全文摘要
一种铁模覆砂型芯，包括：金属模，所述金属模的外表面具有与待被铸造的产品形状相对应的外形；以及覆盖在所述金属模的所述外表面上的覆模砂，其中，所述覆模砂通过3D打印设备被成形在所述金属模的外表面上，在所述覆模砂中形成有若干微排气通道，所述微排气通道相互连通并且在铸造时与砂箱分型面处的间隙连通，所述微排气通道在使用3D打印设备进行3D打印的过程中形成，所述若干微排气通道整体上在所述覆模砂的整个延伸尺寸上形成以使铸件浇注过程中产生的气体顺着所述排气通道排出到砂箱外面。通过覆模砂中的微排气通道的结构，使得铸造过程中产生的气体得到了有效的排出。
主设计要求
1.一种铁模覆砂型芯，其特征在于，包括：金属模，所述金属模的外表面具有与待被铸造的产品形状相对应的外形；以及覆盖在所述金属模的所述外表面上的覆模砂，其中，所述覆模砂通过3D打印设备被成形在所述金属模的外表面上，在所述覆模砂中形成有若干微排气通道，所述微排气通道相互连通并且在铸造时与砂箱分型面处的间隙连通，所述微排气通道在使用3D打印设备进行3D打印的过程中形成，所述若干微排气通道形成在整个所述覆模砂中以使铸件浇注过程中产生的气体顺着所述排气通道排出到砂箱外面。
设计方案
1.一种铁模覆砂型芯，其特征在于，包括：
金属模，所述金属模的外表面具有与待被铸造的产品形状相对应的外形；以及
覆盖在所述金属模的所述外表面上的覆模砂，其中，
所述覆模砂通过3D打印设备被成形在所述金属模的外表面上，在所述覆模砂中形成有若干微排气通道，所述微排气通道相互连通并且在铸造时与砂箱分型面处的间隙连通，所述微排气通道在使用3D打印设备进行3D打印的过程中形成，所述若干微排气通道形成在整个所述覆模砂中以使铸件浇注过程中产生的气体顺着所述排气通道排出到砂箱外面。
2.如权利要求1所述的铁模覆砂型芯，其特征在于，所述若干微排气通道的形状、尺寸以及在覆模砂中的分布通过用于3D打印设备的CAD建模过程来确定。
3.如权利要求1所述的铁模覆砂型芯，其特征在于，所述覆模砂由具有一定粒度的无机材料形成或者所述无机材料被形成为多孔结构，所述无机材料的颗粒之间的间隙或所述多孔结构的小孔共同构成所述排气通道。
4.如权利要求1-3中任一项所述的铁模覆砂型芯，其特征在于，所述金属模由高强度且耐铸造高温的金属制成。
5.如权利要求1-3中任一项所述的铁模覆砂型芯，其特征在于，所述金属模被制成为实心或空心结构。
6.如权利要求1-3中任一项所述的铁模覆砂型芯，其特征在于，所述微排气通道的截面为圆形、椭圆形、矩形、多边形或不规则形状。
7.如权利要求1-3中任一项所述的铁模覆砂型芯，其特征在于，所述覆模砂的层厚为大约7mm。
8.如权利要求4所述的铁模覆砂型芯，其特征在于，所述金属模由铸铁制成。
设计说明书
技术领域
本申请涉及铸造领域，尤其涉及铸造工艺中的铁模覆砂型芯的制造，其通过在铁模上3D打印出需要的覆模砂而形成有微排气通道。
背景技术
铸造行业是制造业的基础产业，在国民经济发展中处于不可或缺的地位，近年来铸造业已得到了快速的发展，尤其是铁模覆砂制造技术得到了广泛的应用，但传统铁覆模砂工艺中，覆模砂和砂芯的制造设备复杂，能耗大，所制成的砂芯透气性差，造成铸造产品多气孔等一些顽固缺陷，且只能制造空间结构相对简单的产品。为此，3D打印技术在铸造领域得到了一定程度的应用和发展。
CN201711188955公开了一种耐高温3D打印覆膜砂成型固化剂及其制备工艺，其中提及了成型固化剂的组分配比，即按重量份数主要包括改性酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛等，以提高覆膜砂的粘合强度和耐老化性能，延长覆膜砂的使用寿命。
CN108296420A公开了一种激光3D打印用覆膜砂及其制备方法，也涉及了按重量份的原料成份以提高了覆膜砂的整体强度、耐高温性、耐火持久性以及自身结构稳定性。
CN108296442A公开了一种3D打印覆膜砂成型工艺，其实施例中公开了3D打印覆膜砂成型工艺的若干步骤：原砂干燥、酸洗、再干燥、在混砂机中制备混合砂、将混合砂射入模具、向模具内通入100℃蒸汽以得到3D打印覆膜砂半成品、干燥固化成型以得到成型3D打印覆膜砂，还公开了覆模砂的按重量组分。
