一种基于光固化3D打印技术的快速压蜡模具制造工艺的制作方法

本发明涉及一种工艺，尤其是涉及一种基于光固化3D打印技术的快速压蜡模具制造工艺，它属于快速模具制造技术领域。

背景技术：

熔模精密铸造是一种应用广泛的近净成形工艺，特别是在高精度、复杂结构铸件生产过程中具有不可替代的优势。熔模精密铸造生产的第一个工序就是制造蜡模，此蜡模即为熔模。传统的熔模精密铸造一般采用金属压蜡模具作为压型来制造蜡模。传统的模具制造方法有很多，例如数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工等。但是，由于传统模具生产工艺复杂，开发周期长，制造成本较高，较适用于传统大批量生产方式，难以实现复杂精密铸件的快速制造，直接影响产品开发效率，因而无法适应快速多变的市场需求。

中国模具行业技术协会在模具行业“十二五”发展规划中指出，进一步缩短模具制造周期，重点发展新型快速经济模具，是模具发展的下一个目标；因此，有效缩短模具开发周期并降低模具制造成本对于满足现代社会快速多变的市场需求具有极为重要的意义。

3D打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，它不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，仅利用三维设计数据在一台设备上即可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件。依据打印方式与打印材料的不同，3D打印技术可分为不同的种类；其中光固化3D打印技术的加工精度较高，它以光敏树脂为加工原料，采用分层制造的原理，利用紫外激光束对光敏树脂进行逐层扫描固化，直至整个零件制作完成。

光固化快速压蜡模具就是将先进的3D打印技术与快速模具制造技术相结合，直接以3D打印树脂模具替代传统金属压蜡模具作为压型压制小批量蜡模，有效缩短了生产周期、提高了产品开发效率。

但是，因光固化3D打印成形的模具材料为光敏树脂，其强度、导热率与传统金属模具相比都存在较大差距，这将大大降低该快速模具在铸造领域的实用性，也极大地限制了该快速模具在铸造领域的推广应用。因此，研究一种新型光固化快速压蜡模具制造工艺，以使其性能尽可能接近金属压蜡模具，这将对该快速压蜡模具在铸造领域推广应用具有重要意义。

公开日为 2014 年 04 月 16 日，公开号为 103722127A 的中国专利中，公开了一种名 称为“一种基于光固化 (SL) 的快速熔模铸造方法”的发明专利。该专利运用 3D 打印技术 制作的树脂原型代替熔模铸造中的蜡型，树脂原型为薄壁的蜂窝结构，内浇道设置在树脂 原型上，浇注系统采用常规的蜡浇注系统，在蜡浇注系统上设置凹槽，组树时内浇道插 入凹槽中粘接固定 ；在树脂原型上设置蜡棒，制壳后形成排气孔。该方法虽然降低了铸造 成本，减小生产周期，避免了型壳在焙烧过程中的开裂现象，但是常规的蜡浇注系统，仅把 内浇道设置在树脂原型上，还需在制作完成后的零件树脂原型上人工设置蜡棒，费时费力， 且难以保证所制作浇注系统与最优化设计方案保持一致，从而对最终浇铸金属零件质量存 在一定的影响，并且将降低批量铸件产品的质量稳定性，而且受到手工工艺的限制，增加了 工艺复杂性，故其还是存在缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种工艺合理、生产周期短、生产成本低、制造精度高的的基于光固化3D打印技术的快速压蜡模具制造工艺

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于光固化3D打印技术的快速压蜡模具制造工艺，其特征在于：包括以下步骤 ：

（1）模具结构CAD优化设计

基于三维建模软件建立模具元件的三维模型，并对模具进行结构优化设计，在完成结构优化设计的基础上，对模具模型进行抽壳设计，完成抽壳后形成内部中空的模具型壳三维模型；

（2）树脂模具型壳3D打印成形

将模具型壳三维模型转换成STL数据格式，并导入前处理软件进行前处理，该前处理依次包括模型造型方向定位、设计支撑以及分层处理，再将完成前处理的模型数据导入激光快速成型机，以耐热性较好的高强度光敏树脂为3D打印原材料，设置好工艺参数后开始光固化3D打印成形，制作完成后得到带支撑的模具型壳树脂原型，再进行后处理，制得树脂模具型壳备用；

（3）安装金属冷却管道

在前期制作好的树脂模具型壳内部安装金属冷却管道，将金属冷却管道的两端分别从树脂型壳内部向外插入树脂型壳上的两个冷却管道安装孔，再将冷却管道的中间部分固定安装在前期设计的冷却管道支撑结构上；

