CN101823119A - 用于选择性激光烧结成形的覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于选择性激光烧结成形的覆膜砂及其制备方法，该覆膜砂包括原砂、复合粘接剂、固化剂、润滑剂以及光吸收剂；复合粘接剂为酚醛树脂和环氧树脂构成的复合粘接剂，固化剂为六亚甲基四胺，润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙或硬脂酸锂；光吸收剂为炭黑。制备工艺为：首先将环氧树脂进行深冷粉碎，再通过筛分法选择合适粒径分布的环氧树脂粉末，最后将一定比例的环氧树脂粉末、炭黑以及采用已有工艺制备的酚醛树脂覆膜砂均匀混合。由于这种覆膜砂的SLS成形件强度较高，可用于SLS成形大型、结构复杂的铸造用砂型(芯)。

Description

用于选择性激光烧结成形的覆膜砂及其制备方法

技术领域

本发明属于新型材料领域，具体涉及一种用于选择性激光烧结(SLS)成形的覆膜砂及其制备方法。

技术背景

SLS技术是一种用激光作为热源来烧结粉末材料成形的快速成形技术(rapid prototyping，RP)，它采用离散、堆积成型的原理，借助于计算机辅助设计与制造，在无需任何工装模具的情况下，将固体粉末材料直接成形为三维实体零件，不受成形件复杂度的影响。

SLS技术可以直接制备用于铸造的砂型(芯)，从零件图纸到铸型(芯)的工艺设计、铸型(芯)的三维实体造型等都是由计算机完成。特别是对于一些空间的曲面或流道，用传统方法成形十分困难，若用SLS技术，则这一过程就会变得十分简单，因为它不受零件复杂程度的限制。传统成形方法制备大尺寸砂型(芯)时，常将砂型分成几块，然后分别制备，并且将砂芯分别拔出后进行组装，因而需要考虑装配定位和精度问题。而用SLS技术可实现砂型(芯)的整体成形，不仅简化了分离模块的过程，铸件的精度也得以提高。因此，用SLS技术成形砂型(芯)的在铸造领域中有着广阔的前景。

目前，用于SLS成形的覆膜砂均为传统铸造工艺用酚醛树脂覆膜砂，现有技术中已公开了此类覆膜砂的制备工艺。如中国发明专利“一种覆膜砂配制工艺”(专利号：93116639.X)中公开了一种覆膜砂的制备工艺，该工艺中，不仅加入了原砂、粘接剂和固化剂，还加入一定量的酸性水溶液、增塑剂或偶联剂等；中国发明专利“耐高温覆膜砂制备工艺”(专利号：00108082.2)中公开了一种耐高温覆膜砂制备工艺，该工艺简化了耐高温覆膜砂的制备工艺。

然而，现有的酚醛树脂覆膜砂及其制备工艺都是针对传统成形方法而开发的，而不是针对SLS成形技术开发的。存在的问题是：现有酚醛树脂覆膜砂的SLS成形件(后固化前)的强度偏低，一些精细结构在清粉、转移等后处理工序中容易损坏，而且大尺寸成形件更容易断裂。造成酚醛树脂覆膜砂的SLS成形件强度偏低的主要原因为：与传统加热固化成形不同，激光扫描成形时光束照射加热的时间非常短，而覆膜砂的热传导系数又较小，这就造成在单层内的一些区域以及层与层结合区域酚醛树脂没有固化交联，砂颗粒仅是靠酚醛树脂软化而粘接，然而酚醛树脂和砂的界面结合较差，这就造成其SLS成形件(后固化前)的强度偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于选择性激光烧结成形的覆膜砂，其SLS成形件的强度较高，可用于成形大尺寸及具有精细结构的铸造用砂型(芯)；本发明还提供了该覆膜砂的制备方法。

本发明提供的一种用于选择性激光烧结成形的覆膜砂，其特征在于，该覆膜砂包括原砂、复合粘接剂、固化剂、润滑剂以及光吸收剂；

所述粘接剂为酚醛树脂和环氧树脂构成的复合粘接剂，加入量与原砂的比例按质量分数计为2-3∶100；复合粘接剂的组成为：酚醛树脂的质量百分比为50-75％，其余为环氧树脂；

