CN104385593B - 基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，该方法以液态蜡乳液为原材料。首先对材料加热，然后进行雾化，在雾化箱中形成均匀的雾化环境。将光固化快速原型件置入雾化箱中，雾化后的蜡乳液将在光固化快速原型件内外腔表面均匀覆膜，经一定时间将光固化快速原型件取出，放入烘箱加热，烘干乳液中水分，在光固化快速原型件内外腔表面形成一层极薄的涂层。该涂层能够消除光固化快速成型法产生的台阶效应，降低光固化快速原型件表面粗糙度。该方法操作简便，特别适用于具有复杂内外腔结构的光固化快速原型件表面质量改善，且不影响光固化快速原型件的尺寸精度，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光固化快速成型技术领域，涉及一种原型件表面粗糙度处理方法，具体涉及一种基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法。
背景技术
快速成型技术是基于材料累加原理的先进制造方法，它的出现为复杂零件制造提供了新的手段，可以缩短产品的设计周期，加快新产品的研制，降低制造成本。其中，光固化快速成型技术是目前快速成型技术中应用最广、精度最高的方法，具有材料利用率接近100％，可以成型任意复杂结构的精细零件(如空心涡轮叶片)等优点；但是由于该技术原理的限制，成型后原型件表面存在台阶效应，引起精度的失真，该技术瓶颈严重制约着光固化快速成型技术的快速发展和广泛应用。
目前国内外主要通过优化前处理成型软件、硬件以及工艺参数来降低原型件的表面粗糙度。但是这些方法只能一定程度上减小台阶效应，并不能从根本上消除，且普遍提高了产品的制造成本。
同时，也有通过后处理工艺对光固化快速原型件进行表面处理的方法，主要包括树脂涂覆法和表面抛光后处理法两种。树脂涂覆法是以热固性树脂为原材料对光固化快速原型件表面进行涂覆，该方法对树脂的粘度、流平性要求较高，操作工艺复杂，覆膜效果受原型件形状，摆放角度影响较大；同时该方法只能处理简单原型件的外表面，针对具有复杂内腔结构的原型件，涂覆效果较差，容易发生树脂截流等现象，大大降低了原型件的精度。对于应用在快速精铸领域的光固化快速原型件，热固性树脂涂层加大了铸型在预烧脱脂时的热应力，极易造成铸型开裂的现象。表面抛光后处理法包括打磨法和磨粒流法等，其缺点在于成型时需要预留加工余量，浪费材料，对加工者技术有较高要求，并且很难对复杂内腔进行加工。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，该方法通过对光固化快速原型件进行覆膜然后形成涂层，降低了光固化快速原型件表面的粗糙度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，包括以下步骤：
1)以蜡乳液作为涂平原料，将蜡乳液加热使其粘度降低至6.0～9.0mPa.s；
2)将热的蜡乳液通过雾化设备对密闭空间进行雾化操作，在密闭空间中形成均匀的雾化环境；
3)将待处理的光固化快速原型件置于雾化环境中，雾化后的蜡乳液在光固化快速原型件内外腔表面均匀覆膜，放置10～90s后将光固化快速原型件取出；
4)对取出的光固化快速原型件在不超过蜡乳液破乳的温度下加热，烘干蜡乳液中水分，在光固化快速原型件表面形成均匀涂层。
所述的蜡乳液中蜡颗粒的粒径为100～200nm。
所述的蜡乳液是由蜡与乳化剂混匀制成，蜡为聚乙烯蜡、石蜡、棕榈蜡、聚丙烯蜡、聚四氟乙烯蜡中的一种或几种；乳化剂为肥皂、阿拉伯胶、烷基苯磺酸钠中的一种或几种；蜡与乳化剂的体积比比为3:7～5:5。
步骤1)对蜡乳液加热的操作是在不超过蜡乳液破乳的温度下进行的。
步骤2)所述的雾化设备为超声雾化设备或超高压雾化设备。
在进行雾化操作时，雾化空间与蜡乳液的比例为1m3：(4～6)kg。
所述的雾化环境中，雾化粒度为8～15μm。
所述的光固化快速原型件内外腔表面形成的覆膜的厚度控制在100μm以内，在雾化环境中放置的时间越长则涂层越厚。
所述步骤4)在对雾化覆膜后的光固化快速原型件进行加热时，加热温度为35℃～40℃，加热时间为40～80min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，以蜡乳液作为涂平原料，通过其液态、雾态、以及固态的形态变化来对光固化快速原型件的表面进行处理；通过加热、雾化等处理可以形成液滴尺寸细小、分布均匀的雾化环境，由于雾化后的蜡乳液颗粒的直径在10μm左右，并且均匀分散并具有流动性，所以可以非常均匀的附着在光固化快速原型件的内外表面上，既不受表面处理的影响在又能够填满台阶的起伏，从而形成均匀的覆膜，在其加热固化之后形成均匀的涂层，特别适用于具有复杂内腔结构的光固化快速原型件。而且由于雾化形成的液滴尺寸细小，其对原型件尺寸精度影响很小，以较低的成本提高了原型件精度，同时降低了光固化快速原型件表面的粗糙度。
