3D打印砂型及其制造方法与流程

本发明涉及3D打印砂型铸造生产技术领域，更具体而言，涉及一种3D打印砂型及其制造方法。

背景技术：

3D打印(3D printing，即三维打印)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

随着3D打印技术的推广与应用，目前使用3D打印砂型进行铸造生产的方法已在业内逐渐流行。这种3D打印生产砂型的方法，可以替代传统的手工模具造型过程，所得砂型具有超出手工砂型一倍的抗压强度，同时可直接打印成形各种复杂的砂型结构，具有极高的可成型性。

现有的3D打印形成的砂型通常为实心的结构。虽然砂型具有足够的强度和稳定性，但是其打印成本相对较高、打印周期较长。

技术实现要素：

针对相关技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种打印成本和周期较低并能保证整体强度和稳定性的3D打印砂型及其制造方法。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种3D打印砂型，包括：内层砂型和外层砂型，内层砂型具有用于成型铸件的内表面，以及与内表面相对的外表面，其中内层砂型容纳在外层砂型内部，并且内层砂型与外层砂型之间通过中层砂型连接，其中，中层砂型包括多个柱体区域，以及填充在相邻柱体区域之间的实心区域，每个柱体区域包括多个沿轴向方向延伸且沿径向方向彼此连接的柱形环，柱体区域沿轴向方向的一端与外表面连接，另一端与外层砂型连接。

根据本发明的一个实施例，外表面构造为多面体外表面的一部分，并且外表面的每个平面分别与一个柱体区域连接。

根据本发明的一个实施例，柱体区域的轴向方向垂直于平面。

根据本发明的一个实施例，柱形环为多边形柱形环，并且相邻两个柱形环可沿径向方向横向错开设置。

根据本发明的一个实施例，每个柱体区域包括多层柱形环层，相邻柱形环层沿轴向方向彼此连接并且相邻柱形环层中的柱形环彼此沿径向方向错开设置。

根据本发明的一个实施例，中层砂型的柱形环层的数量其中L为铸件的壁厚，h为铸件的高度。

根据本发明的一个实施例，柱形环的厚度范围为3-5mm，高度范围为20mm-30mm，并且柱形环所围成的面积小于4cm²。

根据本发明的一个实施例，外层砂型的厚度范围为20mm-50mm。

根据本发明的一个实施例，内层砂型的厚度范围为30mm-50mm。

根据本发明的另一个方面，还提供一种制造3D打印砂型的方法，包括：

S1：根据待成型铸件结构设计内层砂型，并使内层砂型的外表面构造为多面体外表面的一部分；

S2：确定与外表面连接的中层砂型的柱体区域的柱形环尺寸和排布方式，并在相邻柱体区域之间填充实心区域；

S3：在中层砂型外部设计外层砂型，以与内层砂型和中层砂型共同形成砂型模型；

S4：将砂型模型导入3D打印机打印成型。

本发明的有益技术效果在于：

本发明通过在在3D打印砂型中设置沿轴向方向延伸且沿径向方向彼此连接的柱形环，可以有效减少打印材料的使用；并且由于柱形环的空心结构，可以减少打印机喷头的行走路径，进而可以缩短打印周期；此外，由于中层砂型的柱形环沿轴向方向支撑在内层砂型和外层砂型之间，可以保证在3D打印砂型具有足够的整体强度及结构稳定性，以在铸造过程中保证3D打印砂型有足够强度抵抗铁水充型过程中的浮力；另外，由于在柱体区域之间还填充有实心区域，可以进一步增加3D打印砂型的强度和稳定性。

附图说明

图1是本发明一个实施例3D打印砂型的截面图；

图2是图1所示实施例3D打印砂型的局部分解视图；

图3是本发明一个实施例柱体区域的示意图；

图4是本发明一个实施例柱形环的示意图；

图5是本发明另一个实施例3D打印砂型的截面图；

图6是本发明3D打印砂型的制造方法的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的实施例进行详细描述。

如图1至图4所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种3D打印砂型，包括：内层砂型12和外层砂型16，内层砂型12具有用于成型铸件10的内表面，以及与内表面相对的外表面，其中内层砂型12容纳在外层砂型16内部，并且内层砂型12与外层砂型16之间通过中层砂型14连接，其中，中层砂型14包括多个柱体区域18，以及填充在相邻柱体区域18之间的实心区域20，每个柱体区域18包括多个沿轴向方向L1延伸且沿径向方向彼此连接的柱形环22，柱体区域18沿轴向方向L1的一端与外表面连接，另一端与外层砂型连接。