（4）制备金属树脂混合物

以环氧树脂和金属粉末为基料，按一定的重量比例将环氧树脂、环氧固化剂及金属粉末混合并快速搅拌均匀，初步制得金属树脂混合物备用；环氧树脂中的环氧基团将逐渐与环氧固化剂发生交联反应而形成不溶的网状立体聚合物，也即发生固化反应，金属粉末被包络在网状体之中；

（5）模具型壳内部填充固化

在完成金属冷却管道安装及金属树脂混合物制备的基础上，将前述制备好的金属树脂混合物倒入树脂模具型壳的内部空腔结构中，在重力作用下该金属树脂混合物自动填充树脂模具型壳内部空腔结构，平放静置，待其完全固化后即可制得快速压蜡模具。

以上的工艺步骤省去了传统金属压蜡模具的加工制造环节，节省了压蜡模具制造成本，缩短了压蜡模具制造周期，得到尺寸精度高的压蜡模具制品。

作为优选，本发明所述步骤（1）中，结构优化设计包括定位结构设计、连接固定结构设计、注蜡孔设计、冷却管道安装孔设计和冷却管道支撑结构设计。

作为优选，本发明所述步骤（1）中，三维建模软件采用Pro/E、UG和SolidWorks中的一种；也可选用其他的三维建模软件。

作为优选，本发明所述步骤（1）中，抽壳处理中的抽壳壁厚设置范围为2mm-8mm。

作为优选，本发明所述步骤（2）中，前处理软件采用RPData或Imageware中的一种；并不局限于这两种软件。

作为优选，本发明所述步骤（2）中，后处理依包括次进行清洗、去支撑、后固化和表面打磨。

作为优选，本发明所述步骤（3）中，金属冷却管道采用铁管、铝管或铜管中的一种；也可选用其他导热性能较好的金属冷却管道。

作为优选，本发明所述步骤（4）中，金属粉末采用铁粉、铝粉或铜粉中的一种；；也可选用其他导热性能较好的金属粉末。

作为优选，本发明所述步骤（4）中，环氧树脂采用E51型环氧树脂，环氧固化剂采用810环氧固化剂。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、省去了传统金属压蜡模具的加工制造环节，节省了压蜡模具制造成本，缩短了压蜡模具制造周期；2、金属树脂混合物的固化速度及导热率人为可调，其中环氧固化剂的重量比例越高，则固化速度越快，其中金属粉末的含量越高，则快速压蜡模具的冷却效果越好；3、金属树脂混合物在其固化过程中变形收缩率小、尺寸稳定性较好，有利于提高快速压蜡模具制品的尺寸精度；4、所制得快速压蜡模具的机械强度较高、导热性能较好，可有效提高该快速压蜡模具的使用寿命，有效提高了其在铸造领域的实用性，便于在单件、小批量快速铸造领域推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺流程示意图。

图2为本发明实施例开式离心泵叶轮模型轴测结构示意图。

图3为本发明实施例开式离心泵叶轮模型剖面结构示意图。

图4为本发明实施例光固化3D打印成形的树脂模具型壳轴测结构示意图。

图5为本发明实施例制作完成后的快速压蜡模具简易剖面结构示意图。

图中：开式离心泵叶轮1，上模具树脂型壳2，下模具树脂型壳3，金属冷却管道4，金属树脂混合物5。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图2-图3，为一种常见的开式离心泵叶轮，一般采用传统的熔模精密铸造制造工艺，但因该叶轮具有复杂的曲面形状，使得其金属压蜡模具制造成本高、周期长，难以适应小批量定制化快速生产制造模式，而利用本发明提出的工艺能够较好地满足这一需求。

参见图1至图5，基于光固化3D打印技术的快速压蜡模具制造工艺，包括以下工序步骤：

（1）模具结构CAD优化设计

基于Pro/E软件建立开式离心泵叶轮1的三维模型，并以该叶轮1的三维模型作为参照模型抽取模具元件，得到上模具与下模具的三维模型，分别对该上、下模具进行结构优化设计，包括定位结构设计、连接固定结构设计、注蜡孔设计、冷却管道安装孔设计、冷却管道支撑结构设计等。在完成结构优化设计的基础上，再对该上、下模具模型进行抽壳设计，抽壳壁厚设置为5mm，完成抽壳后形成内部中空的上、下模具型壳三维模型。