本发明提供的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，利用雾化后的蜡乳液对光固化快速原型件进行覆膜，并经过烘箱加热烘干，在光固化快速原型件表面形成一层均匀的涂层，该涂层极薄(可控制在100μm以内)，不会影响光固化快速原型件的尺寸精度，同时降低了光固化快速原型件表面的粗糙度。在光固化快速原型件成型时无需预留加工余量，节约成本，保证了零件的尺寸精度。与使用树脂材料进行涂平的工艺相比，并且涂层的厚度更薄，对精度的影响更小，具有明显的技术优势。
本发明提供的基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，本发明能使光固化快速原型件的表面粗糙度由原来的10～8μm降低到1μm以内，消除了光固化快速原型件的表面台阶效应；同时涂层厚度在100μm以内，不影响光固化快速原型件的尺寸精度，特别适用于具有复杂内腔结构的光固化快速原型件表面处理。操作简便，适用于规模化生产，因此本发明具有重要的工程应用价值。
尤为重要的是，本发明在基于光固化成型技术的快速精铸领域使用时，由于树脂膨胀系数高于陶瓷，树脂原型烧失时易导致陶瓷型壳开裂。而蜡的熔点较低，可以在树脂原型软化前熔化为液体流出，从而在树脂原型与陶瓷铸型之间形成了空隙，降低了树脂原型对陶瓷铸型的膨胀力，也同时为解决陶瓷型壳开裂提供了一种技术方法。
附图说明
图1为未经雾化喷涂的标样表面形貌图；
图2为经过雾化喷涂的标样表面形貌图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，包括以下操作：
1)以蜡乳液作为涂平原料，将蜡乳液加热(加热温度在35～40℃范围之间)，降低其粘度为6.0～9.0mPa.s；
2)将热的蜡乳液通过雾化设备对密闭空间进行雾化操作，在密闭空间中形成均匀的雾化环境；
3)将待处理的光固化快速原型件置于雾化环境中，使雾化后的蜡乳液在光固化快速原型件内外腔表面均匀覆膜，放置10～90s后将光固化快速原型件取出；
4)对取出的光固化快速原型件在不超过蜡乳液破乳的温度下加热，烘干蜡乳液中水分，在光固化快速原型件表面形成均匀涂层。
以下是给出的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法的具体实施案例。
实施例1
一种基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
1)加热聚乙烯蜡乳液
选取聚乙烯蜡乳液作为涂平原料，将聚乙烯蜡乳液加热，加热范围35℃～40℃，聚乙烯蜡乳液粘度降低，加热后聚乙烯蜡乳液粘度在6.0mPa.s～9.0mPa.s，常温时粘度在40mPa.s左右，粘度降低有利于后续的超声雾化，加热温度超过40℃，聚乙烯蜡乳液会发生破乳现象，不能再作为涂平材料使用；
其中，聚乙烯蜡乳液是聚乙烯蜡与烷基苯磺酸钠按照3:7的体积比配制而成；聚乙烯蜡乳液中聚乙烯蜡颗粒的粒径为100～200nm。
2)聚乙烯蜡乳液的超声雾化
选取频率为30KHz的超声雾化设备对加热后的聚乙烯蜡乳液进行雾化，雾化粒度10μm左右，在雾化箱内形成均匀的雾化环境；在进行雾化操作时，雾化空间与聚乙烯蜡乳液的比例为1m3：4kg。
3)覆膜工艺
将光固化快速原型件(实物标样尺寸，长22mm，宽15mm，厚1.6mm)放入雾化箱中，聚乙烯蜡乳液将在光固化快速原型件表面均匀覆膜；经过20秒后将光固化快速原型件取出；
4)加热固化工艺
将光固化快速原型件放入烘箱加热，烘干乳液中水分，烘箱温度设为40℃，经60分钟后取出。
通过测量，实物标样表面粗糙度由10μm降低到1μm，同时涂层厚度在100μm以内。
参见图1，未经雾化喷涂的光固化快速原型件的表面形貌有明显的凹凸现象即台阶效应；参见图2，经过雾化喷涂后的光固化快速原型件的表面形貌非常平整，台阶效应基本消除。由此证明本发明可以有效消除光固化快速原型件的台阶效应，降低原型件表面粗糙度。
实施例2
一种基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
1)加热棕榈蜡乳液
选取棕榈蜡乳液作为涂平原料，将棕榈蜡乳液加热，加热范围30℃～40℃，棕榈蜡乳液粘度降低，加热后棕榈蜡乳液粘度在6.0mPa.s～9.0mPa.s，常温时粘度在50mPa.s左右，粘度降低有利于后续的雾化，加热温度超过40℃，棕榈蜡乳液会发生破乳现象，不能再作为涂平材料使用；
其中，棕榈蜡乳液是棕榈蜡与阿拉伯胶按照4:6的体积比配制而成；棕榈蜡乳液中棕榈蜡颗粒的粒径为100～200nm。
2)棕榈蜡乳液的超高压雾化
调节超高压雾化设备压力至60MPa，对加热后的棕榈蜡乳液进行超高压雾化，雾化粒度10μm左右，在雾化箱内形成均匀的雾化环境；在进行雾化操作时，雾化空间与棕榈蜡乳液的比例为1m3：5kg。