应该可以理解，上述轴向方向L1指的是柱体区域18中的柱形环22的轴向方向L1，并且下文中柱体区域18的轴向方向L1同样指的是柱体区域18中的柱形环22的轴向方向L1。另外，上述径向方向指的是沿每个柱形环22的直径或半径的直线方向，也就是说，上述径向方向垂直于轴向方向L1。并且应该可以理解，在附图中，由于在一些实施例中并不存在铸件，因此铸件10所代表的空间也可以指用于形成铸件10的腔体。

在上述实施例中，通过在在3D打印砂型中设置沿轴向方向L1延伸且沿径向方向彼此连接的柱形环22，可以有效减少打印材料的使用；并且由于柱形环22的空心结构，可以减少打印机喷头的行走路径，进而可以缩短打印周期；此外，由于中层砂型14的柱形环22沿轴向方向L1支撑在内层砂型12和外层砂型16之间，可以保证在3D打印砂型具有足够的整体强度及结构稳定性，以在铸造过程中保证3D打印砂型有足够强度抵抗铁水充型过程中的浮力；另外，由于在柱体区域18之间还填充有实心区域20，可以进一步增加3D打印砂型的强度和稳定性。

再次参照图1，根据本发明的一个实施例，内层砂型12的外表面构造为多面体外表面的一部分，并且外表面的每个平面分别与一个柱体区域18连接。应该可以理解，内层砂型12的外表面可以构造为任意的多面体结构的一部分，例如六面体、八面体等。还应该理解的是，为了增加3D打印砂型的稳固性，内层砂型12的外表面可以设计为尽量与铸件10的形状保持一致，然后再将内层砂型12的外表面修正为平面结构，以方便连接中层砂型14。

应该可以理解，中层砂型14的柱体区域18的轴向方向L1可以与上述内层砂型12的外表面的每个平面成角度设置。

或者，如图5所示，根据本发明的一个实施例，柱体区域18的轴向方向L1垂直于平面。换句话说，柱体区域18的每个柱形环22在其所连接的平面上的投影完全位于柱形环22与平面连接的表面的范围内。这样，柱体区域18垂直地支撑在内层砂型12和外层砂型16之间，可以进一步增加3D打印砂型的结构强度和稳定性。

根据本发明的一个实施例，柱形环22为多边形柱形环，并且相邻两个柱形环之间可沿径向方向横向错开设置。也就是说，柱形环22可以部分错开构造为如图3所示的蜂窝状结构。这样，可以进一步提高中层砂型14的结构强度和稳定性，进而提高3D打印砂型的结构强度和稳定性。当然，柱形环22也可以构造为能够实现其支撑作用的任意其他结构，例如，在本发明的一个实施例中，柱形环22也可以构造为圆柱形的柱形环，或者，在另一个实施例中，柱形环22也可以构造为正多边形柱形环，这可以根据具体情况而定，本发明不局限于此。

根据本发明的一个实施例，每个柱体区域18包括多层柱形环层，相邻柱形环层沿轴向方向L1彼此连接并且相邻柱形环层中的柱形环22彼此沿径向方向错开设置。也就是说，所有的柱形环层沿轴向方向L1彼此连接，支撑在内层砂型12和外层砂型16之间。并且，由于相邻两层柱形环层中的柱形环22不会对齐设置，这样可以进一步增强中层砂型14的强度和稳定性。

进一步地，根据本发明的一个实施例，中层砂型14的柱形环层的数量其中L为铸件10的壁厚，h为铸件10的高度。应该可以理解，此处铸件10指的是通过该3D打印砂型铸造形成的铸件。

根据本发明的一个实施例，为了进一步提高柱体区域18的强度和稳定性，柱形环22的厚度范围为3-5mm，高度范围为20mm-30mm，并且柱形环22所围成的面积小于4cm²。应该可以理解，根据具体情况，柱形环22也可以构造为其他尺寸，本发明不局限于此。

根据本发明的一个实施例，外层砂型16的厚度范围为20mm-50mm。当然，应该可以理解，根据具体情况，外层砂型16的厚度也可以构造为其他尺寸，例如小于20mm或大于50mm，本发明不局限于此。

