ES2281635T3

ES2281635T3 - Proceso de fundicion.

Info

Publication number: ES2281635T3
Application number: ES03716204T
Authority: ES
Inventors: Jianxin Liu; Michael L. Rynerson
Original assignee: ExOne Co
Current assignee: ExOne Co
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2007-10-01
Anticipated expiration: 2023-02-25
Also published as: CN1684786A; RU2005107702A; EP1534451B1; JP2005536353A; DE60311824D1; US7461684B2; CA2496382A1; RU2311984C2; ATE353729T1; EP1534451A1; AU2003219919A1; JP4421477B2; PT1534451E; WO2004018132A1; US20040140078A1; DE60311824T2; KR20050058404A

Abstract

Un método de producción de un molde de fundición, constando el método de los siguientes pasos: a) hacer un artículo de polvo poroso (2) que tiene una densidad relativa en el rango de 30% a 50% mediante un proceso de fabricación de forma libre sólida, y b) hacer un molde de fundición para metal fundido (34) usando el artículo de polvo poroso (2) como patrón de sacrificio. donde la estructura del artículo de polvo poroso (2) se destruirá prácticamente durante la fundición por el metal fundido (34) y el polvo del artículo de polvo poroso (2) se transformará en parte del artículo moldeado (36) formado por solidificación del metal fundido moldeado.

Description

Proceso de fundición.

Campo técnico

La presente invención se refiere a métodos de fundición de metal y artículos compuestos utilizando un molde, cuyo molde consta de un producto de polvo poroso como patrón de sacrificio. La invención además se refiere a métodos para producir tales moldes. Preferentemente, el producto de polvo poroso se produce mediante un proceso de prototipo rápido.

Técnica de fondo

Un artículo de fundición o un artículo fundido es simplemente un artículo que se produce permitiendo que un metal fundido se solidifique en un molde. Un artículo fundido toma la forma del molde en el cual se funde. Los artículos fundidos se utilizan como componentes en muchos productos industriales y de consumo.

El tipo de molde usado depende en gran parte del proceso de fundición seleccionado. Desde los albores de la fundición de metal hasta hace poco, la arena ha sido sin duda alguna el medio de moldeo más común en el cual el metal se funde. Los moldes pueden estar hechos de otros materiales, por ejemplo, hay moldes de metal, moldes de grafito, y moldes de yeso. En muchos casos, los patrones se emplean en la realización de un molde en el cual se forma la fundición. Algunos patrones se pueden reutilizar cientos o incluso miles de veces, mientras que otros son patrones de un solo uso que se destruyen durante el proceso de realización del molde.

Existe un número de procesos de fundición conocidos, cada uno de los cuales tiene sus ventajas e inconvenientes. Estos procesos incluyen fundición de arena, molde a la cera perdida, fundición de molde permanente de gravedad o baja gravedad, vaciado a alta presión, proceso de inyección, fundición centrífuga, función de molde de yeso o capa, y fundición por inyección.

La realización del molde a menudo supone un esfuerzo costoso y lleva mucho tiempo. Los moldes, o los patrones para los moldes, pueden tornearse o trabajarse con máquina hasta conseguir la mayor perfección por artesanos profesionales, en ocasiones utilizando procesos de maquinarias automatizadas caros y complejos. Los requisitos de realización del molde o patrón de los procesos de fundición a menudo incluyen largos plazos de envío de los primeros artículos de fundición. Por ejemplo, el molde a la cera perdida puede requerir tres meses para preparar la primera fundición. Los vaciados y fundición de molde permanente pueden precisar incluso más tiempo de preparación, que puede ser aproximadamente seis meses. Sin embargo, diseñadores de nuevos productos con frecuencia necesitan breves tiempos de espera o respuesta ya que pueden cambiar un diseño varias veces desde la idea inicial hasta el componente final.

El prototipo rápido puede usarse por diseñadores para obtener de manera rápida un modelo tridimensional de un diseño nuevo. El término "prototipo rápido" se refiere a una clase de tecnologías que construyen modelos físicos da partir de datos de Diseño Asistido por Ordenador (CAD) en periodos de tiempo relativamente cortos. El prototipo rápido también se conoce dentro de la técnica como "proceso de fabricación de forma libre sólida", ya que esta técnica permite a los diseñadores crear de manera rápida prototipos tangibles tridimensionales de sus diseños a partir de un archivo de ordenador, en vez de solamente imágenes en dos dimensiones. Los modelos producidos por prototipo rápido tienen muchos usos. Por ejemplo, sirven como excelentes soportes visuales para ideas comunicativas con los trabajadores o clientes. Además, los modelos de cera realizados por métodos de prototipo rápido han servido como patrones en los procesos de fundición a la cera perdida. A pesar de que los métodos de prototipo rápido resultan adecuados para la realización de prototipos, el experto en la técnica entenderá que los productos de métodos de prototipo rápido no se limitan a ser simplemente prototipos.

