CN1275719C - 制作三维消失模的方法和制作热固化造型材料砂铸模的方法 - Google Patents

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Abstract

在用升温固化造型材料制作铸模(6)的方法中，铸模(6)和/或芯(20)的制作采用的是通过电磁辐射的作用对造型材料各层实施分层选择性固化的方法，而不必预先制作模组件。

Description

制作三维消失模的方法和制作热固化造型材料砂铸模的方法
本发明涉及一种不用标准模具而快速制作浇铸作业用的消失模和芯的方法。
对于三维、复杂几何形状的精密制品的快速生产已有多种惯用的方法，这些方法甚至可在不用标准模具的情况下为制品提供切槽，即它们无需对制品提供阳模或阴模的外部和内部形状，也不用进行机械修饰和切割操作，就可按计算机给出的三维几何图象直接由固体、粉状或液体基料生产出指定的制品。已知的这些方法被称作：再生制造法，快速原型法(RP)，固体随意形状制造法(SFM)或快速随意形状制造法(FFFF)(Technische Rundschan 83(1992)20，pp.36-43和44，pp.58-61；Materials  World，1993，12，pp.656-658；Modern casting1993，10，pp.25-27)。这类方法中最有名的是立体平印法(Konstruieren+Gieβen 17(1992)4，pp.13-19；Technische Rundschau82(1991)11，pp.40/41；Automobil-produktion 1992.8，pp.102/104；Laser-praxis 1992，5，pp.LS58/LS59)。
这些方法可以生产各种树脂、涂覆纸和蜡制的原型、样品制件。各种物料适合把由此生产的制品在精细浇铸过程中作为消失模，因此可不用标准模具而用精细浇铸来生产浇铸部件。人们还知道，金属和陶瓷制品可以用选择性激光烧结(SLS)法直接生产而不用标准模具(Int.J.ofPowder Metallurgy 28(1992)4，pp.369-381；Metal-lurgicalTransactions A24/1993，pp.757-759)。
有一种选择性激光烧结法是在DE4300478C1中披露的。采用这种方法可以生产三维制品，它是将由可固化粒料形成的制品的各层，用激光辐射各层的相应部位对制品各层进行依次固化。已知它是通过金属和陶瓷粉的激光烧结来生产三维制品的。
在选择性激光烧结法中所用的粒料是由组分A和组分B构成的两组分陶瓷型物料，粒料颗粒之间是通过陶瓷型键接将A、B结合在一起的，即粒料组分之间发生了化学反应。
已经知道，在二氢磷酸铵或氟代磷酸铵玻璃粉料的粘结时用三氟化二铝作粘结剂，此时二氢磷酸铵或氟代磷酸铵被激光辐射熔化成玻璃相，粒状氧化铝渗入并经凝固获得具有一定初始强度的粘结体，然后将所得物体取出选择性激光烧结装置，于800℃以上的温度下处理数小时(焙烧或烘烤处理)，由此各组分完全反应形成高密度、高强度、高硬度和高熔融温度的陶瓷型键接体。两个组份可以混合(图1)或一个组分被另一组分涂覆(图2)，任何方式经焙烧后均可制得陶瓷型键接的制品(图3)。迄今为止关于这种方法的已知实例的典型特性之一是：组分A在选择性激光烧结装置中开始时并不熔化，而在焙烧过程中参与化学反应形成陶瓷型制品C；另一个典型特性是，需经长时间高温焙烧，而所形成的陶瓷体可用作精细铸造的模壳或芯。当采用其它物料时，也能制得均匀的陶瓷制件。
(3rd.Int.Conf.on Rapid Prototyping at the University of Day-ton，Conf.Proceedings，Dayton，Ohio，1992，S.73-77；SolidFreeform Fabrication Symposium Proceedings，University ofTexas at Austin，Texas，1991，S.195-205，205-212，u.1992，S.44-53，63-71，124-130，141-146；US-Patents No.5.156.697，5.147.587，4.944.817，Europa-Patentanmeldung Nr.0.416.852.A2).
选择性激光烧结法最常见的应用就是树脂粉经颗粒的表面熔融和焙烧而烧结，由于据此制得的实物不能直接使用，即不能在砂浇铸法中作为消失模或芯，因而对此将不做详细解释。同样对于已知的蜡粒子的处理，由于在精细浇铸法中依此制得的实物只能用作消失模(阳模)，故也未加讨论。
(US-Patents No.5.155.324，5.053.090，5.076.869，5.132.143，5.017.753，4.863.538，Weltpatent-Anmeldung PCT/US87/02635(Internat.Publ.No.WO88/02677).
