藝品模樣。

本實施例中打印采用熔融沉積技術，工藝品模樣打印是采用的打印材料為熱熔性塑料ABS或可食用材料PLA。

步驟（3）在每個3D模樣上設置大于等于一個出氣孔，出氣孔的直徑為6—8mm；

3D模樣質量小于100g，按表面積每50mm²設置一個出氣孔，出氣孔直徑為6mm；

3D模樣質量大于100g，按表面積每80mm²設置一個出氣孔，出氣孔直徑為8mm；

出氣孔為粘接蠟棒，直徑為6mm，其長度為5—6mm；

出氣孔為粘接蠟棒，直徑為8mm，其長度為6—8mm；

若設置多個出氣孔，則每兩個出氣孔在藝術鑄品表面相互之間距離為50—60mm。

步驟（4）制造型殼：

一般平板類藝術鑄品采用階梯注入式澆注系統，其余均采用頂注式澆注系統，而本實施例中采用蠟質澆注系統，具體操作方法為：

將電熱刀放置在蠟質澆注系統的表面使其熔化并與3D模樣連接，然后采用電熱刀修整3D模樣與蠟質澆注系統的結合端，使蠟質澆注系統與3D模樣表面緊貼，最后在3D模樣表面掛砂、掛涂料，外表面形成空型殼；

所述步驟（4）制造型殼操作中，電熱刀放置在蠟質澆注系統表面的時間為3-5s；將經電烙鐵熔化處理后的蠟質澆注系統按壓在3D模樣表面3-5s。

根據3D模樣質量確定掛砂層數，3D模樣質量小于30g掛砂4層半，3D模樣質量30g—80g掛砂5層半，3D模樣質量80g—210g掛砂6層半，3D模樣質量大于210g掛砂7層半。

步驟（5）脫掉蠟質澆注系統的蠟；

步驟（6）焙燒脫掉3D模樣的PLA/ABS；

所述步驟（5）脫蠟澆注系統的蠟操作之前需要消除出氣孔底部外層砂殼。

將小于100g的3D模樣采用在高壓蒸汽釜內脫蠟，具體步驟為，168℃下放置8min，冷卻，封閉出氣孔底部外殼，然后將將小于100g的3D模樣送入焙燒爐中焙燒，焙燒程序為：大于等于450℃，保持大于等于40min，然后按每10分鐘升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙燒。

將大于100g以上的3D模樣置于焙燒爐中焙燒，焙燒程序為：大于等于450℃，保持大于等于40min，然后按每10分鐘升高50℃，直至升高到700℃后，保持大于等于60min，完成焙燒出爐。

以上焙燒脫PLA/ABS的完全根據3D模樣的質量選擇不同的焙燒程序，可回收蠟，在節約能源的同時，可達到完全焙燒3D模樣PLA/ABS的效果。

焙燒出爐后，可采用修補膏修補出氣孔底部，操作時間小于5s，然后采用天然氣烘烤出氣孔底部的修補處。

修補膏具體配方為面層涂料0.1Kg、鋯砂1.9Kg，在SHY混砂機中混碾大于等于5小時，即得。

步驟（7）：熔煉澆注：

修補出氣孔處砂殼，焙燒型殼，向型殼內澆注熔煉的金屬液。

該工序與常規熔模鑄造相同，澆注前用手砂輪機取出澆注孔形成的空腔所在外表面的孔結構，防止澆注的金屬液泄露，用壓縮空氣取出鑄造的工藝品型殼內部殘留的灰分，加熱到澆注金屬要求的預熱溫度澆注。

這里的金屬液可為廢棄的金屬錠、含雜質的合金等，將其熔煉為金屬液，澆注到型殼內，完成藝術鑄品的鑄造，對廢棄含金屬物質的回收，實現資源回收再利用。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。