Dos ejemplos de sistemas de prototipo rápido disponibles en el mercado son impresión tridimensional (3DP) y sinterización selectiva láser (SLS). Estos dos procesos construyen un modelo físico sobre una base capa-por-capa para producir un artículo tridimensional hecho de polvo unido por un aglutinante de polímero. Tales procesos son capaces de crear objetos con complicadas características internas, por ejemplo, galerías, que no pueden fabricarse por otros medios. El proceso 3DP es conceptualmente similar a la impresión de chorro de tinta. Sin embargo, en vez de tinta, el proceso 3DP deposita un pegamento de polímero. Este pegamento de polímero se imprime sobre una capa de polvo de acuerdo con una banda bidimensional de una representación tridimensional en el ordenador del objeto deseado. El proceso SLS construye un artículo fusionando partículas de polvo cubiertas de polímero. Un rayo láser conducido por ordenador escanea cada capa de polvo y fusiona las capas de polímero de partículas adyacentes para unir las partículas como un todo en la forma de un artículo cohesivo.

Los procesos 3DP y SLS producen artículos de polvo porosos que normalmente consisten en aproximadamente entre 30 y 60 porcentaje de volumen de polvo dependiendo de la densidad del embalaje de polvo y aproximadamente 10 de porcentaje de volumen de aglutinante, con el resto siendo espacio vacío. El artículo de polvo poroso realizado por cualquiera de estos procesos es de algún modo frágil y de manera convencional se procesa térmicamente para producir una parte totalmente densa que tiene propiedades mecánicas mejoradas. Un proceso típico termal consiste en la desunión, sinterización de polvo, y filtración del artículo sinterizado con un metal fundido secundario.

U.S. 2002/096306 describe un método de infiltración de componentes porosos preformados que pueden haberse fabricado a partir de partículas usando una técnica de fabricación por capas.

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un método para producir un molde de fundición, constando el método de los siguientes pasos:

a) hacer un artículo de polvo poroso que tiene una densidad relativa en el rango de 30% a 50% mediante un proceso de fabricación de forma libre sólida, y

b) hacer un molde de fundición para el metal fundido empleando el artículo de polvo poroso como patrón de sacrificio,

donde la estructura del artículo de polvo poroso sustancialmente se destruirá durante la fundición por el metal fundido y el polvo del artículo de polvo poroso es para que se transforme en parte integral del artículo fundido formado por solidificación del metal fundido.

El método incluye el uso de un artículo de polvo poroso que tiene una densidad relativa en el rango de 30% a 50% como un patrón de sacrificio. La densidad relativa se expresa en términos de porcentaje y es el radio de densidad lo que el artículo de polvo poroso realmente tiene y la densidad del artículo tendría si no contuviera porosidad o aglutinante de polímero. Un artículo completamente denso tiene una densidad relativa del 100%. El término "poroso" se emplea en la frase "artículo de polvo poroso" para indicar que el artículo de polvo no es completamente denso. Preferentemente, el artículo de polvo poroso tiene una densidad relativa baja, por ejemplo entre 30% y 40%, para permitir que una porción correspondientemente alta del metal fundido se pueda verter en el molde.

Algunas realizaciones de la presente invención permiten que los artículos fundidos se puedan realizar en periodos cortos de tiempo combinando tecnología de prototipo rápido con métodos de fundición convencionales. En tales realizaciones, un artículo de polvo poroso consistente en polvo unido por un aglutinante de polímero se produce mediante una técnica de prototipo rápido. Se realiza un molde de fundición usando el artículo de polvo poroso como patrón de sacrificio donde el artículo de material poroso se rodea por arena de fundición en un frasco o matraz de fundición. La estructura del frasco se calienta para calentar o descomponer el aglutinante de polímero del artículo de polvo poroso. El metal fundido se vierte en el molde que está formado por el artículo de polvo poroso, donde el artículo de polvo poroso puede derretirse completa o parcialmente dependiendo de la temperatura del metal fundido y posteriormente se solidifica junto con el metal fundido para forma un artículo moldeado. En algunas realizaciones preferentes, el artículo de polvo poroso se proporciona con una capa de cerámica antes de rodearlo con la arena de moldeado.