在烧结金属粉末的情况中，金属粒子是用聚合物粘结剂例如环氧树脂涂覆(图2)或与之混合(图1)，因此形成物件初始强度的暂时性粘结作用是由该聚合物粘结剂提供的。在选择性激光烧结装置中，物料受激光辐射而固化的过程仅仅是由聚合物的表面熔化、浸润金属/陶瓷粒子，当冷却时粒子就相互粘结起来(图4)，此时并无化学反应发生。其后将实物移出选择性激光烧结装置之外，通过热处理将聚合物粘结剂消除，借此在相当高的温度下使金属粒子烧结在一起(图5)。据此制得的实物仍然是多孔的，为了获得终极密度和强度，还可用低熔点的第二种金属D浸渗(图6)。对陶瓷粉末也可用相同的原理和方法来描述。
(Solid Freeform Fabrication Symposium proceedings，Universityof Texas at Austin，如上)。
此外，如上所述的金属之间的粘结需要功率更高的激光，因此对于它们的生产就要有更高的输入功率。因此在砂浇铸中使用这种方法来生产金属和陶瓷类制件作消失模和芯是不可能的。
人们还知道，用于精细烧铸法的陶瓷模，也可根据所谓的直接壳生产浇铸法借助于由移动式喷嘴挤出的硅酸盐粘合剂、经过陶瓷粉末的选择固化来制造(Modern Casting March 1993，pp.55 andAugust1993，pp.30/31；plastics world February 1993，p.23)。这是一种化学反应，其结果是形成了陶瓷型键接，这种键接是通过仅在指定部位将粘接剂组份B加入到施于整个表面的基础组份A中形成的。再次强调，对于砂浇铸法按这种方式去生产消失芯和模是不可能的。
人们还知道，采用能施工成层状的可熔性粒子，按照与选择性激光烧结法类似的方法也可以获得制件，即用激光把与欲制件外形对应的各层熔融并通过烧结形成部件。所用的可熔性粒子可以是树脂、树脂涂覆的砂粒或可熔性砂粒。若采用砂粒，激光功率必须足以使砂粒熔化。在金属砂浇铸中这种方法制得的物件是否可用作消失模和芯尚不得而知(US-Patent No.4,247,508)。
现在还不知道，除陶瓷材料外，是否还有其它材料可采用再生制造法而不使用标准模具来制作适用于浇铸作业的熔模和芯。因此，不用标准模具而生产的所有这类模和芯的浇铸应用仅限于精细浇铸作业，而且对于广泛采用的砂浇铸法，现在尚没有能不用标准模具(模和芯箱)的快速成型的方法。
已经知道，升温或加热熟化型造型材料可在浇铸工业中用以生产铸芯和铸模。所制得的铸芯和铸模可以用任何已知的浇铸材料进行浇铸。这些造型材料包括：按照权利要求1，2和最终为权利要求15的造型基料，按照权利要求4的粘合剂，而且如果需要的话还可包括按照权利要求19所述的混合物。但是，迄今为止这些造型材料还只能用标准模具如完全用金属制造的各种模具和芯箱进行加工，(Flemming/Tilch：Formstoffeund Formverfahren，Dt，Verl.f.Grundstoffind.Leipzig/Stuttgart，IstEdition 1993，pp.333-367，See also p.105et seq.)。
若不考虑后序应用时的例外情况(芯焙烧处理，参见上述文献的pp.333-338)，这是一种用化学熟化粘合剂体系的方法，此时化学熟化反应是由外部供热来引发和驱动。在熟化反应中不参与反应而呈化学惰性的造型基料A可用能发生化学反应的粘合剂B掺混(图1)或涂覆(图2)。
浇铸作业中用作造型材料的所有物质如硅石砂(以低石英、高石英、方石英或鳞石英矿物形式或无定形石英)、锆砂、橄榄石砂、铬铁矿砂或碳粒砂，粘土砂或金刚砂都可作造型材料。造型基料可以是粉状、粒状或成粒状的，并且粒子形状可以是圆形、不规则形或破碎粒子；另外，基料可以是新制的、或是由旧造型材料再生制的、或是简单的再利用，粒子尺寸分布可以非常窄或宽，也即其粒度特性相当于人造单晶砂或各种谷粒尺寸的天然矿床的混合物。将上述几种物质混合也可得到造型基料。
各种有机粘合剂都可用作升温或加热熟化方法的粘合剂。合用的粘合剂有：酚树脂(线型酚醛或甲阶酚醛树脂)，呋喃树脂，脲树脂，氨基树脂，尿甲醛树脂，糠醇-尿甲醛树脂，酚醛改性呋喃树脂，苯酚甲醛树脂或糠醇苯酚甲醛树脂。通过加热熟化的，还包括含环氧树脂和丙烯酸系树脂粘合剂的造型材料体系；不过，从生产率的观点看目前这些粘合剂大都用气体(二氧化硫)熟化。由此看来，粘合剂的选择取决于浇铸物料和浇铸部件的特性，也依赖于要求的质量、方法、价格和生产率。当特殊应用需要时，需采用按照权利要求19的一种或多种掺合物来满足要求。根据加工方法、所用设备和特殊应用的不同情况，所用粘合剂在涂覆或混合之前可以是液体、固体、粒状或粉末、改性和/或溶解状态。
由造型基料和粘合剂体系组成的造型材料的固化过程以及随后的固化是通过粘合剂体系的化学反应实现的。造型材料(所占份数为全部造型物料质量的85-99％)并不参与该化学反应。基本的熟化反应是缩聚反应，该缩聚反应依靠外部供热使已预缩聚到一定程度的树脂进一步反应并形成高度三维交联的大分子，赋予包括造型基料组分A在内的固化造型材料以内聚强度。这种缩聚反应是不可逆的，由此得到的粘合剂组分E(图7)，其化学特性不同于原来的组分B(图1和图3)，而作为造型基料的组分A并不参与反应，它没有改变。
