CN103934415A - 基于3d打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法 - Google Patents

基于3d打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，步骤包括：泡沫颗粒进行蒸汽保压发泡，使得单位体积重量为500-600g/L的泡沫颗粒原料发泡至单位体积重量为17-25g/L的发泡泡沫颗粒；然后风的温度维持在20-30℃进行吹风冷却获得的泡沫颗粒装入3D打印机的原料盒中进行打印；受加热模型工作台的加热温度的作用，喷撒在加热模型工作台上的每层泡沫颗粒熔融粘结在一起，逐层累积并相互粘结直至获得完整的泡沫模型；所述的3D打印机打印完成获得消失模铸造用泡沫模型。本发明具有模具损耗小、制作周期短，生产成本低且制作容易的优点。

Description

基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法。 
背景技术
消失模铸造（又称实型铸造）是用泡沫塑料（EPS、STMMA或EPMMA）高分子材料制作成为与要生产铸造的零件结构、尺寸完全一样的实型模型，经过浸涂耐火涂料（起强化、光洁、透气作用）并烘干后，埋在干石英砂中经三维振动造型，浇铸造型砂箱在负压状态下浇入熔化的金属液，使高分子材料模型受热气化抽出，进而被液体金属取代冷却凝固后形成的一次性成型铸造新工艺生产铸件的新型铸造方法。 
这种消失模铸造方法中使用的泡沫塑料模型，传统采用的是将购买的泡沫塑料颗粒进行预发泡，然后将预发泡的颗粒放置于模具中进行注塑成型，在注塑成型过程还要向模具中通入高温蒸汽使得预发泡的泡沫塑料颗粒之间融合成完整的模型；然后再喷水冷却模具、定型取出所要获得的模型。这种传统的方法一来生产不同的零件就要使用不同的模具，因此，模具用量大、开模困难，在生产过程多次的开模、切削会造成模具的大量损耗，生产成本高；并且后期的模具维护、维修也需要大量的人力、物力，再加上设计和制作模具会需要较长的周期，这些就会延迟交货期或导致不能及时交货；二来，这种传统的注塑成型方法，由于要向模具中通入高温蒸汽，对模具本身的结构和材料性能要求高，制作困难。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种模具损耗小、制作周期短，生产成本低且制作容易的基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法。 
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，步骤包括： 
（1）将用于制备消失模铸造用泡沫颗粒进行发泡处理，即对泡沫颗粒进行蒸汽保压发泡，使得单位体积重量为500-600g/L的泡沫颗粒原料发泡至单位体积重量为17-25g/L的发泡塑料颗粒；上述的发泡蒸汽温度为100-110℃，蒸汽保压0.05-0.08MPa，保压时间为40-60秒； 
（2）将步骤（1）蒸汽保压发泡后的泡沫颗粒进行冷却，具体采用对泡沫颗粒持续吹风干燥进行冷却，冷却过程同时除去泡沫颗粒中的水分且将粘连的泡沫颗粒分散开；风的温度 维持在20-30℃； 
（3）将步骤（2）获得的泡沫颗粒装入3D打印机的原料盒中； 
（4）根据消失模铸造用泡沫模型的结构形状和尺寸进行电脑三维建模； 
（5）3D打印机与步骤（4）三维建模的电脑相连接；所述的电脑将三维模型进行二维化处理，即将三维模型图按照Z轴方向层层分割成一系列连续序号的二维平面图； 
（6）在3D打印机的打印系统控制下，进行X、Y、Z三向运动；X、Y轴组成上述二维平面图的平面扫描运动，由伺服电机驱动控制连接原料盒中的泡沫颗粒喷嘴的扫描运动；Z轴由伺服电机驱动控制做垂直于X、Y平面的运动、以实现泡沫颗粒原料的逐层粘结与叠加过程；由喷嘴喷撒出的泡沫颗粒原料到具有防护性气体的防护室中的加热模型工作台上，加热模型工作台的加热温度为100-110℃；受加热模型工作台的加热温度的作用，喷撒在加热模型工作台上的每层泡沫颗粒熔融粘结在一起，逐层累积并相互粘结直至获得完整的泡沫模型；所述的3D打印机打印完成，消失模铸造用成型泡沫模型。 
本发明上述泡沫颗粒原料为聚甲基丙烯酸甲脂和聚苯乙烯的机械混合物（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物CASNo.25034-86-0），厂家是杭州凯斯特化工有限公司。 
本发明上述方法还包括在发泡处理过程加入戊烷作为发泡剂，戊烷在整个加入戊烷后的泡沫颗粒原料中的质量含量为6-9%（即戊烷在戊烷和泡沫颗粒原料总质量中的质量含量为6-9%）。 
本发明的优点和有益效果： 
1.本发明的方法与现有技术相比优点在于：通过电脑对产品进行三维建模，再将三维建模数据传输给3D打印机，产生若干连续分层的平面图，根据平面图控制3D打印机喷嘴将泡沫原料逐层喷洒并粘结起来，逐层累积并粘结直至泡沫模型成型。从而省下了大量的模具开发和损耗，缩短了生产周期，生产效率大幅提高。模型结构和尺寸可根据电脑三维模型软件方便建模设计，可适用于加工难度很大的异形制品，大大降低生产成本和劳动强度。 
2.本发明采用对原料进行蒸汽发泡处理，一次发泡到位，以戊烷作为发泡剂，使得原料发泡倍数维持在30倍左右，从而无需在后期3D打印过程再进行高温蒸汽发泡，从而有效保护打印设备；此外，在发泡结束后对材料进行吹风处理，主要是为了除去蒸汽发泡过程遗留的水分、并同时将粘结在一起的发泡颗粒吹散；从而避免在消失模铸造过程，由于水分和粘结颗粒的存在造成调料不充分、产品出现凹坑等缺陷。 
具体实施方式
下面对本发明的实施例作进一步描述。 
以制备的泡沫模型为汽车发动机摇臂，最大轮廓尺寸约为120mm×80mm×60mm，模型密度为22g/L为例： 
本发明的方法，包括以下步骤： 
（1）将用于制备消失模铸造用泡沫颗粒进行发泡处理，即对泡沫颗粒进行蒸汽保压发泡，具体采用杭州凯斯特化工有限公司生产的聚甲基丙烯酸甲脂和聚苯乙烯的机械混合物或称为聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯的共聚珠粒（苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物CASNo.25034-86-0），加入戊烷作为发泡剂，戊烷在整个物料中的质量含量为8%，发泡过程使得单位体积重量为600g/L的泡沫颗粒原料发泡至单位体积重量为22g/L的发泡塑料颗粒；上述的发泡蒸汽温度为105-110℃，蒸汽保压0.05MPa，发泡保压时间为50-60秒； 
（2）将步骤（1）蒸汽保压发泡后的泡沫颗粒进行冷却，即对泡沫颗粒持续吹干燥的风，以除去水分，并将粘连的泡沫颗粒分散开；风的温度维持在25℃； 
（3）将步骤（2）获得的泡沫颗粒装入3D打印机的原料盒中； 
（4）根据消失模铸造用泡沫模型的结构形状和尺寸进行电脑三维建模，如采用solidworks软件进行三维建模； 
（5）3D打印机与步骤（4）三维建模的电脑相连接；所述的电脑将三维模型进行二维化处理，即将三维模型图按照Z轴方向层层分割成一系列连续序号的二维平面图； 
（6）在3D打印机的打印系统控制下，进行X、Y、Z三向运动；X、Y轴组成上述二维平面图的平面扫描运动，由伺服电机驱动控制连接原料盒中的泡沫颗粒喷嘴的扫描运动；Z轴由伺服电机驱动控制做垂直于X、Y平面的运动、以实现泡沫颗粒原料的逐层粘结与叠加过程；由喷嘴喷撒出的泡沫颗粒原料到具有防护性气体的防护室中的加热模型工作台上，加热模型工作台的加热温度为100-110℃；受加热模型工作台的加热温度的作用，喷撒在加热模型工作台上的每层泡沫颗粒熔融粘结在一起，逐层累积并相互粘结直至获得完整的泡沫模型；所述的3D打印机打印完成，消失模铸造用成型泡沫模型。 
上述打印过程的控制系统以电脑作为信息处理平台，通过控制三轴电机以及喷嘴进行工作。 
本发明上述的逐层粘结与叠加过程，工作台也可以采用激光扫描对每层材料进行加热。 

