CN104999031A - 一种喷射固化型砂的快速制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷射固化型砂的快速制造方法，其特征在于通过喷头向预先经过混有固化剂的型砂喷射经稀释处理的树脂，通过铺粉、喷射树脂，被喷射树脂的型砂固化、粘接成形，对成形的层面加热干燥，逐层打印，逐层堆叠固化成铸型实体，然后进一步烘干以提高强度。该方法通过降低树脂的使用量来避免铸型发气量过大的问题，防止堵塞喷头装置，加快固化速度，提高铸型和型芯的装配质量，最终获得较高强度的铸型。

Description

一种喷射固化型砂的快速制造方法

技术领域

本发明涉及快速成型技术，尤其涉及一种喷射固化型砂的快速制造方法。

背景技术

3D打印是快速成型技术的一种，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，形成“数字化制造”。

3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

受研发和消费的影响，铸造件的设计越来越体现消费者的意愿、体现设计者的创意，正在摆脱传统铸造工艺的束缚，产品设计和研发开始借助3D打印在大企业的内部完成，3D打印技术正在成为提高高端铸件产品竞争力的有力保证。目前，已有部分工业级3D打印机应用于铸造生产服务，主要用于铸件的快速原型、翻制模具、打印模壳、砂芯等。

用激光对覆膜砂进行选择性烧结，是当前较成熟的快速成型技术之一，其最大的特点是制造中无需任何机械辅助设备，灵活性高，稳定性好，适合制造复杂形状的砂型(芯)。其工作原理为，在CAD切片模型的驱动下，先在工作台上铺一层覆膜砂，并加热至略低于覆膜砂熔点温度，然后激光束选择性地按照切片形状进行扫描，被扫描的部分材料熔化、粘接，形成截面轮廓，一层完成成形后，工作台下降一个层高，再进行下一层的铺料和烧结，逐层叠加，直至最终堆叠固化成实体铸型。

然而，使用该方法的主要缺点是制成的砂型变形量大，从而影响铸型和型芯的装配，使铸件尺寸精度受影响，铸件尺寸也因此受到了限制。

与覆膜砂的选择性激光烧结技术类似地，使用微滴喷射粘结成型技术也是当前快速发展的一种快速成型技术。其工作原理为，根据CAD切片模型，对覆有固化剂的型砂进行选择性喷覆树脂，先在工作台上铺一层覆有固化剂的型砂，然后由计算机控制精确地喷射树脂；也可以是对覆有树脂的型砂进行选择性喷固化剂，先在工作台上铺一层覆有树脂的型砂，然后由计算机控制精确地喷射固化剂，通过固化剂和树脂两者发生胶联反应，逐层固化型砂而堆积形成铸型。

使用上述方法的主要缺点是砂型树脂含量高，随后的铸造过程中铸造缺陷发生率高，并且固化速率较慢，树脂粘度高容易堵塞喷头装置；对于覆有树脂的型砂而言，因为容易结团粘连，不易分散，导致铺砂效果不好，使打印的砂型有缺陷。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种喷射固化型砂的快速制造方法，提高打印砂型的成型质量和速率，降低树脂使用量，并且通过降低树脂的粘度来减少喷头堵塞的几率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种喷射固化型砂的快速制造方法，降低树脂的使用量来避免铸型发气量过大的问题，防止堵塞喷头装置，加快固化速度，提高铸型和型芯的装配质量，获得较高强度的铸型。

为实现上述目的，本发明提供了一种喷射固化型砂的快速制造方法，包括以下步骤：

(a)在计算机中建立砂型的三维模型，并对该模型进行分层和数据处理；

(b)控制铺粉装置在工作台上铺一层覆有固化剂的型砂；

(c)计算机根据模型的一系列层面，读取当前层面的实体数据，按照读取的实体数据，驱动设备的喷射系统喷射一层经过稀释处理的树脂，被喷射树脂区域的型砂发生固化反应而粘接成形，形成第一层；