在浇铸作业中采用的一种最有名的热熟化成型法是按照热固化性树脂和砂混合(浇铸)的壳型浇铸法(如Meyers Lexikon Technik und exateNaturwissenschaften，Vol.2，Bibliographisches Institut Ag.Mannheim 1970，p.1150 et seq.所述)。该方法适合于模和芯的制作，其中树脂涂覆的、干燥且可浇注的造型基料在加热的标准模具中(或之上)被熟化。
在该方法中，借助于造型装置制成的壳型模具即所谓壳型模有大体上均匀的厚度，并由两片对应的这种壳型模组合形成浇铸的浇铸模。金属模件安装在(所谓的)金属制模平台上，通过平台预热到200-400℃，然后把干燥的可浇注造型材料(造型基料用粘合剂涂覆)浇注到平台上，通过平台提供的热量使造型材料物料逐步发生上述的化学熟化反应(缩聚交联到一定程度)，当造型基料本体的反应达到一定深度(该反应深度与所用的导热时间成正比)，倒掉过剩的造型物料，在留下来的造型物料层(壳)的另一面补充供热(例如用气炉)使其完全熟化，随后将半壳移出制模装置，根据相同的原理可以生产(中空)壳芯，此时，是由芯箱的外表面导入热量，把留在内部的未熟化的造型物料倒掉。随后把两个壳片和另加的芯(如果需要的话)组合成浇铸模，使用时将浇铸模粘贴或夹紧和/或回填后即可进行浇铸作业。在浇铸过程中树脂被烧掉，随后砂很容易从浇铸件上清除。
另一个已知的砂浇铸方法是上述引证文献中所述的型箱造型法。
通常，复杂的砂浇铸件的模是由两个壳模片和箱内放有一个或几个芯的多部分模箱组成，这种模的每个部分必须是一个简单的形状，以便在其制作成型后从其芯箱中取出或从模板上卸下。这种不得已的简化会增加所需芯的数目。为了生产复杂的浇铸件例如发动机缸体，它需要5-20个单芯，这些单芯不是分别放在两个模箱内，就是预先把它们组合成一个芯包。
已知方法有如下缺点：
1.每个芯必须由至少一个两片芯箱制作，它是一项极耗费时间和劳力的事，特别是在原型模阶段。对于壳型模需要一个可加热的制模平台。
2.芯间的每个连接或壳模与芯之间连接都有公差，因此安装的整体精确性使其难以生产精密浇铸件。
3.为固定每一个芯的位置而设置的直接结构和芯支撑结构，造成额外的开支。
对一组升温或加热熟化的造型物料在壳模铸造过程中所发生的化学反应将作出详细解释；以下所述的基本原理在其它粘合剂体系中可能会有某些变动。
对壳型造型物料来说，用作粘合剂的酚醛树脂大都是线型酚醛树脂，它们已含有高份额的交联分子；超始于树脂合成及用树脂涂覆造型基料之时的交联过程被中止在早期阶段。当涂覆造型(基)料时需掺混六次甲基四胺，它是甲醛的载体并在热作用下放出甲醛。在热作用下，该甲醛促使树脂进一步固化和交联。树脂由原来的甲阶酚醛树脂状态(A-Resol-State，可熔化)经乙阶酚醛树脂状态(B-Besitol-State，可塑化)不可逆地转化成丙阶酚醛树脂状态(C-resitol-State，已固化，不熔)，其中所指的最后状态尚未完全达到。约有10-15％的树脂粘合剂保持在甲阶和乙阶状态，从而使造型件保有一定的剩余塑性以便在浇铸作业中可以对模件进行完善化处理(如制件从标准模具取出后仍可以立即整修)。但是反应可继续充分地进行直到达到高度不可逆固化状态和相应的高强度。通常不必进行额外的热处理。如果仍需进行热处理(于150-250℃之间热处理几分钟)，如为了从造型件中除去最后的少量气体反应产物和水蒸汽，从而避免精密浇铸件的气体缺陷，那么这种热处理应不能松动造型基材粒子之间可逆的粘合作用造成造型件破坏，而应当使不可逆的丙阶树脂达到更加完全的熟化以提高强度。
为了熟化造型基质粘合剂所需要的热能经标准模具(当生产外部模时它是模具，当生产芯时它是芯箱)进入造型物料，该标准模具加热到200-400℃(视粘合剂类型和造型件的几何形状而定)。这种热能的进入是通过热传导从外层进入造型物料的深处。由于大多数造型基质的热传导率很低，因此这种热传导是耗时较长的过程，它一方面影响生产率，另一方面却便于调节造型物料的特性，所以为了使热导入造型件整体，在标准模具内停留一定时间是必要的；在这一时间期限由与热辐射芯箱直接相接触并由此暴露在最高热影响环境的造型件外壳必须不燃烧。造型物料的反应能力必须作相应调节，这总是意味着要妥善解决造型物料性能和工艺参数之间的关系。由于要承受上述高温及后序的加热处理，如用气焰直接加热，标准造型工具只能完全用金属材质(多为高强度钢)制造。
采用升温或加热熟化造型物料制得的浇铸件有优良性能，如高尺寸精度、质量稳定和表面质量良好，因而这些造型物料在各种不同方法中广泛用于制作模和芯，以便生产高质量的优质铸件，特别是生产汽车工业、运载工具制造、水利工业和机械工程的浇铸件。这里指的是铝和铸铁合金以及钢的浇铸。然而，采用这些造型物料进行生产的所有铸造厂都全面临一个问题，即用户所需要的各种部件、原型、小批量套件、样品等只能在成本高且耗时长的情况下生产，因为在每一个个别情形中都需制作一套完全由金属材料组成的标准造型工具(模和/或芯箱)，由于那些造型材料需热加工，而且用其它造型材料以更便宜的成型装置来制造浇铸件样品，就其所得浇铸件的质量参数来看已不能和用热固化造型材料以工业规模制造的那些部件相比，所以使用其它成型装置原更便宜方法(木制或环氧树脂模)已被淘汰。因此，全金属工具的成本和准备时间使得利用升温或加热固化造型材料进行生产的铸造厂在与使用其它制模方法的对手进行竞争时处于极为不利的境地。此外，它们还造成铸造厂在工业规模制造之前的工艺试制阶段要花费大量成本和时间，因为无论何时，调整浇铸和进料口系统的几何形状或调整铸件的尺寸都需要若干次试验性铸造。