CN108672660A公开了一种基于覆膜砂材料的3D打印快速成型机，在需要使用3D打印设备制作覆膜砂制芯时，加入生产原料，将设备接入外界电路，工作人员通过控制面板控制电动机工作，移动喷枪升降，原料通过喷枪到达打印台上方的限位板顶板，控制面板通过控制增压泵、电动机、第一气缸和第二气缸的配合完成覆膜砂制芯的生产工作。
CN207205200U公开了一种覆膜砂制芯用3D打印设备，通过中央控制装置导入待打印砂芯数据，根据数据，生成相应的控制电信号调节打印工作台位置依次进行各层打印。
CN104923712A公开了一种3D打印覆膜砂及制备方法，其涉及一种用于铸造领域中的覆膜砂，也公开了覆膜砂的成份，其中向混砂机中加入的是三聚氰胺甲醛树脂、腰果壳液改性酚醛树酯和粘结剂，由其制得覆膜砂。
显然这些传统3D打印铁模覆砂制造技术中，大多采用树脂砂造型，砂子用量大，造型时间长效率低，强度低，而且，采用热固性有机树脂作为粘结剂的最大缺点就是废气排放问题，有机树脂多源于石油制品或农业化学品，价格高，造型、制芯时，VOC值高，危害操作者健康，浇注过程中，产生大量有害气体，污染环境。因此，需要在铸造过程中将这些有害气体及时排出。
为此，需要提供一种与传统铁模覆砂型芯及传统3D打印树脂砂型芯相比，具有改进的排气功能的3D打印覆膜砂型芯，其具有突出的性能优势、经济优势以及环保优势。
实用新型内容
本申请旨在解决现有铸造技术中的以下问题：砂芯制造设备复杂，能耗大，砂芯成本高，不透气，易发气的问题；铁模覆砂工艺中，覆膜造型设备复杂，能耗大，成本高，不透气，易发气的问题；3D打印树脂砂造型时间长、成本高、效率低、强度小、废气排放环保问题。
为此，本申请提供一种铁模覆砂型芯，包括：金属模，所述金属模的外表面具有与待被铸造的产品形状相对应的外形；以及覆盖在所述金属模的所述外表面上的覆模砂，其中，所述覆模砂通过3D打印设备被成形在所述金属模的外表面上，在所述覆模砂中形成有若干微排气通道，所述微排气通道相互连通并且在铸造时与砂箱分型面处的间隙连通，所述微排气通道在使用3D打印设备进行3D打印的过程中形成，所述若干微排气通道整体上在所述覆模砂的整个延伸尺寸上形成以使铸件浇注过程中产生的气体顺着所述排气通道排出到砂箱外面。
可选地，所述若干微排气通道的形状、尺寸以及在覆模砂中的分布通过用于3D打印设备的CAD建模过程来确定。
可选地，所述覆模砂由具有一定粒度的无机材料形成或者所述无机材料被形成为多孔结构，所述无机材料的颗粒之间的间隙或所述多孔结构的小孔共同构成所述排气通道。
可选地，所述覆模砂材料由硅砂与无机粘结剂或少量有机粘结剂制成。
可选地，所述无机材料包括硅酸盐。
可选地，所述金属模由高强度且耐铸造高温的金属例如铸铁制成。
可选地，所述金属模被制成为实心或空心结构。
可选地，所述微排气通道的截面为圆形、椭圆形、矩形、多边形或不规则形状。
可选地，所述覆模砂的层厚为大约7mm。
本申请的铁模覆砂型芯，通过用基本上无机材料在铁模上3D打印而成，使得覆模砂中具有微孔排气功能，所述排气通道是由互联互通的微观通道连接而成，所述排气通道也可以利用三维建模软件进行优化设计而成，所述3D打印铁模覆砂型芯由硅砂与无机粘结剂或少量有机粘结剂通过激光3D打印成型。
即，通过3D打印技术在铁模上快速生产出一种带微排气通道的无机环保型3D打印铁模覆砂型芯，省去制芯及造型的模具及设备(包括加热等附属设备)，省去了传统铸造当中的模具设计及制造工艺，基本实现无模化铸造。此外，因为本申请采用的是无机粘结剂或少量有机粘结剂，可大大降低废气粉尘等排放。
附图说明
本申请结合下面的附图以及详细描述将变得明显和容易理解，附图中：
图1为根据本申请用于打印覆模砂型芯的打印设备；
图2为根据图1所示打印设备所打印的覆模砂的一部分的详细示图；
图3为根据本申请的覆模砂型芯的局部的更详细示图；
图4为包括根据本申请的覆模砂型芯的砂箱在铸造过程中的气体排气示意图；
图5为铸造过程中所用的传统砂箱的示意图；以及