(d)对成形的层面进行加热干燥处理；

(e)完成第一层成形后，工作台下降一个层高，按照(b)-(d)再进行铺粉、喷射树脂，被喷射树脂的型砂固化、粘接成形，对成形的层面加热干燥，形成第二层；并以此类推，逐层打印剩下的所有层面，逐层堆叠固化成铸型实体；

(f)去除没有固化成形的余砂，进一步对铸型实体烘干固化，提高铸型实体的强度。

进一步地，型砂包括锆砂、镁砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、钛铁矿砂、刚玉砂、耐火熟料、石灰石砂、碳质砂、陶粒砂、或其它陶瓷粉等，型砂的粒度选自于20-40目、30-50目、40-70目、50-100目、70-140目、100-200目等。

在本发明的较佳实施方式中，型砂为铸造硅砂，粒度为70-140目。

进一步地，固化剂包括苯磺酸、甲苯磺酸、二甲苯磺酸、对甲苯磺酸、苯酚磺酸、萘磺酸、对氯苯磺酸等。

在本发明的较佳实施方式中，树脂为呋喃树脂。

在本发明的另一较佳实施方式中，树脂为酚醛树脂等合成树脂。

进一步地，稀释剂包括无水乙醇、异丙醇、糠醇、丙酮、甲苯、二甲苯、正己烷等有机溶剂，为市面上常见的有机溶剂，通过对较高粘度的树脂粘结剂进行稀释处理，可防止堵塞喷头，并且在喷头喷树脂速率一定的情况下，还可以降低铸型中的树脂含量。

更进一步地，型砂与固化剂的重量比例为100：0.1-3，树脂与稀释剂的比例为100：5-20。

进一步地，加热干燥使用的装置使用红外加热或电加热，采用加热干燥装置，可促进稀释剂的挥发，并且提高打印区域的环境温度，促进固化反应，更进一步地，加热干燥处理的温度为50-150℃。

进一步地，对铸型实体进行烘干固化在烘干箱内进行，烘干箱的温度为150-250℃。

进一步地，铺粉装置的铺粉方法包括辊子式、筛子式、刮板式和梳子式等。

更进一步地，铺粉装置在工作台的可调高度上进行二维方向的运动。

本发明具有以下优点：

1、本发明的方法中初始固化不采用高温加热，砂芯的变形比较小，减少制成的铸型变形量，提高铸型和型芯的装配质量，提高铸件尺寸精度以及尺寸长度；

2、用本发明的方法制成的铸型，避免了现有的快速铸型制造方法制成的铸型因树脂含量高而造成的发气量高等问题；

3、降低树脂的粘度，防止堵塞喷头装置；

4、加快固化速度，获得较高强度的铸型；

5、解决铺砂不均匀影响打印成型的问题。

6、发明中所用的材料，可选范围广泛，适合各种铸造使用。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的工作台和铺粉装置的侧面示意图，工作台处在下移一层的状态；

图2是通过铺粉辊子使工作台上铺有底层型砂的示意图；

图3是铺完底层型砂后工作台下降的示意图；

图4是用铺粉辊子在工作台上铺第一层型砂的示意图；

图5是向铸型区域喷射树脂的侧面示意图；

图6是向铸型区域喷射树脂的俯视示意图；

图7是加热烘干装置作用于铸型区域的侧面示意图；

图8是经逐层堆叠固化成铸型实体的侧面示意图；

图9是铸型在烘干箱中加热烘干的示意图；

图10是本发明的另一个较佳实施例中通过铺粉刮板使工作台上铺有底层型砂的示意图；

图11是本发明的另一个较佳实施例中通过铺粉梳子使工作台上铺有底层型砂的示意图；

图12是图11中铺粉梳子的示意图。

其中，1成型缸，2活塞杆，3粉末床，4工作台面，51铺粉辊子，52铺粉刮板，53铺粉梳子，6型砂，7铸型区域，8喷头，9加热干燥装置，10铸型实体，11烘干箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

配置覆有苯磺酸的型砂：型砂选用粒度为70-140目的铸造硅砂，使用混砂机或其它设备对型砂及苯磺酸按照100:1.5的比例进行搅拌混合，即苯磺酸加入量为型砂重量1.5％。