由于工艺方面的原因，以上介绍的精密铸造法中模和芯的已知快速制造法不能用于砂铸。实际上，用于砂铸的铸件在尺寸，质量，几何形状，复杂性(内轮廓和因此而需要芯)，所需的尺寸精度，表面质量和价格等方面都是完全不同的(不考虑浇铸材料)。用精细浇铸法制造的样品部件/原型与后序的工业化砂铸制造没有任何关系，因而既不能为用户(为了测试发动机样机等)也不能为铸造厂(为随后的工业规模制造作工艺试制)服务。由其他快速原型法，如立体平印法，树脂的选择性激光烧结法，涂覆纸的层压体制造法等方法制造的模具不能用于升温或加热固化造型工艺，因为它们的耐温性和导热性太差，除了传统的制模方法外，没有更多的选择，正是基于这一原因，每一个有关铸造厂在进行各种小规模试验，样品制作等的时候都是使用与随后的工业规模制造相应的金属模具，而且不得不接受高成本(从简单芯箱的数千马克到100,000马克-如生产曲轴的模具)和为制作标准造型工具而耗时(从简单芯箱的大约3周到复杂工具的12-16周，如汽缸曲轴的生产)的缺点，由于成型周期不断缩短、特别是开发期限不断缩短，同相竞争的其他方法相比，浇铸制造法的竞争性更差了。
为此本发明的目的是为使用升温和加热固化造型材料的翻砂铸造厂提供一种造型方法，这种方法在工艺上适合于工业规模的生产制造，但并不需要使用昂贵、费时的造型器具，即标准造型工具，而且这种造型方法适合于生产砂模和砂芯以铸造单个部件、原型模和样品部件，也适合于铸造厂自身的工艺更新。同时，这些铸造厂的生产品种规模将得到扩展，即从目前常见的中等规模、大规模和超大规模系列的制造，扩展到小批量规模的个别零件和散件的制造，而且可以开发高质量铸件的额外市场，这种灵活性将极大的加速产品研制、试验、结构改进时的开发过程，并极大地推动运用此类铸件的各个工业部门(如汽车工业)的进一步发展。
本发明的目的是对以下技术进行适当的组合改进：1)最新发展的，刚起用的各种快速原型法和2)传统的、久经使用的浇铸造型材料，并建立一种制作升温固化型造型材料铸件的方法，这种方法可以快速及低成本的方式生产出任意复杂性的浇铸模。
这种目的是分别根据权利要求1或26的方法实现的。本发明的其它改进在从属权利要求条款中阐明。
本方法的优点是不必首先制得造型部件和芯模就可以制造任意复杂的铸模。这种方法特别适用于生产临时性的小批量复杂零部件，例如改进发动机的原型机制作，借助工具的芯模和造型平台的制作、芯组装和将整个芯拆分成传统方法可以制作的若干个芯体的工作都可以完全取消。总之，在节省大量时间的同时提高了整个模的精度。
本发明的详细情况和优点将在实施例及参考附图中阐明。在图中：
图1和图2表示由根据权利要求2和15的造型基料A用根据权利要求4和19的粘合剂体系进行掺混(图1)或涂覆(图2)后所组成的造型材料体系。
图3表示由图1中图2所示的造型材料体系经选择性激光烧结及焙烧处理后生成的组合物，从专利文献可知，组分A参与了化学反应(例如，精密铸造中陶瓷壳和芯的制作)。
图4表示图3所示的组合物在焙烧处理前的情形。粘合作用仅通过烧结(熔化、渗透、冷却、焙烧)组分B形成而未发生化学反应。这一组合物不能存在于本发明所指的中间过渡阶段(这一阶段并不是最终产物，且未做权利要求)(粘合剂组分B停留在甲阶酚醛树脂状态或乙阶酚醛树脂状态，而未固化成不可逆的丙阶酚醛树脂状态)。
图5表示在焙烧炉中经热处理并排除了组分B后组分A粒子所形成的烧结组合物。
图6表示低熔点金属渗入烧结组合物后的所谓第二步金属处理的最后阶段。
图7表示根据本发明及权利要求所限定的方法的最后阶段，此时粘合剂组分B的树脂发生了不可逆化学反应而固化(生成E态)而造型基料组分A并不参与反应。A和B是传统的铸模材料而相应的E或整个组合物形成最终产物，这一最终产物就是迄今为止按传统方法处理此类造型材料体系所形成的产物，并已证实该产物适合于铸造作业。
图8是实施本发明方法的装置的局部示意图。
如图8所示，实施本发明方法的装置由一箱体1构成，该箱体的顶部是敞口的且有一顶边1a。在箱体1内有一支架4，该支架有一结实的平台，还有一个水平方向的支撑平台5，该平台与顶边1a平行，而且借助图中未表示出来的升降调整装置可以在垂直方向上进行上下移动和固定。
有一个未画出的装置用于将可固化的造型材料3加入支撑平台5上以形成料层，同时对造型材料3的料层表面2进行平整，该装置安装在箱体1的上方。
浇铸模6在支撑平台5上成型，并通过固化造型材料的各个料层6a、6b、6c、6d进行组合来制作，其中的每一层都与支撑平台5平行。