所述固化剂为六亚甲基四胺，其加入量与粘接剂的比例按质量分数计为10-15∶100；

所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙或硬脂酸锂，其加入量与粘接剂的比例按质量分数计为3-7∶100；

所述光吸收剂为炭黑，炭黑的平均粒径为50～100nm，其加入量与粘接剂的比例按质量分数计为0.5-1∶100。

上述覆膜砂的制备方法，其过程为：

(1)将环氧树脂冷却到-140～-150℃，将其进行粉碎加工成粉末；

(2)将步骤(1)得到的粉末筛分，得到粒径分布在10～50μm间的环氧树脂粉末；

(3)利用所述原砂，酚醛树脂，固化剂和润滑剂制备酚醛树脂覆膜砂；

(4)将炭黑和步骤(2)得到的环氧树脂粉末加入到步骤(3)中制备的酚醛树脂覆膜砂中，混合均匀。

与现有技术相比，本发明在常规的酚醛树脂覆膜砂中加入了环氧树脂及炭黑粉末，形成了用于选择性激光烧结成形的新型覆膜砂。环氧树脂中含有比酚醛树脂更多的极性基团，与原砂的界面粘接好于酚醛树脂，而且环氧树脂的活性高于酚醛树脂，因此在激光的作用下可以形成更多的固化粘接；加入的炭黑为光吸收剂，可以增加材料对激光的吸收率。因此本发明覆膜砂的SLS成形件强度明显高于传统单纯的酚醛树脂覆膜砂，可用于SLS成形大尺寸及具有精细结构的铸造用砂型(芯)。

具体实施方式

本发明提出的用于SLS成形的覆膜砂，包括原砂、复合粘接剂、固化剂、润滑剂以及光吸收剂；

环氧树脂在常温下为固体，软化点在75-90℃，种类可是双酚A环氧树脂、酚醛环氧树脂等，优选双酚A环氧树脂。

固化剂为乌洛托品(六亚甲基四胺)。本发明使用润滑剂的目的是提高覆膜砂的流动性，可为硬脂酸锌、硬脂酸钙或硬脂酸锂，优选使用硬脂酸钙。本发明使用炭黑作为光吸收剂，以提高覆膜砂对激光的吸收率。

在制备方法中，酚醛树脂覆膜砂的方法是采用已有工艺如热法覆膜工艺或冷法覆膜工艺。所制备的这种新型覆膜砂主要用于SLS成形大型、结构复杂的铸造用砂型(芯)。

下面列举4个实例对本发明作进一步详细的说明。但本发明并不局限于此。本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容，采用其它原料和工艺参数实现本发明。

实施例1：

(1)将双酚A型环氧树脂E-06在低温冷冻设备中冷却到-150℃，采用高速冲击式粉碎机将其进行粉碎加工；

(2)将步骤(1)得到的粉末通过气流式筛分，得到粒径分布在10～50μm间的环氧树脂粉末。

(3)采用热法覆膜工艺制备酚醛树脂覆膜砂，其中原砂为5000g，酚醛树脂为75g(原砂和复合粘接剂的质量比为2∶100，复合粘接剂中酚醛树脂质量百分比为75％)，固化剂乌洛托品为10g(固化剂与复合粘接剂的质量比为10∶100)，润滑剂硬脂酸锌7g(润滑剂与复合粘接剂的质量比为7∶100)。

(4)将步骤(2)得到的25g的环氧树脂粉末、0.5g平均粒径为50nm的炭黑(炭黑和复合粘接剂的质量比为0.5∶100)及步骤(3)得到的酚醛树脂覆膜砂加入高速混合机中，进行均匀混合。