3)覆膜工艺
将光固化快速原型件(实物标样尺寸，长22mm，宽15mm，厚1.6mm)放入雾化箱中，棕榈蜡乳液将在光固化快速原型件表面均匀覆膜，经过20秒后将光固化快速原型件取出；
4)加热固化工艺
将光固化快速原型件放入烘箱加热，烘干乳液中水分，烘箱温度设为40℃，经60分钟后取出。
通过测量，实物标样表面粗糙度由10μm降低到1μm，同时涂层厚度在100μm以内。
实施例3
一种基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
1)加热聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液
选取聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液作为涂平原料，将聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液加热，加热范围30℃～40℃，聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液粘度降低，加热后聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液粘度在6.0mPa.s～9.0mPa.s，常温时粘度在45mPa.s左右，加热温度超过40℃，聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液会发生破乳现象，不能再作为涂平材料使用；
其中，聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液中聚四氟乙烯蜡和石蜡的体积比为1:1，聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液是蜡(聚四氟乙烯蜡和石蜡)与肥皂按照5:5的体积比配制而成，聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液中蜡颗粒的粒径为100～200nm。
2)聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液的超高压雾化
调节超高压雾化设备压力至50MPa，对加热后的聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液进行超高压雾化，雾化粒度12μm左右，在雾化箱内形成均匀的雾化环境；雾化空间与聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液的比例为1m3：6kg。
3)覆膜工艺
将光固化快速原型件(实物标样尺寸，长22mm，宽15mm，厚1.6mm)放入雾化箱中，聚四氟乙烯蜡和石蜡混合蜡乳液将在光固化快速原型件表面均匀覆膜，经过60秒后将光固化快速原型件取出；
4)加热固化工艺
将光固化快速原型件放入烘箱加热，烘干乳液中水分，烘箱温度设为35℃，经80分钟后取出。
通过测量，实物标样表面粗糙度由10μm降低到1μm，同时涂层厚度在100μm以内。
实施例4
一种基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
1)加热聚丙烯蜡乳液
选取聚丙烯蜡乳液作为涂平原料，将聚丙烯蜡乳液加热，加热范围30℃～40℃，聚丙烯蜡乳液粘度降低，加热后聚丙烯蜡乳液粘度在6.0mPa.s～9.0mPa.s，常温时粘度在40mPa.s左右，加热温度超过40℃，聚丙烯蜡乳液会发生破乳现象，不能再作为涂平材料使用；
其中，聚丙烯蜡乳液是聚丙烯蜡与乳化剂按照5:5的体积比配制而成，聚丙烯蜡乳液中聚丙烯蜡颗粒的粒径为100～200nm；乳化剂是肥皂与烷基苯磺酸钠按照2:3的体积比配制而成。
2)聚丙烯蜡乳液的超高压雾化
调节超高压雾化设备压力至50MPa，对加热后的聚丙烯蜡乳液进行超高压雾化，雾化粒度8μm左右，在雾化箱内形成均匀的雾化环境；雾化空间与聚丙烯蜡乳液的比例为1m3：5kg。
3)覆膜工艺
将光固化快速原型件(实物标样尺寸，长22mm，宽15mm，厚1.6mm)放入雾化箱中，聚丙烯蜡乳液将在光固化快速原型件表面均匀覆膜，经过10秒后将光固化快速原型件取出；
4)加热固化工艺
将光固化快速原型件放入烘箱加热，烘干乳液中水分，烘箱温度设为40℃，经40分钟后取出。
通过测量，实物标样表面粗糙度由10μm降低到1μm，同时涂层厚度在100μm以内。
实施例5
一种基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
1)加石蜡乳液
选取石蜡乳液作为涂平原料，将石蜡乳液加热，加热范围30℃～40℃，石蜡乳液粘度降低，加热后石蜡粘度在6.0mPa.s～9.0mPa.s，常温时粘度在50mPa.s左右，加热温度超过40℃，石蜡乳液会发生破乳现象，不能再作为涂平材料使用；