Los artículos de polvo poroso también pueden producirse mediante otros procesos. Ejemplos de tales procesos incluyen, aunque no limitan, compactación a presión, presión isostática por frío, y la sinterización de polvos sueltos en una forma. A pesar de que, en algunos casos, el uso de artículos de polvo poroso realizado por otros métodos diferentes a los procesos de prototipo rápido como patrones de molde de sacrificio no reducirían el tiempo inicial diseño-a-fundición, hay que mencionar que el uso de tales técnicas proporciona un método hasta ahora desconocido para realizar moldes de fundición.

El artículo de polvo de poroso se emplea como un patrón de molde de sacrificio que determina la forma del molde de arena o armazón de cerámica que se forma en él. Como un patrón de molde de sacrificio convencional, el artículo de polvo poroso prácticamente se destruye durante su único momento de uso. Sin embargo, a diferencia de un patrón de molde de sacrificio convencional, el polvo que es su material constituyente se transforma en parte integral del artículo de molde. En algunos casos, el polvo del artículo de polvo se derrite totalmente o parcialmente por mezclas o aleaciones con el metal fundido que se vierte en el molde que contiene el artículo de polvo poroso. En otros casos, el polvo forma un material compuesto con el metal fundido.

Realizaciones de la presente invención que utilizan un proceso de prototipo rápido para hacer el artículo de polvo poroso como patrón de molde de sacrificio tiene la ventaja de que los artículos de molde que tienen formas complejas y características internas, como galerías, pueden moldearse en algunos casos sin necesidad de un inserto en el núcleo en el molde.

Otra ventaja de la presente invención reside en que algunas de sus realizaciones producen artículos de molde que pueden proporcionar una microestructura homogénea y que se pueden endurecer metalúrgicamente por medio de tratamientos de calor. En cambio, los artículos de prototipo rápido convencionalmente infiltrados no son homogéneos ni se pueden endurecer.

Otras características y ventajas inherentes en el objeto descrito y reivindicado resultarán obvias para aquellos expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada de realizaciones en el presente preferentes de la misma y los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

Las críticas de las características y méritos de la presente invención se entenderán mejor por referencia a los dibujos adjuntos. Sin embargo, debe entenderse que los dibujos están diseñados con el único fin de ilustrar y no como definición de los límites de la presente invención.

Figs. 1A-D ilustran pasos sucesivos en la creación de un artículo de polvo poroso por un proceso convencional de prototipo rápido.

Fig. 1A ilustra tres pasos en la creación de una capa sencilla del artículo de polvo poroso.

Fig. 1B ilustra el artículo de polvo poroso en una etapa parcialmente completa.

Fig. 1C ilustra el artículo de polvo poroso después de que se ha impreso la última capa.

Fig. 1D ilustra el artículo de polvo poroso finalizado.

Figs. 2A-D ilustran pasos sucesivos de un método que utiliza el artículo de polvo poroso mostrado en la Fig. 1.

Fig. 2A ilustra el artículo de polvo poroso después de que una capa refractaria de cerámica se haya formado en sus superficies interna y externa.

Fig. 2E ilustra el artículo de molde de la Fig. 2D después de que se haya retirado de la arena de fundición.

Fig. 2F ilustra el artículo de molde de la Fig. 2D después de que se haya retirado el saliente de llenado.

Exposición de realizaciones preferentes de la invención

En esta sección, se describen algunas realizaciones en el presente preferentes de la presente invención con suficiente detalle como para que un experto en la técnica pueda practicar la presente invención.

Las realizaciones preferentes de la invención pueden emplearse para producir artículos de moldeo complejos y de cercana tolerancia. En algunas realizaciones preferentes, se emplea el prototipo rápido para hacer un artículo de polvo poroso que se usa posteriormente como un patrón de sacrifico para realizar un molde de fundición. La técnica de prototipo rápido empleada con estas realizaciones puede emplear los siguientes pasos:

1.: Crear un modelo CAD del diseño. El artículo que se va a construir se moldea usando software de Diseño Asistido por Ordenador (CAD). El diseñador puede emplear un archivo preexistente o puede desear crear uno expresamente para los fines de prototipo.

2.: Convertir el modelo CAD en un archivo de formato estereolitográfico llamado formato STL. El formato STL ha sido adaptado como el formato estándar en la industria del prototipo rápido.