实施例2：

(1)将双酚A型环氧树脂E-12在低温冷冻设备中冷却到-150℃，采用高速冲击式粉碎机将其进行粉碎加工；

(2)将步骤(1)得到的粉末通过气流式筛分，得到粒径分布在10～50μm间的环氧树脂粉末。

(3)采用热法覆膜工艺制备酚醛树脂覆膜砂，其中原砂为5000g，酚醛树脂为75g(原砂和复合粘接剂的质量比为3∶100，复合粘接剂中酚醛树脂质量百分比为50％)，固化剂乌洛托品为22.5g(固化剂与复合粘接剂的质量比为15∶100)，润滑剂硬脂酸锂4.5g(润滑剂与复合粘接剂的质量比为3∶100)。

(4)将步骤(2)得到的75g的环氧树脂粉末、1.5g平均粒径为100nm的炭黑(炭黑和复合粘接剂的质量比为1∶100)及步骤(3)得到的酚醛树脂覆膜砂加入高速混合机中，进行均匀混合。

实施例3：

(1)将双酚A型环氧树脂E-06在低温冷冻设备中冷却到-150℃，采用高速冲击式粉碎机将其进行粉碎加工；

(2)将步骤(1)得到的粉末通过气流式筛分，得到粒径分布在10～50μm间的环氧树脂粉末。

(3)采用冷法覆膜工艺制备酚醛树脂覆膜砂，其中原砂为5000g，酚醛树脂为75g(原砂和复合粘接剂的质量比为2.4∶100，复合粘接剂中酚醛树脂质量百分比为62.5％)，固化剂乌洛托品为15g(固化剂与复合粘接剂的质量比为12.5∶100)，润滑剂硬脂酸钙6g(润滑剂与复合粘接剂的质量比为5∶100)。

(4)将步骤(2)得到的45g的环氧树脂粉末、0.9g平均粒径为80nm的炭黑(炭黑和复合粘接剂的质量比为0.75∶100)及步骤(3)得到的酚醛树脂覆膜砂加入高速混合机中，进行均匀混合，过筛。

实例4：

(1)将双酚A型环氧树脂E-12在低温冷冻设备中冷却到-150℃，采用高速冲击式粉碎机将其进行粉碎加工；

(2)将步骤(1)得到的粉末通过气流式筛分，得到粒径分布在10～50μm间的环氧树脂粉末。

(3)采用冷法覆膜工艺制备酚醛树脂覆膜砂，其中原砂为5000g，酚醛树脂为84g(原砂和复合粘接剂的质量比为2.8∶100，复合粘接剂中酚醛树脂质量百分比为60％)，固化剂乌洛托品为19.6g(固化剂与复合粘接剂的质量比为14∶100)，润滑剂硬脂酸钙8.4g(润滑剂与复合粘接剂的质量比为6∶100)。

(4)将步骤(2)得到的56g的环氧树脂粉末、1.19g平均粒径为80nm的炭黑(炭黑和复合粘接剂的质量比为0.85∶100)及步骤(3)得到的酚醛树脂覆膜砂加入高速混合机中，进行均匀混合，过筛。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种用于选择性激光烧结成形的覆膜砂，其特征在于，该覆膜砂包括原砂、复合粘接剂、固化剂、润滑剂以及光吸收剂；

所述粘接剂为酚醛树脂和环氧树脂构成的复合粘接剂，加入量与原砂的比例按质量分数计为2-3∶100；复合粘接剂的组成为：酚醛树脂的质量百分比为50-75％，其余为环氧树脂；

所述固化剂为六亚甲基四胺，其加入量与粘接剂的比例按质量分数计为10-15∶100；

所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙或硬脂酸锂，其加入量与粘接剂的比例按质量分数计为3-7∶100；

所述光吸收剂为炭黑，炭黑的平均粒径为50～100nm，其加入量与粘接剂的比例按质量分数计为0.5-1∶100。

2.一种权利要求1所述覆膜砂的制备方法，其过程为：

(1)将环氧树脂冷却到-140～-150℃，将其进行粉碎加工成粉末；

(2)将步骤(1)得到的粉末筛分，得到粒径分布在10～50μm间的环氧树脂粉末；

(3)利用所述原砂，酚醛树脂，固化剂和润滑剂制备酚醛树脂覆膜砂；

(4)将炭黑和步骤(2)得到的环氧树脂粉末加入到步骤(3)中制备的酚醛树脂覆膜砂中，混合均匀。