其中，石蜡乳液是石蜡与烷基苯磺酸钠按照3:7的体积比配制而成，石蜡乳液中聚石蜡颗粒的粒径为100～200nm；
2)石蜡乳液的超高压雾化
调节超高压雾化设备压力至50MPa，对加热后的石蜡乳液进行超高压雾化，雾化粒度15μm左右，在雾化箱内形成均匀的雾化环境；雾化空间与石蜡乳液的比例为1m3：4kg。
3)覆膜工艺
将光固化快速原型件(实物标样尺寸，长22mm，宽15mm，厚1.6mm)放入雾化箱中，石蜡乳液将在光固化快速原型件表面均匀覆膜，经过90秒后将光固化快速原型件取出；
4)加热固化工艺
将光固化快速原型件放入烘箱加热，烘干乳液中水分，烘箱温度设为40℃，经50分钟后取出。
通过测量，实物标样表面粗糙度由10μm降低到1μm，同时涂层厚度在100μm以内。
实施例6
一种基于雾化技术的降低光固化快速原型件表面粗糙度的方法，包括以下步骤：
1)加混合蜡乳液
选取混合蜡乳液作为涂平原料，将混合蜡乳液加热，加热范围30℃～40℃，混合蜡乳液粘度降低，加热后混合蜡乳液粘度在6.0mPa.s～9.0mPa.s，加热温度超过40℃，混合蜡乳液会发生破乳现象，不能再作为涂平材料使用；
其中，混合蜡乳液是混合蜡与乳化剂按照5:5的体积比配制而成，混合蜡乳液中蜡颗粒的粒径为100～200nm；混合蜡是聚乙烯蜡、棕榈蜡与聚四氟乙烯蜡按照1：3：1的体积比混合而成，乳化剂是肥皂、阿拉伯胶与烷基苯磺酸钠按照2：1：1的体积比配制而成。
2)混合蜡乳液的超高压雾化
选取频率为30KHz的超声雾化设备，对加热后的混合蜡乳液进行超高压雾化，雾化粒度15μm左右，在雾化箱内形成均匀的雾化环境；雾化空间与混合蜡乳液的比例为1m3：6kg。
3)覆膜工艺
将光固化快速原型件(实物标样尺寸，长22mm，宽15mm，厚1.6mm)放入雾化箱中，混合蜡乳液将在光固化快速原型件表面均匀覆膜，经过30秒后将光固化快速原型件取出；
4)加热固化工艺
将光固化快速原型件放入烘箱加热，烘干乳液中水分，烘箱温度设为37℃，经60分钟后取出。
通过测量，实物标样表面粗糙度由10μm降低到1μm，同时涂层厚度在100μm以内。
Claims (9)
1.基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以蜡乳液作为涂平原料，将蜡乳液加热使其粘度降低至6.0～9.0mPa·s；
2)将热的蜡乳液通过雾化设备对密闭空间进行雾化操作，在密闭空间中形成均匀的雾化环境；
3)将待处理的光固化快速原型件置于雾化环境中，雾化后的蜡乳液在光固化快速原型件内外腔表面均匀覆膜，放置10～90s后将光固化快速原型件取出；
4)对取出的光固化快速原型件在不超过蜡乳液破乳的温度下加热，烘干蜡乳液中的水分，在光固化快速原型件表面形成均匀涂层。
2.如权利要求1所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，所述的蜡乳液中蜡颗粒的粒径为100～200nm。
3.如权利要求1或2所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，所述的蜡乳液是由蜡与乳化剂混匀制成，蜡为聚乙烯蜡、石蜡、棕榈蜡、聚丙烯蜡、聚四氟乙烯蜡中的一种或几种；乳化剂为肥皂、阿拉伯胶、烷基苯磺酸钠中的一种或几种；蜡与乳化剂的体积比为3:7～5:5。
4.如权利要求1所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，步骤1)对蜡乳液加热的操作是在不超过蜡乳液破乳的温度下进行的。
5.如权利要求1所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，所述的雾化设备为超声雾化设备或超高压雾化设备。
6.如权利要求1所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，在进行雾化操作时，雾化空间与蜡乳液的比例为1m3：(4～6)kg。
7.如权利要求1所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，所述的雾化环境中，雾化粒度为8～15μm。
8.如权利要求1所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，所述的光固化快速原型件内外腔表面形成的覆膜的厚度控制在100μm以内。
9.如权利要求1所述的基于雾化技术的光固化快速原型件表面粗糙度降低方法，其特征在于，所述步骤4)在对雾化覆膜后的光固化快速原型件进行加热时，加热温度为35℃～40℃，加热时间为40～80min。
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