3.: Partir o dividir el modelo de ordenador STL en un número de capas transversales usando un programa de división de algoritmos. Muchos de estos programas están disponibles y la mayoría permiten al usuario ajustar el tamaño, localización y orientación del modelo.

4.: Producir el artículo sobre una máquina de prototipo rápido. La construcción real del artículo se lleva a cabo usando una máquina de prototipo rápido para construir el artículo capa por capa.

5.: Limpiar y acabar el artículo. Esto implica la retirada del artículo de la máquina de prototipo rápido y la separación de polvos sueltos. También pueden ser necesarios los pasos de limpieza menor y tratamiento de superficie.

Tales realizaciones de la presente invención pueden usar cualquier tipo de proceso de prototipo rápido conocido por aquellos expertos en la técnica que sean capaces de producir un artículo de polvo poroso. Dos de aquellos procesos que son particularmente preferentes son 3DP y SLS. Resulta compresible que aquellos expertos en la técnica reconocerán que los artículos de polvo poroso hechos por un proceso de prototipo rápido son distinguibles de los artículos de polvo poroso realizados mediante otros métodos por sus características estructurales únicas. Eso se debe a que, a diferencia de otros procesos de forma, los procesos de prototipo rápido no deforman la forma de las partículas de polvo o producen unión interfacial de partículas de polvo adyacentes. Además, los procesos de prototipo rápido son capaces de producir artículos de polvo poroso que tienen características internas, por ejemplo, galerías, que no pueden fabricarse mediante otros medios.

Figs. 1A-D de manera esquemática ilustran pasos sucesivos en la creación de un artículo de polvo poroso mediante un proceso convencional de prototipo rápido. El artículo de polvo poroso mostrado es un patrón de aparato o herramienta 2. En referencia a estas figuras, Fig. 1A muestra la creación de una capa sencilla de un patrón de aparato 2 mostrado en una etapa donde el patrón de aparato 2 está sólo parcialmente completo. El patrón de aparato parcialmente completo 2 está rodeado por una base de polvo 4 dentro de la máquina de prototipo rápido 6. En el marco ubicado más a la izquierda, el rodillo o cilindro 8 compensa la superficie superior de la base de polvo 4 distribuyendo una capa de polvo 10 sobre el patrón de aparato parcialmente completo 2. En el marco central, un dispositivo de cabezal de impresora 12 escanea sobre la capa de polvo 10 para forma una nueva capa superior 14 para el patrón de aparato parcialmente completo 2. En un proceso 3DP, el dispositivo de cabezal de impresora 12 puede enviar una inyección de un aglutinante de polímero en la capa de polvo 10 para unir partículas de polvo adyacentes. En un proceso SLS, el dispositivo de cabezal de impresora 12 puede dirigir un rayo de láser en la capa de polvo 10 para fusionar las capas de polímero de partículas de polvo adyacentes. El marco situado más a la derecha muestra la nueva capa 14 completa. El pistón 16, que soporta la base de polvo 4 es por lo tanto indexada en dirección inferior para acomodar la adición de base de polvo 4 para hacer la siguiente capa de polvo sobre el patrón de aparato 2.

Fig. 1B muestra el patrón de aparato 2 en una etapa intermedia después de que se hayan depositado varias capas. Fig. 1C muestra el patrón del aparato 2 después de que se haya impreso la última capa. Fig. 1D muestra el aparato 2 finalizado después de que se haya retirado de la base de polvo 4 de la máquina de prototipo rápido. Se observa que el patrón de aparato 2 contiene galerías internas 18, 20.

Los artículos de polvo porosos producidos mediante técnicas de prototipo rápido u otros medios se usan como patrones de único uso para moldes de fundición. Por ejemplo, el artículo de polvo poroso puede utilizarse para reemplazar el patrón de espuma o cera en un proceso que es similar al proceso de fundición a la cera perdida o espuma perdida. Los procesos de espuma perdida o cera perdida son también conocidos como procesos de moldeado por inversión, donde la palabra "inversión" se emplea para indicar que el patrón de espuma o cera prescindible se cubre con una capa externa de cerámica. En procesos de moldeado por inversión, la capa de cerámica aplicada se hace para crear un armazón sólido alrededor del patrón de espuma o cera. El patrón cubierto se calienta para retirar o perder la espuma o cera. El armazón de cerámica hueco resultante puede apoyarse por arena de moldeado en un frasco de moldeado para hacer el molde de fundición. El armazón de cerámica también previene que el metal moldeado entre en contacto con la arena de moldeado que lo rodea.