一台红外激光辐射装置7安装于箱体1上方，该装置产生定向光束8。通过折射装置9，比如一个可旋转的反光镜，将定向激光光束8折射产生折射光束10作用于箱体1中造型材料3的表面2。控制单元11调节折射装置9，以保证折射光束10可以照射到箱体1中造型材料3表面2的任何部位。控制单元11与一台计算机相连，该计算机将固化铸模6的每一料层(6a，6b，6c，6d)所对应的参数传输给控制单元11。
铸模6的制作方法如下：首先借助一个3D-CAD系统在计算机中制作所需物体(模和芯)的几何图形。为方便起见，可以所要制作的铸件的结构为起点，通常用户已经提供了数字化的铸件结构参数。
然后，在计算机中将已做好的CAD模型参数转换成欲制作的铸模6的参数，这些参数是从所需铸件的反模转换来的，以后的铸件的内腔，即所谓芯，在形成反模时也应予以考虑，这样就可以有制作铸模时同时制作模壳和模芯总成。
在所要制作铸模的CAD模型中，除了浇铸工艺所要求的开孔外，还应在将要形成的物体上开孔以便于以后将未固化的物料除去或倒出，这些开孔必须处于造型材料最容易除去的地方。
内燃机(客车、摩托车)曲轴的制造可做为一个例子，与所使用浇铸材料对应的收缩量应在CAD系统的原始铸件设计时予以考虑。然后根据浇铸工艺的要求对几何图形进行调整，例如增加浇道和完善铸口，直至包括铸件和浇铸系统的几何图形完美地体现整个几何构造。若所制作的模还要用其它预制的或购买的部件(例如基座、浇口、热量导出头、模的不等高外部部件等；必要时还有芯、冷铸模)进行后期制作，此时就应当为这些部件留出开口。然后在CAD系统中把最终形成的几何造形进行转换，以获得待制模和芯的几何外形(待制铸件的反模或与待制铸件外轮廓或内轮廓相对应的局部负模)。由于不必制成样模，提升斜坡是多余的，因而所制作的铸件几乎就是最终尺寸，而铸件的后期机加工亦可省去。另外，造型物料粘合剂分解所产生的气态的反应产物的排放所需要的排气孔也可以在模件中形成。在某些情形中还可制得非拆分的模，其条件是未固化的可浇注造型材料可以通过较大的开孔从最后的模中取出，随后这些开孔被封闭，例如通过预制的基板或购买的浇口。这样，二个半壳之间的公差和游动就可降低，而且可以制得接近几何设计公差的铸件，这种整体构件制作并因此导致准确度显著提高的制作方法，通常将用于制作模芯，即使是十分复杂的模芯，若采用传统的方法生产这些模芯，就需要用许多简单部件进行组合，这是因为部件的脱模要求它们必须具备可动性。
然后，所要生产的物体或铸模6的几何图形特征按一定厚度分层存入计算机，每层的厚度根据所使用的造型材料的粒径进行调整(如二倍于平均粒径)，计算机再把这些几何特征传送给烧结机。造型材料装填在这个烧结机中，将工作区域均匀地加热到一定温度，此温度要比按权利要求3和8的、造型材料中使用的粘合剂的软化温度或软化区域的起点温度低若干度。不过，通常也可以使用室温的造型材料。然后，通过可动反光镜系统用激光对一定厚度的造型材料层进行选择性照射，被照射料层的厚度是根据与相应纵坐标相关联的通过模/芯的横截面的几何外形要求确定的，此时被照射的造型材料粒子达到足够高的温度使造型材料中的粘合剂组分(图1和图2中的B；权利要求1中的D)固化。
在本方法中支撑平台5首先定位于箱体1中，这样所确定的造型材料层厚度精确地等于支撑平台5的上表面到箱体1内造型材料3的表面2之间的距离。于是有一层造型材料3直接加到支撑平台5上，在支撑平台5上的造型材料层3上，对铸模6相对应的预定区域进行激光照射，照射光束8、10由辐射装置7产生，由折射装置9和控制单元11调控，由此在与铸模对应区域的造型材料3发生了固化并形成固化层6a。以与料层厚度相对应的数值降低支撑平台5，添加造型材料得到新层再在与铸模6对应的区域实施照射，就可以持续地形成其它固化层6b、6c、6d。各层的厚度为0.1mm到0.2mm。有关料层中未受激光照射的型砂没有固化，但起到支撑上层的作用。未固化的型砂可在以后重复使用。
照射时必须仔细操作以保证有足够能量进入要固化的造型材料中，而引发化学交联反应(缩聚，S.a.)；否则造型材料粒子仅通过表面烧结而只是可逆地粘结在一起，这样在后续的热影响(例如，在炉子中进行附带的后固化处理，但第二次浇铸时必有热过程)下因烧结组合物的解体会造成铸件损坏。没有经历适当化学固化机制所得到的那些铸件不能用于铸造作业。
举例来说，以酚醛树脂为基础的上述壳造型材料在用本文所介绍的方法用激光照射并发生反应时，引发不可逆固化所需要的能量输入值可以通过观察造型材料的颜色变化来确定。
所需要的能量应达到经照射后造型材料变成深黄色到赭土色/淡棕色。若造型材料停留于淡黄色，则说明乙阶酚醛树脂状态和丙酚醛树脂状态尚未达到，粒子之间仅仅是粘附在一起，在热作用下停留在A阶酚醛树脂状态的树脂重新熔化很容易导致组合物解体，深棕色变成黑色表明树脂粘合剂燃烧炭化，也会造成粘结力损失。深赭色到中等深度的棕色表明达到最大强度(完全固化)，但这样的铸件在整修处理时会显得太脆了，而整修处理在第二次浇铸作业中是必不可少的。
因此，通过正确选择能量输入量可引发粘合剂的不可逆化学反应又可形成被照射造型材料粒子与同其相接触的邻近粒子之间的牢固、稳定的连接。照射一层后，加入下一层造型材料并再进行照射等一系列过程直到制成整体铸模。在未被激光作用的区域，未固化的造型材料成为下一层将要固化的造型材料的支撑体，因而可进行暗挖。