图6为将图5所示传统砂箱改进为本申请的覆模砂砂箱且量产化后的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以多种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本申请的用于3D打印铁模覆砂型芯的打印设备100，该打印设备100包括基座1和直立于基座上方且沿着轨道15在图中箭头Y所示方向上可移动的龙门架2，基座1上设置有打印平台3和置于打印平台3上的三维移动工作台4，待打印物品置于该三维移动工作台4上。激光打印装置5设置在该龙门架2上。龙门架2具有在三维移动工作台4上方且与三维移动工作台4平行的水平导轨6，水平运动支撑台8在该水平导轨6上进行如图中箭头X所示的水平运动，水平运动支撑台8中具有竖直导槽，承载激光打印装置5的竖直运动支撑台7在该竖直导槽内进行如图中箭头Z所示的竖直运动，从而使得激光打印装置5可以进行全方位的移动。
该激光打印装置5与激光器11相连，混料箱10连接到激光打印装置5以向激光打印装置5供给混合后的覆模砂材料。气源12与混料箱10相连以帮助材料进行混合。混料箱10中设有多个供应口以供分别进给覆膜砂材料和粘结剂，例如硅砂供给口13和无机粘结剂供给口14。
该打印设备100还具有控制系统9，根据所要打印的物品以及不同的工艺条件上，分别对激光打印装置5、激光器11、气源12、以及混料箱10的操作进行控制。
本申请中使用上述打印设备100进行铁模覆砂型芯的制造过程如下，首先确定所要铸造的产品规格(包括尺寸、材料、工艺要求等)；然后根据所确定的产品规格进行相应的产品CAD设计，设计出产品的具体参数；根据所确定的产品的具体参数对产品所要配合使用的铸造用铁模进行三维设计；根据铁模的参数和最终产品的参数进行覆模砂的三维设计，将所述三维设计的数据分层生成扫描轨迹以供打印设备使用；根据需要将制造覆模砂材料用的各种组成材料按设计比例装载到混料箱中，用打印设备100通过例如3DP黏胶剂喷射技术和SLS选择性激光烧结技术在铁模上打印出覆模砂，从而形成初步的型芯，然后清除型芯上的松砂并上涂料，制得铁模覆砂型芯。该型芯可用于下一步的制造工序，例如下芯、合箱、浇注，以获得最终的铸件。
传统铁模覆砂工艺只能制造空间结构相对简单的产品，而采用3D打印铁模覆砂型芯则可以制造传统工艺难以甚至无法制造的复杂结构。
但是传统铁模覆砂工艺中，砂芯与砂型没有透气性，在铸造生产过程中，由于高温发气产生的气体无法及时排除型腔，极易造成产品气孔针孔等有害缺陷，严重时产品直接报废。
因此，本申请在此基础上进行了改进，在3D打印覆模砂的过程中，在覆模砂中制造出一种微排气通道，所述微排气通道是由互联互通的微观通道连接而成，此种型芯在铸造浇注时，通过微排气通道以及砂箱分型面设置的排气通道快速排气，可以有效提高铸型的透气性，减少憋气发气，避免铸件气孔缺陷产生，提高铸件整体质量。
在图1所示的三维移动工作台4上，示例性地示出了3D打印出的铁模覆砂型芯20，该铁模覆砂型芯20的一部分的放大示图示于图2中，以示意性地示出覆模砂中的微排气通道23。
该铁模覆砂型芯20包括铁模21和3D打印在铁模21的表面上的一层覆模砂22，覆模砂22中设计有若干个微排气通道23。这些微排气通道23在根据铁模的参数和最终产品的参数进行覆模砂的三维设计过程中以及将所述三维设计的数据分层生成扫描轨迹的过程中进行，也可以通过覆模砂的材料选择来实现。
图3以更大比例的放大图示出了覆模砂22中的微排气通道23以及气体流动路径24。
微排气通道23的形状和大小可以根据所要浇注的材料和尺寸来设计，只要这些微排气通道23能共同起作用，以将铸造过程中产生的气体输送到砂箱之间的分型面从而传送到砂箱外部即可。实践中，一方面可以将微排气通道23设计为截面为圆形、方形、矩形、多边形等的通道，微排气通道23也可以为不规则形状，但各个微排气通道23之间相互连通，并且与分型面连通。另一方面，可以通过覆模砂本身的材料选择来形成微排气通道23，例如，覆模砂22采用多孔材料或制成为多孔结构，其中的孔隙相互连通，即构成所述的微排气通道23。