Algunas realizaciones de la presente invención modifican el proceso de moldeado de inversión convencional en el que el artículo de polvo poroso que actúa como patrón de sacrificio no se retira o se pierde antes de la fundición del metal moldeado, sino que se combina con el metal fundido metal para formar el artículo moldeado. Tales realizaciones pueden incluir los siguientes pasos que se muestran en las Figs. 2A-F.

En referencia a la Fig. 2A, el artículo de polvo poroso mostrado es el patrón de aparato 2 de las Figs. 1A-D. El patrón de aparato 2 se cubre con una cerámica para forma el armazón de cerámica 22 sobre su superficie exterior y sobre cualquier superficie interior que pueda tener, por ejemplo, las superficies de las galerías interiores 18, 20. La capa que forma el armazón de cerámica 22 puede aplicarse como en el moldeado de inversión convencional, por ejemplo, por inmersión, pulverización, o vaciado usando un compuesto acuoso de cerámica. El ángulo humectante del compuesto acuoso con respecto a la superficie del artículo de polvo poroso, por ejemplo, el patrón de aparato 2, debería ser mayor que aproximadamente 90 grados con el fin de evitar que el compuesto acuoso se infiltre en el artículo de polvo poroso. La capa puede secarse bajo condiciones de temperatura ambiente o bajo condiciones especiales de secado, por ejemplo, en condiciones que se obtienen en un horno calentado. La cerámica puede ser cualquier tipo de cerámica, incluyendo aquellas que convencionalmente se emplean en moldeado de inversión, que sean físicamente y químicamente compatibles con el metal fundido que va a moldearse y con los materiales componentes del artículo de polvo poroso.

En referencia a la Fig. 2B, el patrón de aparato 2 cubierto por cerámica se rodea por la arena de moldeado 24 en un frasco de moldeado purgado 26. Debido a la complejidad de la geometría de un artículo de polvo poroso particular, la arena de moldeado 22 puede que no pueda fluir fácilmente en ciertas áreas, por ejemplo, galerías 18, 20 del patrón de aparato 2. El flujo y la capacidad de compactarse de la arena de moldeado 24 alrededor y en el interior de las galerías 18, 20 del patrón de aparato 2 pueden mejorarse mediante el uso de una mesa de vibración. Debe tenerse excesivo cuidado para compactar la arena de moldeado 24 sin distorsionar el patrón de aparato 2 o la capa de cerámica 22. Antes de rodear el patrón de aparato 2 cubierto por cerámica con la arena de moldeado 24, una porción de la capa de cerámica 22 se retira y se coloca un saliente de llenado 28 en un lugar indicado para que conduzca el metal fundido a la estructura del metal en polvo 29 del patrón de aparato 2. También se pueden emplear guías para ayudar a enviar el metal fundido al artículo de polvo poroso. En algunas realizaciones, el artículo de polvo poroso se diseña y construye para que tenga guías integrales.

Después de que la arena de moldeado 24 se ha compactado de manera adecuada, el ensamblaje del frasco 30 se precalienta por medios de precalentamiento 32, por ejemplo, un horno o una linterna de aire, a una temperatura a la cual el aglutinante en el patrón del aparato 2 se retira parcialmente o completamente a través de evaporación o descomposición. Los gases y vapores emitidos durante este proceso de separación pueden salir a través del saliente de llenado 28 y cualquier tipo de guía que esté siendo usada. El precalentamiento también reduce la pérdida de calor del metal fundido durante el proceso de moldeado. El proceso de precalentamiento puede llevarse a cabo por aire, pero, más preferentemente, se lleva a cabo en una atmósfera controlada para que la condición de superficie del polvo de metal del artículo de polvo poroso se optimice para el proceso de fundición. Por ejemplo, una atmósfera protectora puede emplearse para evitar que el polvo de metal se oxide durante el precalentamiento. Ejemplos de tales atmósferas protectoras incluyen hidrógeno, nitrógeno, argón, y combinaciones de los mismos.

En referencia a la Fig. 2C, después de que el ensamblaje del frasco 30 ha sido precalentado, el metal fundido 34 se moldea a través del saliente de llenado 28 en el patrón de aparato 2. El metal fundido 34 derrite la estructura de polvo 29 y toma la geometría del patrón de aparato 2. En algunas realizaciones, el metal fundido 34 derrite por completo el polvo de la estructura 29, mientras que en otras realizaciones el polvo, por completo o en parte, forma un compuesto con el metal fundido 34. Como con el paso de precalentamiento, el paso de fundición puede hacerse en el aire o bajo una atmósfera protegida.

