CN104722757A - 一种激光3d打印专用型砂及其制备工艺和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光3D打印专用型砂及其制备工艺和应用，包括成型填充物质、成型固化剂、催化剂、添加剂，其中成型填充物质为铸造用砂，占总砂重92.5~97%；成型固化剂为呋喃树脂，占总砂重的1~3%；催化剂对甲苯磺酸，占总砂重的0.5~1%；添加剂为膨润土及硼砂，其中膨润土占总砂重的1.5~3%，硼酸占总沙重的0~0.5%。本发明的优点是在型砂成型过程中，无需模具即可成型，尺寸精度及强度高，型砂所使用的激光3D打印方法特别适用于新品开发、样品制作及形状及其复杂的砂型制造。

Description

一种激光3D打印专用型砂及其制备工艺和应用

技术领域

本发明属于材料铸造领域，具体是一种激光3D打印专用型砂及其制备工艺和应用。

背景技术

随着生活中金属制品更新换代节奏的加快，对相关金属制品的研发速度要求越来越高，市场竞争愈演愈烈，也急迫要求开发商和制造商成本和质量进行有效的管控，这就把许多问题都归结于制造技术和先进工艺。许多金属的核心部件，本身的结构十分复杂，例如汽车发动机缸盖及缸体铸件，在发动机的开发过程中，这些零件模具的制造是生产周期最长，花费最多的环节之一。一般都需要多次更改设计和工艺，而每次更改设计和工艺则必须进行修模甚至重新制作模具，使得一款新发动机的推出周期很长, 影响企业在最有利的时机争夺市场份额。

采用3D打印快速成型方法开发金属制品样品，不仅省略了制作模具的工序，而且可以显著缩短研制周期，而且在需要更改设计时，只需更改CAD数据，就又可以在很短的时间内制作出修改后样品。在极短时间内，即可开展后期的试验研究。

由于3D打印快速成型制造技术是把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性，因此该项技术近年来得到了飞速的发展。

尽管3D打印快速成型技术有效地解决了复杂零件的成型问题，然而，现有3D快速成型制造技术仍然存在以下局限性：（1）受快速成型材料的限制，成形后零件无法与实际最终零件的材料一致。（2）现有快速成型制造的零件的性能指标方面无法达到最终零件的要求；（3）现有快速成型制造的零件的只能作为可视模型和装配模型, 而不能作为功能样机进行各种测试和使用检验。（4）即使3D打印合格的金属产品样品，也只是单件或很小批量，不能批量化生产。

发明内容

本发明的第一个目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，研发一种适用于激光3D打印成型的精密度极高，膨胀系数小且无需后加工型砂。

本发明的第二个目的是提供一种上述型砂的制备工艺。

本发明的第三个目的是提供一种上述型砂3D激光成型的应用方法。

为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是一种激光3D打印专用型砂，包括成型填充物质、成型固化剂、催化剂、添加剂，其中成型填充物质为铸造用砂，占总砂重92~97%；成型固化剂为呋喃树脂，占总砂重的1~3%；催化剂对甲苯磺酸，占总砂重的0.5~1%；添加剂为膨润土及硼砂，其中膨润土占总砂重的1.5~3%，硼酸占总沙重的0.5~1%。

进一步设置是所述铸造用砂包括硅砂、非硅质砂，其要求为颗粒组成1~70目，含泥量≤1%。

进一步设置是所述的对甲苯磺酸为FFD-G03型。

进一步设置是所述的呋喃树脂含氮量≤8％。

进一步设置是所述的膨润土及硼酸的颗粒组成均为1~70目。

    为实现本发明的第二个目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：

 （1）将铸造用砂、膨润土及硼酸按标准质量比配置完成后，均匀混合后，置于120~200℃环境下，烘烤10~30min；

（2）置于于干燥环境中，冷却至室温后，加入所述质量比的FFD-G03型对甲苯磺酸，均匀混合后，静置10~30s；

（3）加入所述质量比含氮量≤8%的呋喃树脂，均匀混合后，静置10~60s。

    为实现本发明的第三个目的，本发明的技术方案是包括以下步骤：

（1）首先将配置好的型砂，置入激光3D打印设备的送料装置中；

（2）开启激光3D打印设备，待其完全启动后，将所需打印的砂型模型编制完成后，启动打印程序；

（3）打印过程中，激光照射温度范围为800~2500℃，型砂铺设量需严格控制在0.2±0.05mm，防止过薄或过厚，致使型砂出现局部应力变化，导致产品报废；

（4）打印完成后，在300~400℃环境下，保温2~8小时。

激光3D打印技术，只需向系统中输入所制作的电子3D模型，无需模具，通过观测系统对加工过程进行控制，实现成型材料的形貌及尺寸进行精密控制，本发明所涉及的专用型砂各组分在急冷急热条件下，膨胀系数极小，因此本发明具有如下优点：