根据本发明的一个实施例，内层砂型12的厚度范围为30mm-50mm。当然，应该可以理解，根据具体情况，内层砂型12的厚度也可以构造为其他尺寸，例如小于30mm或大于50mm，本发明不局限于此。

如图6所示，本发明另一个方面的实施例还提供一种制造3D打印砂型的方法，包括：

S1：根据待成型铸件结构设计内层砂型，并使内层砂型的外表面构造为多面体外表面的一部分；

S2：确定与外表面连接的中层砂型的柱体区域的柱形环尺寸和排布方式，并在相邻柱体区域之间填充实心区域；

S3：在中层砂型外部设计外层砂型，以与内层砂型和中层砂型共同形成砂型模型；

S4：将砂型模型导入3D打印机打印成型。

通过上述方法形成的3D打印砂型，设置有沿轴向方向L1延伸且沿径向方向彼此连接的柱形环22，可以有效减少打印材料的使用；并且由于柱形环22的空心结构，可以减少打印机喷头的行走路径，进而可以缩短打印周期；此外，由于中层砂型14的柱形环22沿轴向方向L1支撑在内层砂型12和外层砂型16之间，可以保证在3D打印砂型具有足够的整体强度及结构稳定性，以在铸造过程中保证3D打印砂型有足够强度抵抗铁水充型过程中的浮力；另外，由于在柱体区域18之间还填充有实心区域20，可以进一步增加3D打印砂型的强度和稳定性。

本发明的通过利用3D打印一次性高精度打印成型的优势，将3D打印砂型整体结构优化，设计了一种层状砂型结构，使3D打印砂型在减小打印体积的前提下仍能获得较高的整体强度和结构稳定性，以到达减少打印过程树脂粘结剂的使用，降低打印成本同时提高打印效率的目的。

根据本发明的一个实施例，提供一种3D打印砂型设计方法，是将原有整体砂型设计成一种层状结构，层状结构包括内层砂型12、中层砂型14和外层砂型16。

内层砂型12是指位于砂型内侧与铸件接触的砂型部分，其结构为具有一定厚度的实心砂层，根据砂型大小建议设计范围30mm-50mm，其一端(内端)形状与铸件10的结构相同，用于形成铸件结构，另一端(外端)设计轮廓尽量保持与铸件随形，同时将其表面修整为平面结构(方便连接中层砂型14)；中层砂型14指连接在内层砂型12外端的具有特殊结构的过渡层砂型，其结构包括柱体区域18和实心区域20，柱体区域18由中空的具有稳定结构的多边形(如正六边形、泰森多边形等)砂柱单元组成(即柱形环22)，中空多边形砂柱是在空间拉伸出的具有一定壁厚和高度的多边形柱体，其柱壁厚度根据砂型大小建议设计值范围3-5mm，其单个柱体高度根据砂型大小建议设计值范围20mm-30mm，其单个多边形面积设计值范围建议小于4cm²。砂柱在水平方向紧密排列并在径向方向以S层堆积，层与层之间的多边形错位对接，砂柱的径向方向与内层砂型的外端平面垂直，中层砂型的柱体层数S依据铸件的壁厚大小L及铸件高度h确定，根据经验公式S＝计算可得，实心区域20是指异向分布的砂柱之间的实体连接过渡区域；外层砂型16是连接在中层砂型14外端实心壳芯，用于包裹中层砂型结构，提高整体强度，根据砂型大小建议壳芯厚度设计值范围20-50mm。

在本发明的另一个实施例中，还涉及一种3D打印砂型的制造方法，具体步骤如下：

根据铸件结构设计内层砂型12，其轮廓尽量保持与铸件随形，以最大化的减小内层砂型的体积，同时将外端面整合成多个平面；

测量铸件10的高度及主体壁厚，计算中层砂型所需的设计层数(局部超过主体壁厚的厚大位置需增加设计层数)；

在内层砂型12所有外端平面上设计中层砂型14，设计完成后，将所有异向中层砂型14中间的空隙用实体填补；

在中层砂型14外围整体设计20mm厚实体砂型(即外层砂型16)进行固封，提高整体强度；

将设计好的砂型导入3D打印机打印成型。

本发明有效降低了砂型的3D打印成本，打印效率得到明显提升；并且中层砂型14的蜂窝状结构设计减轻了砂型重量，同时保证了砂型的整体强度和结构稳定性；中层砂型14的中空结构减小了铸造过程的发气量，同时砂型的透气性得到提升，减少了铸造过程的气孔类缺陷。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。