En referencia a la Fig. 2D, el ensamblaje del frasco 30 se enfría para solidificar el metal fundido 34.

En referencia a la Fig. 2E, el equipo de moldeado solidificado 36 se retira de la arena de moldeado 24 y la capa de cerámica 22 y el saliente de cuello 28 se retiran del aparato de moldeado 36.

En referencia a la Fig. 2F, la fundición del saliente del cuello 38 se retira del equipo moldeado 36. El equipo moldeado 36 puede limpiarse y examinarse posteriormente.

A pesar de que en la discusión de las Figs. 2A-F el paso de fundición del metal fundido inmediatamente seguido del paso de precalentamiento en el cual el aglutinante se retira del artículo de polvo poroso, no es necesario que estos pasos se lleven a cabo de manera consecutiva. En primer lugar, debe entenderse que el paso de la retirada del aglutinante es solamente necesario en casos en los que debe retirarse el aglutinante del artículo de polvo poroso para prevenir una reacción perjudicial del aglutinante con el metal fundido. En algunas realizaciones, no se necesita el paso de retirada de aglutinante, ya que el artículo de polvo poroso tiene muy poco aglutinante o simplemente no tiene, como en algunos casos donde el artículo de polvo poroso se forma en un proceso que emplea la aplicación de una presión de compactación para unir el polvo mediante entrelazado o por soldadura de punto de contacto. En segundo lugar, debe entenderse que el paso de retirada de aglutinante, cuando se realiza, debe hacerse en cualquier momento previo al paso de fundición. Por ejemplo, en algunas realizaciones que emplean un recubrimiento de cerámica, el aglutinante puede retirarse incluso antes de que el artículo de polvo poroso se coloque en el frasco de fundición. En tales realizaciones, el artículo de polvo poroso cubierto puede almacenarse durante un tiempo después de la retirada de aglutinante y antes de colocarlo en el frasco de fundición. En algunas realizaciones, todo el frasco de fundición puede almacenarse después de la retirada del aglutinante y después recalentarse antes de la fundición. En tercer lugar debe entenderse que, excepto donde el precalentamiento sea necesario para la retirada del aglutinante o descomposición o para secar la arena de moldeado o una capa de cerámica, el precalentamiento solamente necesita realizarse donde sea necesario para evitar problemas o solidificación prematura o sino para provocar el llenado del molde.

En algunas realizaciones de la presente invención, el polvo del artículo de polvo poroso es un polvo de metal que se funde por completo por medio de mezclas o aleaciones con el metal moldeado fundido. En tales realizaciones, es importante que el metal fundido se haya calentado lo suficiente como para fundir el polvo de metal del artículo de polvo poroso. Asumiendo que no se transfiere calor del metal fundido a la arena, la relación entre la temperatura del metal fundido y la temperatura precalentada del ensamblaje del frasco en tales casos se expresa del siguiente modo:

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1

\vskip1.000000\baselineskip

donde:

T_{ph} es la temperatura precalentada del ensamblaje del frasco, que incluye el artículo de polvo poroso;

T_{mp} es la temperatura de fundición del material de polvo;

C_{pp} es el calor específico del material de polvo;

H_{mp} es el calor de fusión del material de polvo;

T_{mm} es la temperatura de fundición del metal fundido;

T_{oh} es la temperatura de supercalor del metal fundido; y

C_{pm} es el calor específico del metal fundido;

En algunas realizaciones de la presente invención, el artículo de polvo poroso se usa como un patrón para un molde de fundición sin que se forme una capa de cerámica en él. A pesar de que tales realizaciones no se pueden producir como una superficie como aquellas usan un armazón de cerámica y pueden requerir el uso de un agente liberador del molde o limpieza adicional y cuidado adicional durante la realización del molde para evitar que el artículo de polvo poroso se deforme, eliminan el coste de producir y retirar el armazón de cerámica. Sin embargo, el uso de una capa de cerámica es preferible ya que la capa ayuda a proteger la integridad estructura del artículo de polvo poroso antes de la fundición.