本发明在型砂成型过程中，无需模具即可成型，尺寸精度及强度高；本发明涉及的激光3D打印专用型砂特别适用于新品开发、样品制作及形状及其复杂的砂型制造。

主要技术性能参数为：热膨胀率，1000℃，0.9~1.2%；发气量，850℃，3 min，6 ~12 mL/g；抗弯强度，( 232±5)℃，2 min，3.5 ~10.0 MPa；高温抗压强度，1000℃，1min，0.2 ~0.6 MPa；灼减量，1000℃，30 min，1.1~2.3%；耐热时间，60s ~120s。

 

具体实施方式

下面以发动机缸体型砂制造为例，通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

 型砂制造过程：

（1）将擦洗湖口砂92kg、膨润土3kg及硼酸1kg均匀混合后，置于200℃环境下，烘烤10min；

（2）置于于干燥环境中，冷却至室温后，加入1kgFFD-G03型对甲苯磺酸，均匀混合后，静置10s；

（3）加入3kg含氮量≤8%呋喃树脂，均匀混合后，静置10s。

    发动机缸体砂型制作过程：

（1）首先将配置好的型砂，置入激光3D打印设备的送料装置中；

（2）开启激光3D打印设备，待其完全启动后，将发动机缸体的砂型模型导入激光打印软件，启动打印程序；

（3）打印过程中，激光照射温度为800℃，型砂铺设量需严格控制在0.2±0.05mm；

（4）打印完成后，在300℃环境下，保温2小时。

实施例2

 以发动机缸体型砂为例

型砂制造过程：

（1）将擦洗湖口砂97kg、膨润土1kg及硼酸0.5kg均匀混合后，置于120℃环境下，烘烤30min；

（2）置于于干燥环境中，冷却至室温后，加入0.5kgFFD-G03型对甲苯磺酸，均匀混合后，静置30s；

（3）加入1kg含氮量≤8%呋喃树脂，均匀混合后，静置60s。

    发动机缸体砂型制作过程：

（1）首先将配置好的型砂，置入激光3D打印设备的送料装置中；

（2）开启激光3D打印设备，待其完全启动后，将发动机缸体的砂型模型导入激光打印软件，启动打印程序；

（3）打印过程中，激光照射温度为2500℃，型砂铺设量需严格控制在0.2±0.05mm；

（4）打印完成后，在400℃环境下，保温8小时。

实施例3

型砂制造过程：

（1）将擦洗湖口砂95kg、膨润土1.5kg及硼酸0.8kg均匀混合后，置于120~200℃环境下，烘烤20min；

（2）置于于干燥环境中，冷却至室温后，加入FFD-G03型0.7kg对甲苯磺酸，均匀混合后，静置20s；

（3）加入2kg含氮量≤8%呋喃树脂，均匀混合后，静置30s。

    发动机缸体砂型制作过程：

（1）首先将配置好的型砂，置入激光3D打印设备的送料装置中；

（2）开启激光3D打印设备，待其完全启动后，将发动机缸体的砂型模型导入激光打印软件，启动打印程序；

（3）打印过程中，激光照射温度为1500℃，型砂铺设量需严格控制在0.2±0.05mm；

（4）打印完成后，在350℃环境下，保温4小时。

Claims (7)

1.一种激光3D打印专用型砂，其特征在于：包括成型填充物质、成型固化剂、催化剂和添加剂，其中成型填充物质为铸造用砂，占总砂重92~97%；成型固化剂为呋喃树脂，占总砂重的1~3%；催化剂对甲苯磺酸，占总砂重的0.5~1%；添加剂为膨润土及硼砂，其中膨润土占总砂重的1.5~3%，硼酸占总沙重的0.5~1%。

2.根据权利要求1所述的一种激光3D打印专用型砂，其特征在于：所述铸造用砂包括硅砂或非硅质砂，其要求为颗粒组成1~70目，含泥量≤1%。

3.根据权利要求1所述的一种激光3D打印专用型砂，其特征在于：所述的呋喃树脂含氮量≤8％。

4.根据权利要求1所述的一种激光3D打印专用型砂，其特征在于：所述的对甲苯磺酸为FFD-G03型。

5.根据权利要求1所述的一种激光3D打印专用型砂，其特征在于：所述的膨润土及硼酸的颗粒组成均为1~70目。

6.一种如权利要求1所述的激光3D打印专用型砂的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：各步骤所用原料的配比如权利要求1所述，

（1）将铸造用砂、膨润土及硼酸按比例配置，均匀混合后，置于120~200℃环境下，烘烤10~30min；

（2）置于干燥环境中，冷却至室温后，加入所述质量比的FFD-G03型对甲苯磺酸，均匀混合后，静置10~30s；

（3）加入所述质量比含氮量≤8%的呋喃树脂，均匀混合后，静置10~60s。

7.一种如权利要求1所述的激光3D打印专用型砂的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：

（1）将所述的激光3D打印专用型砂，置入激光3D打印设备的送料装置中；

（2）开启激光3D打印设备，待其完全启动后，将所需打印的砂型模型编制完成后，启动打印程序；

（3）打印过程中，激光照射温度范围为800~2500℃，型砂铺设量严格控制在0.2±0.05mm；

（4）打印完成后，在300~400℃环境下，保温2~8小时。