在已知的使用标准造型工具的传统工艺中，升温或加热固化型造型材料的化学反应所需要的能量是从被加热的标准造型工具向该工具内的造型材料传递，传热过程不是同步进行的，而且由于热传导使得造型材料中存在能量分布。与此相反，在激光固化中被照射的造型材料粒子固化所需要的能量是通过受控激光束直接到达这些粒子，不必经过热传导过程就被吸收并用于引发粘合剂的化学反应。这种定点选择能量输入和激光束的精确控制，可以制作结构极为复杂的铸件而不需要铸件几何外型(正模或负模)图象的预制实体，如模具、模型或类似物；制作模件的先决条件仅仅是在计算机中建立几何形状的参数和可浇注的无定形造型材料，这种造型材料在热作用下能按本文介绍的反应机理进行化学固化。
制作过程结束后，从周围疏松的砂床中将制成的铸模取出，铸模内未固化的型砂通过铸孔和/或通过模型6中专门为清除未固化砂而设置的开孔吸出、倒出或吹除。在后续铸造作业时浇铸材料从这些开孔流入并在冷却后分别予以切除或清除。
制成的铸模可进行后加工，如进行热处理后固化，改善表面质量。通过手工后处理和施以涂层可以改善模和芯的表面质量，而热后处理可以增加强度。这种后处理可以包括在炉子中用热空气对模件进行后固化(大约150-250℃，几分钟，取决于尺寸)或通过微波炉处理，从而促使导致造型材料固化的不可逆化学反应尽可能完全彻底，并使造型材料达到最高强度。这意味着壳造型材料中的酚醛树脂粘合剂的大部分固化成丙阶酚醛树脂状态，而为保持一定塑性所必须的一部分树脂则停留于乙阶树脂状态。
对于壁厚特别大的模件，所面临的问题是需要更高的能量输入才能使模件尽可能完全固化(如果在使用时要求模件具有特别高的强度的话，如用于铁水浇铸)和能量的输入要求对每一层进行多重照射或在特别短的照射距离内才能实现。在这样的情形中，能量的输入量可能会超过需要值而在造型材料内产生一定的热传导，使得造型材料中不应固化的部分也发生固化，传到模件深部的热量会使非预定区域发生固化反应而使模件“变大”，如果在每一层横截面的有关外轮廓线上进行高剂量照射，促使粘合剂沿该轮廓线发生选择性炭化，就可以避免上述情况的出现。即使强热流穿过一轮廓面也不会出现烧固现象，因为模件外表面上的粘合剂已经永久性地失去了粘结力。
在后处理如后固化、整修等以后，模/芯就可用于组装/完善和浇铸作业了，例如，曲轴的模是分成二部分制作；若大小合适，这二部分也可以同时制作，这时在二部分之间要有数毫米厚的造型材料不被激光照射以做为分离层。若要求对曲轴(如六缸发动机)的中间轴体进行位置修正补偿，二个半模还可弯成曲柄状，并且已包括内浇口、侧浇口和进料装置作为这些浇铸系统所要求的部分。对二个半模进行整修、配置进料帽、连接、粘合、配置一个内浇口、安装平坦、回填(以防在浇铸金属的热作用下发生开裂分离)、紧固或嵌入浇铸架或浇铸箱，必要时压上重物，这些工作完成后就可进行浇铸作业了。使用依照本文所述方法制作的模件进行浇铸作业时，可采用的其它技术在这里未做说明，但这些技术在利用消失模和/或消失芯进行浇铸作业中是常用的，包括模件后处理、用附件对模件进行浇铸作业所必须的修整完善、组合(如与芯箱组合)、嵌入浇铸箱、受模架等，以及浇铸作业本身，这些过程都与利用传统方法由升温和加热固化造型材料制作的模和芯进行浇铸作业的常规过程类似。
由本方法制作的模件，不论是作为芯、模还是其本身都特别适用于砂铸和低压及重力静铸，但并不仅限于此，上述模件可以用任何已知的浇铸铸材料进行浇铸，当浇铸材料的熔点比较低时，如铝硅合金，应使用适当改性的酚醛树脂粘合剂，以改善浇铸之后造型材料的破碎性能，从而可以采用与处理由传统方法制作的壳造型材料模件的相同方法进行处置。类似地，浇铸钢合金时，在处理浇铸材料(如磁铁矿)时加入权利要求19所介绍的几种组合物以避免燃烧。另外，在许多情形中在设计浇铸和进料系统时，对凝固过程进行模拟计算是有好处的，因为能自然而然地适用于所要制造的原型铸件的经验浇铸数据几乎没有。这种模拟计算所需要的计算上的前提条件已由必备的3D-CAD系统提供。这样，所获得的有关最佳浇铸和进料工艺条件的信息就可以直接应用于第一个铸件的制造，并且还因此而节省了开发明间。
根据曲轴绝对尺寸的大小不同，在一个模中可以同时制造1个到大约3个。在这个例子中，从制品设计完毕到获得第一个铸件的开发周期从大约20周减少到几天至大约2周。如果测试结果要求对制品的结构进行改进(这是有可能的)，那么这种改进可以在几小时内在CAD系统中完成并在几天内得到一个新的铸件，这样产品开发周期就可以显著缩短。若部件已很理想，那么就可以按以往的方法制造出用于中试生产及工业化生产的传统的标准造型工具，而不必对这种工具进行修改，也不会因几经修改而报废。
升温固化造型材料，如涂覆了酚醛树脂的二氧化硅砂组成的型砂，用作造型材料3。本方法中造型材料3的固化过程是基于涂于砂粒表面的树脂受激光光束照射而引发的化学固化过程。这一过程与已知的烧结过程有着根本的区别，因为它的要素是粘合剂系统发生热致不可逆化学反应。在选择性固化时，仅通过树脂固化就可以使造型材料固化。在造型材料组成中占90％到95％的砂子在固化过程中不参与任何化学反应。与US4247508所介绍的砂溶法相比，本方法的优点是只需低得多的激光功率，而且造型材料固化时的收缩和变形等问题基本不出现或大大减轻了。树脂材料中的反应仅被激光引发并在热后处理时终结，其结果是树脂固化十分彻底。随后的铸件浇铸作业时，树脂烧毁，完整的砂粒可从铸件上清除。