Cualquier tipo de polvo que sea compatible con el proceso de formación del artículo seleccionado puede emplearse para hacer el artículo de polvo poroso. El tipo de polvo se selecciona dependiendo del metal fundido que se va a usar y de las propiedades que se desean para el artículo moldeado. En muchos casos, el polvo elegido será un metal elemental o una aleación de metal, pero los polvos de cerámica y los cerametales también pueden emplearse. Por ejemplo, el polvo puede ser hierro o una aleación de hierro, incluyendo acero, por ejemplo, acero de bajo carbono, acero de carbono medio, acero de alto carbono, acero para herramientas o acero inoxidable. El polvo también puede ser níquel, una aleación de níquel, aluminio, una aleación de aluminio, titanio, una aleación de titanio, cobre, una aleación de cobre, magnesio, una aleación de magnesio, zinc, una aleación de zinc, un compuesto intermetálico, un metal refractario, o una aleación de metal refractario. En la mayoría de las realizaciones donde el polvo comprende un metal refractario, cerámica o cerametal, el polvo y el metal fundido formará un artículo fundido que tiene una estructura compuesta.

El polvo puede tener cualquier tipo de forma de partícula. Sin embargo, dado que es preferible que la densidad relativa del artículo de polvo poroso sea baja, por ejemplo en el rango de 30-40%, las formas de polvo irregulares son más preferibles que las formas esféricas en casos donde la densidad de envase más baja asociada a polvos de formas irregulares resulta en que el artículo de polvo poroso tenga una densidad relativa baja.

El metal fundido puede ser cualquier metal que tenga facilidad para fundirse. La temperatura de fundición del metal fundido puede ser más alta o más baja que la del polvo del artículo de polvo poroso. En algunas realizaciones, el metal de fundición y el polvo del artículo de polvo poroso son de la misma composición o de composiciones muy similares. Por ejemplo, el metal de fundición puede ser aluminio no aleado y el polvo de una aleación de aluminio.

Ejemplo

En años recientes, ha existido una presión comercial sobre las fundiciones para introducir nuevos diseños de fundición a un ritmo más rápido. Esto ha reducido el tiempo disponible para un nuevo diseño que vaya desde un concepto a través de un paso de prototipo y que se introduzca en la producción industrial. El siguiente ejemplo profético describe una aplicación de una realización de la presente invención.

Un aparato del mismo diseño que el mostrado en la Fig. 2F como aparato de fundición 36 es bronce de cobre-estaño con una composición final de 90% cobre y 10% estaño. El aparto es 3 cm de ancho, 1.5 cm de alto y 1 cm de profundo. Se crea un documento CAD de un modelo tridimensional del aparato. El documento CAD se convierte en un documento con formato STP. Se aplica un algoritmo de corte al documento STP para crear un documento del aparato que pueda utilizarse con una máquina de prototipo rápido mediante proceso 3DP para crear un artículo de polvo poroso del aparto. Se obtiene un polvo de bronce de alto estaño contiene una composición de 80% cobre y 20% de estaño y pasa a través de una pantalla de 140 de malla (106 micrones de tamaño de apertura) y permanece en una pantalla de 325 de malla (45 micrones de tamaño de apertura). Una máquina de prototipo rápido PROMETAL RTS 300, fabricada por Extrude Hone Corporation de Irwin, Pensylvania, U.S, utiliza el documento del aparato y el polvo de estaño para hacer, mediante un proceso 3DP, un artículo de polvo poroso que tiene una densidad relativa de 50%.

Se toma el artículo de polvo poroso de la máquina de prototipo rápido y se retira cualquier exceso de polvo del artículo de polvo poroso. Las entradas y las guías están unidas al artículo de polvo poroso. Un armazón de cerámica cubre el ensamblaje del artículo de polvo poroso y sus entradas y guías adjuntas mediante la inmersión de manera repetida en un compuesto acuoso de cerámica de nitruro de boro y permitiendo que la capa formada se seque. Después de que se haya creado la capa de cerámica, el ensamblaje se coloca en un frasco de moldeado y se une un saliente de llenado al ensamblaje. Se añade la arena de fundición al frasco de moldeado y se emplea una mesa de vibración para ayudar a que la arena de fundición se distribuya por todo el ensamblaje, llenando todos los vacíos internos y externos, excepto aquellos donde el metal fundido se tiene que verter. Se emplea una técnica de compactación estándar para compactar la arena de fundición en el ensamblaje.

El ensamblaje del frasco se calienta a 790°C bajo una atmósfera protectora de nitrógeno para retirar el aglutinante de polímero que se aplicó durante el proceso 3DP a partir del artículo de polvo poroso. Al mismo tiempo, se funde cobre puro en un crisol de barro a aproximadamente 1200°C por inducción de calor. El cobre puro fundido se vierto por el saliente del cuello en el ensamblaje del frasco precalentado, que permanece bajo la atmósfera protectora de nitrógeno. El cobre puro fundido fluye por el artículo de polvo poroso, fundiéndose y aleándose con su polvo y tomando su forma. Después de que la fundición se solidifica y se enfría, se retira de la arena de fundición. La capa de cerámica se limpia, y el saliente del cuello, la entrada y las guías se retiran del aparato. El aparato tiene una composición de 90% cobre y 10% estaño y está listo para inspección, acabado, testeo, o uso.