配置稀释处理的呋喃树脂：将呋喃树脂与无水乙醇使用液体搅拌机或其它设备进行搅拌混合，呋喃树脂与无水乙醇的重量比例为100:15，即无水乙醇占呋喃树脂的15％。

通过喷射固化型砂的方法实现快速制造，具体为以下步骤：

(a)在计算机中建立砂型的三维模型，并对该模型进行分层和数据处理；清理工作台面4的位于边框和上面的浮砂，使成型缸1范围的工作区域干净、无浮砂；

(b)通过计算机控制传动机构带动活塞杆2，使与之通过螺纹连接的粉末床3下移0.8mm，如图1所示；控制铺粉辊子51沿着与工作台面4平行的方向在粉末床3上铺一层覆有苯磺酸的型砂6，如图2所示，铺完的型砂6与工作台面4齐平；

(c)计算机根据模型的一系列层面，读取当前层面的实体数据，按照该层截面的轮廓数据信息，驱动设备的喷射系统通过喷头8，向铸型区域7喷射一层经过无水乙醇稀释的呋喃树脂，被喷射树脂的铸型区域7的覆有苯磺酸的型砂进行固化、粘接成形，形成得具有一定初始强度的第一层，因步骤(b)中粉末床3下移0.8mm，所得的第一层层厚即为0.8mm，如图5、图6所示；

(d)通过计算机控制系统装置控制电加热式的加热烘干装置9，将铸型区域7中被喷呋喃树脂的砂层在100℃条件下加热干燥，促进固化反应以及无水乙醇的挥发，如图7所示；

(e)重复步骤(b)-(d)，进行下一层的铺粉、喷射树脂、被喷射树脂的型砂固化和粘接成形，对成形的层面加热干燥，以形成下一层，并以此在成型缸1中逐步下降粉末床3并且逐层打印剩下的所有层面，在铸型区域7中逐层堆叠固化成铸型实体10，如图8所示；

(f)如图9所示，将未喷有呋喃树脂、没有固化成形的余砂去除，将粘结成型的铸型实体10取出，整体放入烘干箱11中加热烘干，烘干箱的温度为180℃，进一步烘干固化，提高铸型实体10的强度。

实施例2

配置覆有对甲苯磺酸的型砂：型砂粒度为30-50目，使用混砂机对型砂及对甲苯磺酸按照100:3的比例进行搅拌混合，即对甲苯磺酸加入量为型砂重量3％。

配置稀释处理的呋喃树脂：将呋喃树脂与异丙醇搅拌混合，呋喃树脂与异丙醇的重量比例为100:20，即异丙醇占呋喃树脂的20％。

与实施例1不同地，本实施例在铸型实体制备的过程之前，在粉末床3首先铺一定厚度的底层型砂，以防止后续型砂固化过程中与粉末床3粘连影响取出。

通过喷射固化型砂的方法实现快速制造，具体为以下步骤：

(a)在计算机中建立砂型的三维模型，并对该模型进行分层和数据处理；清理工作台面4的位于边框和上面的浮砂，使成型缸1范围的工作区域干净、无浮砂；

(b)通过计算机控制传动机构带动活塞杆2，使与之连接的粉末床3下移5mm，如图1所示；控制铺粉辊子51沿着与工作台面4平行的方向在粉末床3上铺一层覆有对甲苯磺酸的型砂6，如图2所示，即铺成一层底砂；

(c)控制活塞杆2使与之连接的粉末床3下移2mm，如图3所示；用铺粉辊子51沿着与工作台面4平行的方向在粉末床3上铺型砂，即完成第一层铺砂，如图4所示，型砂的厚度即为2mm；

(d)计算机根据模型的一系列层面，读取当前层面的实体数据，按照该层截面的轮廓数据信息，驱动设备的喷射系统通过喷头8，向铸型区域7喷射一层经过异丙醇稀释的呋喃树脂，被喷射树脂的铸型区域7的覆有对甲苯磺酸的型砂进行固化、粘接成形，形成得具有一定初始强度的第一层，如图5、6所示；