如图8所示，未来铸件的空腔20，即所谓的铸模6的芯，可以通过这种方法与铸模6本身同时制成并结合其内，因而将芯装入壳模的传统安装步骤被取消了。
所以另一个优点是精度高于以往的方法，以往方法中在芯或组合芯嵌入或安装时要把型砂刮除，这会造成安装精度下降。
由于省去了为获得复杂的整芯而把简单芯组合起来的制作过程，原型的制作时间大大减少了。例如，制作一个生产汽车用油泵泵体原型的砂模，激光烧结法需30小时，而用已知的砂铸法需制作造型装置和芯箱，预计要花费约4周时间。
对本方法进行改动是可能的。例如，砂模可以分成二部分制作，然后以与传统方法相同的方法进行组合。若已有熔芯或永久性的模，还可以(通过本方法)制造出复杂整芯，以往方法则需分别制作若干个单芯再组装成芯包。未固化的型砂也可以通过在砂模上进行后期开孔的方法取出。
适宜的造型材料仍可以是锆砂、橄榄石砂、铬铁矿砂、粘土砂、金刚砂或碳粒砂，它们可以单独使用也可以同一种或数种其它砂以任意比例掺混，并且配以适当的粘合剂。通常粘合剂是升温或加热固化的树脂粘料，它可以涂覆在砂粒表面也可以颗粒形式与砂子混合。除酚树脂外适宜的树脂如：呋喃树脂、脲或氨基树脂、线型酚醛树脂或甲阶酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇脲醛树脂、酚改性呋喃树脂、酚甲醛树脂、糠醇酚醛树脂、丙烯酸树脂、丙烯酸改性酚树脂或聚丙烯酸树脂。它可是液态、固态、粒状或粉状。还可使用环氧树脂。现有浇铸作业中已使用环氧树脂，但以胺气固化。根据本发明的方法进行环氧树脂热固化的优点是可以立即固化达到终极强度。
粉状或粒状金属或陶瓷用上述某种铸造用树脂涂覆或与之混合后也可做为造型材料，用于制作铸模或模型甚至少铸模片。
由于不同的粘合材料还具有不同的电磁辐射吸收能力，适当的后处理是必要的，即根据相应粘合剂材料吸收率的大小用不同波长的电磁波对铸模实施有选择的后固化处理。例如，可在微波炉中用微波辐射对铸模进行固化。然后，也可以采用其它方式进行后固化，如依次使用或同时使用若干种方法，如紫外辐射、微波辐射或简单加热。
实施本方法的装置可以是适用于激光烧结的任意设备。装载造型材料的容器并不是非要不可，造型材料也可一层一层地直接加到支撑体上。
总之，本发明将显著缩短铸造厂砂铸作业的产品开发周期。同时，那些铸造厂的花色品种将延伸到可以在更低生产规模下生产单一部件，根据本发明的方法，浇铸作业中常用的升温或热固化造型材料用激光在指定部位进行有选择的不可逆化学固化，而造型基料保持化学惰性，并且不使用标准造型工具就可以制成适用于铸造作业的复杂芯和模。应当指出的是，本发明的一个突出优点是造型材料的所有组分都是在铸造厂中长期使用过的已知原料。它们在铸造工艺中的特性是已知的，所以在进入市场时，不存在这方面的额外风险或困难。
还应涉及本发明的一些其它发展结果。当然，除权利要求2或4分别介绍的造型材料基料外，还可以用其它基料粒子用权利要求3、7、8的粘合剂体系进行涂覆或掺混并按前述方法用激光固化。它们也可以是金属或陶瓷粒子，而本方法之所以比原先工艺更先进是基于这样的事实，即：如图7所示，化学惰性的粒子A(分别见图1或图2)参与形成由粒子A和不可逆固化了的粘合剂E组成的组合物，是通过粘合剂体系B的不可逆化学反应(通过缩聚)，而不是粒子A本身参与了烧结和/或化学反应。根据上述方法制得的物体在浇铸应用中可作为浇铸模，但它们的应用并不仅限于此。
此处所讨论的或用上述本发明的粘合剂体系涂覆或掺混的本发明造型材料还可借助一个掩模、以二维方式进行照射，而不是以选择性方式或在一个扫描模中进行照射，尽管引发固化机理是相同的。在照射前，须根据与实际纵坐标相应的欲制件的横截面制作掩模。要根据照射强度和波长的要求确定适宜的能源。本发明的这一具体形式特别适合于散件制作，假如在下一横截面的掩模制成之前可以通过已有掩模对该装置内的若干个具有相同造型材料层(形状的)部位进行依次照射的话。

Claims (42)

1.一种制作三维消失铸模的方法，该消失铸模包括用于砂铸浇铸件的芯，该方法包括下列步骤：
提供所述浇铸件的几何形状作为数字图案；
由所述数字图案产生用于包含芯的消失铸模的反向图案；
提供一层颗粒状造型材料，该造型材料包括第一种材料和第二种材料，第一种材料是对电磁辐射呈化学惰性的材料，第二种材料是在电磁辐射作用下能在其中发生化学固化过程的材料；
通过电磁辐射照射所述层上相应于包含芯的消失铸模的所述反向图案的截面的部位扫描该层；
控制电磁辐射作用，使第二种材料发生化学固化，
重复上述层的提供、扫描和控制步骤，用于所述造型材料的后续各层，使得一个后续层通过辐射作用连接到紧邻的上一层，以制造随后用于铸造浇铸件的包含芯的消失铸模。
2.根据权利要求1的方法，其中第一种材料包括二氧化硅砂、锆砂、橄榄石砂、铬铁矿砂、粘土砂、金刚砂、碳粒砂，氧化硅材料或任意的其他矿物材料，这些材料可以单独使用或以任意比例用一种或多种所述其它材料掺混，第一种材料是晶粒状、颗粒状或是粉状。
3.根据权利要求2的方法，其中第一种材料包括部分或全部以前已经用过的材料，该材料是再生的或非再生的并且具有与所述第二种材料发生化学反应的粘附材料。