Mientras que sólo unas pocas realizaciones de la presente invención se han mostrado y descrito, resultará obvio para aquellos expertos en la técnica que pueden realizarse muchos cambios y modificaciones sin salirse del campo de la invención descrita en las siguientes reivindicaciones.

Claims

1. Un método de producción de un molde de fundición, constando el método de los siguientes pasos:

a): hacer un artículo de polvo poroso (2) que tiene una densidad relativa en el rango de 30% a 50% mediante un proceso de fabricación de forma libre sólida, y

b): hacer un molde de fundición para metal fundido (34) usando el artículo de polvo poroso (2) como patrón de sacrificio.

donde la estructura del artículo de polvo poroso (2) se destruirá prácticamente durante la fundición por el metal fundido (34) y el polvo del artículo de polvo poroso (2) se transformará en parte del artículo moldeado (36) formado por solidificación del metal fundido moldeado.

2. El método de la reivindicación 1, donde el proceso de fabricación de forma libre sólida se selecciona del grupo consistente en impresión tridimensional y sinterización selectiva láser.

3. El método de la reivindicación 1 o reivindicación 2, donde el paso de hacer el artículo de polvo poroso (2) incluye realizar el artículo de polvo poroso (2) para que comprenda al menos uno del grupo consistente en polvo de metal, polvo de cerámica, y polvo de cerametal.

4. El método de las reivindicaciones anteriores, que además comprende el paso de proporcionar el artículo de polvo poroso (2) con un recubrimiento de cerámica (22).

5. El método de la reivindicación 3, donde el artículo de polvo poroso (2) consta de un aglutinante de polímero, y el método además comprende el paso de separar el artículo de polvo poroso del aglutinante de polímero después del paso de proporcionar el artículo de polvo poroso con un recubrimiento de cerámica.

6. El método de la reivindicación 5, donde el paso de separación se realiza bajo una atmósfera protectora.

7. El método de la reivindicación 5 o 6, que además comprende el paso de almacenar el artículo de polvo poroso (2) después de separar el artículo de polvo poroso (2).

8. Un método para producir un artículo de moldeado, comprendiendo dicho método la producción de un molde de fundición mediante el método de las reivindicaciones anteriores y moldeando el metal fundido (34) en el molde de fundición, donde el polvo del artículo de polvo poroso (2) se transforma en parte del artículo moldeado (36) y el paso de moldeado del metal fundido (34) en el molde de fundición destruye sustancialmente la estructura del artículo de polvo poroso (2).

9. El método de la reivindicación 8, que además comprende el paso de seleccionar el artículo de polvo poroso (2) y el metal fundido (34) para que el polvo y el metal fundido se combinen para formar un material compuesto tras el enfriamiento del paso de fundición.

10. El método de la reivindicación 8, que además comprende el paso de seleccionar el artículo de polvo poroso (2) y el metal fundido (34) para que el metal fundido al menos parcialmente funda el polvo como resultado del paso de fundición del metal fundido en el molde de fundición.

11. El método de las reivindicaciones 8 a 10 donde el molde de fundición se produce mediante el método de las reivindicaciones 1 a 4 y donde además el artículo de polvo poroso (2) consta de un aglutinante de polímero, comprendiendo dicho método además el paso de separar el articulo de polvo poroso (2) del aglutinante de polímero antes del paso de fundición.

12. El método de las reivindicaciones 8 a 10 donde el molde de fundición se produce mediante el método de las reivindicaciones 1 a 4, y que además comprende el paso de calentamiento del molde de fundición.

13. El método de la reivindicación 12, que además comprende el paso de almacenamiento del molde de función tras el paso de calentamiento del molde de fundición.

14. El método de las reivindicaciones 8 a 10, que además comprende el paso de calentamiento del molde de fundición inmediatamente antes del paso de fundición.

15. El método de las reivindicaciones 12 a 14, donde al menos uno de los pasos de calentamiento del molde de fundición y fundición se realizan bajo una atmósfera protectora.

16. El método de la reivindicación 6 o reivindicación 15, donde la atmósfera protectora incluye al menos una de hidrógeno, nitrógeno y argón.