（2）树脂模具型壳3D打印成形

将前述完成CAD优化设计的上、下模具型壳三维模型转换成STL数据格式，并导入RPData前处理软件进行前处理，依次包括模型造型方向定位、设计支撑以及分层处理。

将完成分层处理的上、下模具型壳模型数据导入激光快速成型机，以耐热性较好的高强度光敏树脂为3D打印原材料，在RpBuild工艺控制软件中设置好工艺参数后开始光固化3D打印成形，制作完成后得到带支撑的上模具树脂型壳2及下模具树脂型壳3。

将制作完成得到的上模具树脂型壳2及下模具树脂型壳3依次进行清洗、去支撑、后固化、表面打磨等后处理工序，以提高树脂模具型壳的尺寸精度、强度、表面质量等性能。

（3）安装金属冷却管道

在前期制作好的上模具树脂型壳2及下模具树脂型壳3内部安装金属冷却管道4，将金属冷却管道4的两端分别从树脂模具型壳内部向外插入树脂模具型壳上的两个冷却管道安装孔，以确保金属冷却管道4两端开口位于树脂模具型壳外侧，以便于一端作为冷却水进水口，另一端作为冷却水出水口，再将金属冷却管道4的中间部分固定安装在前期设计的冷却管道支撑结构上。

（4）制备金属树脂混合物

按一定的重量比例依次定量称取E51型环氧树脂、810环氧固化剂及铁粉，在此基础上，先分别将称量好的E51型环氧树脂及810环氧固化剂全部倒入同一个玻璃容器中混合并快速搅拌均匀，初步形成环氧树脂基混合物，再将称量好的铁粉加入其中并快速搅拌均匀，形成金属树脂混合物5备用。

（5）模具型壳内部填充固化

在完成金属冷却管道4安装及金属树脂混合物5制备的基础上，将前述制备好的金属树脂混合物5依次倒入上模具树脂型壳2及下模具树脂型壳3的内部空腔结构中，在重力作用下该金属树脂混合物5自动填充树脂模具型壳内部空腔结构，平放静置，待其完全固化后即可制得一副包括上、下模具的快速压蜡模具。该快速压蜡模具工作时只需将上、下模具合模并从注蜡孔向内注射蜡液，同时金属冷却管道4内通入冷却水进行循环冷却，待蜡液冷却凝固后将上、下模具开模即可取出叶轮蜡模，用于进行熔模精密铸造。

本实施例在完成模具结构CAD优化设计的基础上，直接将模具型壳三维模型光固化3D打印成形，再在树脂模具型壳的内部中空部位填充金属树脂混合物5，静置固化后即可制得快速压蜡模具。该实施例省去了传统金属压蜡模具的加工制造环节，节省了压蜡模具制造成本，缩短了压蜡模具制造周期，且所制得快速压蜡模具的机械强度较高、导热性能较好，有效提高了其在铸造领域的实用性，便于推广应用。

本实施例中用于模具型壳光固化3D打印成形的原材料采用耐热性较好的高强度光敏树脂材料，以提高所制得快速压蜡模具的强度、硬度及耐高温性能，使得该快速压蜡模具的性能尽可能接近金属模具，并有效提高该快速压蜡模具的使用寿命。

本实施例中用于模具内部填充的金属树脂混合物5主要由E51型环氧树脂、810环氧固化剂及铁粉按一定的重量比例混合而成。其中E51型环氧树脂与810环氧固化剂的重量比例将直接决定该金属树脂混合物5的固化速度，所含810环氧固化剂的重量比例越高，则固化速度越快；其中铁粉的含量越高，则金属树脂混合物5固化后导热率越高，所制得的快速压蜡模具的冷却效果越好。

本实施例中用于模具内部填充的金属树脂混合物5在其固化过程中变形收缩率小、尺寸稳定性较好，有利于提高快速压蜡模具制品的尺寸精度；该种金属树脂混合物5固化后的机械强度及硬度较高，有利于提高后续快速压蜡模具制品的机械物理性能；且因该种金属树脂混合物5中含有金属粉末材料，有利于提高后续快速压蜡模具制品的导热率。

本实施例中的环氧树脂采用E51型环氧树脂，环氧固化剂采用810环氧固化剂，金属粉末采用铁粉；金属树脂混合物即环氧树脂及金属粉末混合物。

本实施例附图中的上模具树脂型壳2、下模具树脂型壳3及金属冷却管道4仅仅是为了解释本发明而设定的一种虚拟的结构形式，并不影响本发明实际适用结构的广泛性。

通过上述阐述，本领域的技术人员已能实施。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。