图4示出了根据本申请的铁模覆砂型芯在铸造过程中的气流走向示意图。如图所示，铸造砂箱的两个部分即上箱和下箱分别由根据本申请的铁模覆砂型芯构成，上箱包括铁模21和覆模砂22，下箱包括铁模21′和覆模砂22′，砂箱合到一起后，在覆模砂22和22′之间形成模腔，供浇注液体，在铸造过程中产生的气体会如图4中箭头24所示顺着覆模砂中的微排气通道流动，最后通过上下箱之间的分型面的间隙排出。
铁模覆砂型芯通过在铁模21的外表面上3D打印出覆模砂22而形成，故覆模砂22的厚度可以根据需要进行选择，如图4所示，相比于整个模具而言，覆模砂22的层厚度非常小，其可以例如为小于7mm。
图5示出了通过传统的3D树指打印铸型形成的砂箱40结构示意图，由上箱41和下箱42构成，其中，型芯直接在上箱41和下箱42里面以层为单位打印，可以看出，这种型芯，整体用砂量大，打印效率低，时间长，能耗大，实际应用效益差，成本非常高。
从图4和图5的结构对比可以看出，本申请的型芯与之相比，显然大大节约了用砂量。
此外，本申请的铁模覆砂型芯也适于大量生产，并且，仅需要在现有铁模21的基础上进行改造即可实施。
图6示出了在图5所示传统砂箱基础上改进的铁模覆砂型芯量产后的结构图，只需在铁模21、21′之上通过图1所示的打印设备100来打印出覆模砂22、22′即可，无论是单件小批量生产还是大中批量生产，均可实现最柔性化制造生产，且成本远低于传统铸造工艺。对于新品单件小批量生产，无需为新产品设计专用铁模砂箱，可以采用通用铁模砂箱为载体，通过3D打印造型\/芯，进行浇注后得到产品，大大缩减从图纸到实物的开发周期，减少物料消耗。当产品结构等需要调整修改时，可以根据客户需要，快速做出调整而不产生额外的成本。待所生产样件获得客户批准后，即可将通用砂箱更换为与产品匹配的专用铁模砂箱。
至于本申请的覆模砂22的材料，可以选用无机材料，例如硅酸盐，来作为造型砂，且这些无机材料可以与无机粘合剂在混料箱10中进行混合，形成3D打印用的覆模砂材料。克服了传统铁模覆砂中因采用有机树脂砂为造型砂时所产生的问题，即在生产结构复杂的铸造产品时，因砂子流动性的局限会发生射砂不实而造成产品直接报废的问题。另外，传统工艺中的热固性有机树脂作为粘结剂的最大缺点就是废气排放问题，有机树脂多源于石油制品或农业化学品，价格高，造型、制芯时，VOC值高，危害操作者健康，浇注过程中，产生大量有害气体，污染环境。这些都通过本申请中的覆模砂中所设计的微排气通道23得到了有效的解决。
本申请采用3D打印铁模覆砂型芯，在打印的过程中通过激光选择性烧结，瞬时固化，省去了庞大的加热设备，减少工人劳动强度；只需要铁模砂箱即可，省去了铁型模具的制作，成本大大降低；由于省去了加热固化所需的时间，生产效率极大提高，适合大批量生产。
虽然以铁模覆砂为例描述了本申请，即在铁模上3D打印出覆模砂，但是，铁模的材料可以为其他材料，只要其熔点高于铸造温度并且具有足够的机械强度即可，即，可以选用其他的耐高温高强度金属材料，不限于铁。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若这些修改和变型属于本申请的权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920001680.7
申请日:2019-01-02
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:14(山西)
授权编号:CN209393944U
授权时间:20190917
主分类号:B22C 9/10
专利分类号:B22C9/10
范畴分类:25D;
申请人:山西汉通鑫宇科技股份有限公司
第一申请人:山西汉通鑫宇科技股份有限公司
申请人地址:048026 山西省晋城市经济技术开发区兰花路1442号
发明人:董满林;康雷宇;韩红义
第一发明人:董满林
当前权利人:山西汉通鑫宇科技股份有限公司
代理人:杨胜军
代理机构:11376
代理机构编号:北京永新同创知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计