Claims (3)

1.一种基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于：步骤包括：
（1）将用于制备消失模铸造用泡沫颗粒进行发泡处理，即对泡沫颗粒进行蒸汽保压发泡，使得单位体积重量为500-600g/L的泡沫颗粒原料发泡至单位体积重量为17-25g/L的发泡泡沫颗粒；上述的发泡蒸汽温度为100-110℃，蒸汽保压0.05-0.08MPa，保压时间为40-60秒；
（2）将步骤（1）蒸汽保压发泡后的泡沫颗粒进行冷却，具体采用对泡沫颗粒持续吹风干燥进行冷却，冷却过程同时除去泡沫颗粒中的水分且将粘连的泡沫颗粒分散开；风的温度维持在20-30℃；
（3）将步骤（2）获得的泡沫颗粒装入3D打印机的原料盒中；
（4）根据消失模铸造用泡沫模型的结构形状和尺寸进行电脑三维建模；
（5）3D打印机与步骤（4）三维建模的电脑相连接；所述的电脑将三维模型进行二维化处理，即将三维模型图按照Z轴方向层层分割成一系列连续序号的二维平面图；
（6）在3D打印机的打印系统控制下，进行X、Y、Z三向运动；X、Y轴组成上述二维平面图的平面扫描运动，由伺服电机驱动控制连接原料盒中的泡沫颗粒喷嘴的扫描运动；Z轴由伺服电机驱动控制做垂直于X、Y平面的运动、以实现泡沫颗粒原料的逐层粘结与叠加过程；由喷嘴喷撒出的泡沫颗粒原料到具有防护性气体的防护室中的加热模型工作台上，加热模型工作台的加热温度为100-110℃；受加热模型工作台的加热温度的作用，喷撒在加热模型工作台上的每层泡沫颗粒熔融粘结在一起，逐层累积并相互粘结直至获得完整的泡沫模型；所述的3D打印机打印完成获得消失模铸造用泡沫模型。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的泡沫颗粒原料为苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于：还包括在发泡处理过程加入戊烷作为发泡剂的步骤，戊烷在整个加入戊烷后的泡沫颗粒原料中的质量含量在6-9%。
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