4.根据权利要求1的方法，其中第一种材料是金属或陶瓷粉末。
5.根据权利要求1的方法，其中第二种材料包括酚树脂、呋喃树脂、脲树脂或氨基树脂、线型酚醛树脂或甲阶酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇脲醛树脂、酚改性呋喃树脂、酚甲醛树脂、糠醇酚醛树脂、丙烯酸改性酚树脂或可以热引发的任何其它树脂，是液态、固态、粒状或粉状形式，和是经过改性的和/或溶解的。
6.根据权利要求1的方法，其中第二种材料包括环氧树脂、丙烯酸树脂或聚丙烯酸树脂。
7.根据权利要求1的方法，其中造型材料是第一种材料的颗粒，该颗粒被第二种材料所涂覆。
8.根据权利要求7的方法，其中涂覆作业时采用冷涂覆、温涂覆、热涂覆或熔融涂覆方法中的一种。
9.根据权利要求7的方法，其中在用第二种材料掺混第一种材料或用第二种材料涂覆第一种材料的过程中，加入一种或多种配合物、促进剂、酸、氧化铁、脱模剂、铵盐、六次甲基四胺、六胺、脲、磁铁矿粉、赤铁矿粉、硬脂酸钙、甘油、水或溶剂。
10.根据权利要求1的方法，其中造型材料是第一种材料的颗粒与第二种材料颗粒的掺混物。
11.根据权利要求1的方法，其中辐射作用是将激光光束折射到物体截面相对应部位的各料层而产生的。
12.根据权利要求1的方法，其中辐射作用是通过一个掩模实施二维照射实现的，该掩模只允许辐射作用抵达需要固化料层的部位。
13.根据权利要求1的方法，其中电磁辐射的波长是在紫外区。
14.根据权利要求1的方法，其中辐射的波长是在红外区。
15.根据权利要求1的方法，其中照射时间和/或照射强度应掌握在这样的水平，即抵达欲固化造型材料的电磁辐射能量输入值应足以引发第二种材料发生化学固化过程，而又不能使第一种材料发生反应。
16.根据权利要求15的方法，其中化学固化过程是由造型材料的颜色变化控制的，而且非必要地对照射时间和/或照射强度进行再调节。
17.根据权利要求1的方法，其中固化选择性地在空气、氧或惰性气氛中进行的。
18.根据权利要求1的方法，其中固化选择性地在常压、正压或负压条件下进行。
19.根据权利要求1的方法，其中制备断片、壳、掩模或芯和模的其他部分并与通过其他方法和用相同的材料或用其他材料制作的消失模、铸模或芯或其部件进行组合。
20.根据权利要求1的方法，其中模和芯既可以整体制作，也可以拆成几部分制作而后进行组合。
21.根据权利要求1的方法，其中模和芯的多个不同局部是同时制作的。
22.根据权利要求1的方法，其中所制得的模和/或芯在其使用之前，用铸造工艺所需要并用相同或不同的材料以相同或不同的方法制作的附件进行完善。
23.根据权利要求1的方法，其中所制得的模和/或芯在其使用之前用涂料涂覆。
24.根据权利要求1的方法，其中所制得的模和/或芯经过后热处理以改善其强度和浇铸作业适应性，后热处理使第二种材料的固化更彻底。
25.根据权利要求1的方法，其中造型材料是干燥的和可浇注的。
26.制作用于铸造浇铸件的热固化造型材料砂铸模的方法，其中型砂是用作造型材料和热固化来自于由电磁辐射引起的化学固化过程，
该方法包括下列步骤：
由限定浇铸件的几何形状的数字信息产生砂模的计算机模型；
提供第一层的所述型砂；
使电磁辐射指向所述第一层和应用计算机模型控制所述电磁辐射指向所述层上相应于所述砂铸模的部位，和重复上述提供和指向步骤，用于所述型砂的后续各层；和
在所述砂铸模所有层固化后清除未固化的型砂。
27.根据权利要求26的方法，其中型砂是酚树脂涂覆的二氧化硅砂。
28.根据权利要求26的方法，其中制得了带整芯的铸模。
29.根据权利要求26的方法，其中铸模是整体制作。
30.根据权利要求26的方法，其中铸模制作时已包括浇口。
31.根据权利要求26的方法，其中未固化的造型材料在固化后是通过铸模上开挖的孔清除的。
32.根据权利要求31的方法，其中在制作铸模的计算机模型时已经开孔。
33.根据权利要求26的方法，其中芯是单独制造的。
34.根据权利要求33的方法，其中制得了铸模的整芯。
35.根据权利要求26的方法，其中电磁辐射是激光辐射。
36.根据权利要求35的方法，其中使用的辐射是红外激光。
37.根据权利要求26的方法，其中铸模经过后热固化。
38.根据权利要求26的方法，其中铸模由微波辐射实施后固化。
39.根据权利要求26的方法，其中型砂包括氧化硅砂、锆砂、橄榄石砂、铬铁矿砂、粘土砂、金刚砂或碳粒砂或石英材料，每种砂都加有升温或加热固化型树脂粘合剂。
40.根据权利要求39的方法，其中升温或加热固化型树脂粘合剂是以下一组树脂中的一种：呋喃树脂、脲或氨基树脂、脲醛树脂、糠醇脲醛树脂、酚改性呋喃树脂、酚醛树脂、糠醇酚醛树脂、丙烯酸改性酚树脂、丙烯酸树脂或聚丙烯酸树脂，各种粘合剂既可是液态、固态、粒状也可以是粉状。
41.根据权利要求39的方法，其中环氧树脂作为树脂粘合剂。
42.根据权利要求26的方法，其中固化型砂时，激光引发的化学固化过程发生在树脂中，而砂并不参与化学反应。
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