(e)通过计算机控制系统装置控制电加热式加热烘干装置9，将铸型区域7中被喷呋喃树脂的砂层在70℃条件下加热干燥，促进固化反应以及异丙醇的挥发，如图7所示；

(f)重复步骤(c)-(e)，进行下一层的铺粉、喷射树脂、被喷射树脂的型砂固化和粘接成形，对成形的层面加热干燥，以形成下一层，并以此在成型缸1中逐步下降粉末床3并且逐层打印剩下的所有层面，在铸型区域7中逐层堆叠固化成铸型实体10，如图8所示；

(g)将未经喷呋喃树脂、没有固化成形的余砂去除，将粘结成型的铸型实体10取出，整体放入烘干箱11中加热烘干，烘干箱的温度为160℃，进一步烘干固化，提高铸型实体10的强度。

实施例3

配置覆有二甲苯磺酸的型砂：型砂粒度为100-200目，使用混砂机或其它设备对型砂及二甲苯磺酸按照100:0.5的比例进行搅拌混合，即二甲苯磺酸加入量为型砂重量0.1％。

配置稀释处理的酚醛树脂：将酚醛树脂与无水乙醇使用液体搅拌机或其它设备进行搅拌混合，酚醛树脂与无水乙醇的重量比例为100:5，即无水乙醇占酚醛树脂的5％。

通过喷射固化型砂的方法实现快速制造，具体为以下步骤：

(a)在计算机中建立砂型的三维模型，并对该模型进行分层和数据处理；清理工作台面4的位于边框和上面的浮砂，使成型缸1范围的工作区域干净、无浮砂；

(b)通过计算机控制传动机构带动活塞杆2，使与之连接的粉末床3下移0.2mm，如图1所示；控制铺粉辊子51沿着与工作台面4平行的方向在粉末床3上铺一层覆有二甲苯磺酸的型砂6，如图2所示，铺完的型砂6与工作台面4齐平；

(c)计算机根据模型的一系列层面，读取当前层面的实体数据，按照该层截面的轮廓数据信息，驱动设备的喷射系统通过喷头8，向铸型区域7喷射一层经过无水乙醇稀释的酚醛树脂，被喷射树脂的铸型区域7的覆有二甲苯磺酸的型砂进行固化、粘接成形，形成得具有一定初始强度的第一层，因步骤(b)中粉末床3下移0.2mm，所得的第一层层厚即为0.2mm，如图5、图6所示；

(d)通过计算机控制系统装置控制红外式加热烘干装置9，将铸型区域7中被喷酚醛树脂的砂层在130℃条件下加热干燥，促进固化反应以及无水乙醇的挥发，如图7所示；

(e)重复步骤(b)-(d)，进行下一层的铺粉、喷射树脂、被喷射树脂的型砂固化和粘接成形，对成形的层面加热干燥，以形成下一层，并以此在成型缸1中逐步下降粉末床3并且逐层打印剩下的所有层面，在铸型区域7中逐层堆叠固化成铸型实体10，如图8所示；

(f)如图9所示，将未喷有酚醛树脂、没有固化成形的余砂去除，将粘结成型的铸型实体10取出，整体放入烘干箱11中加热烘干，烘干箱的温度为220℃，进一步烘干固化，提高铸型实体10的强度。

实施例4

本实施例的方法与实施例3类似，其不同点在于使用的铺粉方法为使用铺粉刮板52，如图10所示。铺粉刮板52亦可改为铺粉梳子53，如图11和图12所示，铺粉梳子53的梳齿在铺粉过程中遇到凸起、聚球等表面略有不平的状况时，受力变形，不至于破坏已固化的层面，并继续保证新铺砂层的平坦，铺粉刮板52和铺粉梳子53都是目的为提高铺砂平坦度的各种改造。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种喷射固化型砂的快速制造方法，其特征在于，包括以下步骤；

(a)在计算机中建立砂型的三维模型，并对所述模型进行分层和数据处理；

(b)控制铺粉装置在工作台上铺一层覆有固化剂的型砂；

(c)计算机根据模型的一系列层面，读取当前层面的实体数据，按照读取的所述实体数据，驱动设备的喷射系统喷射一层经过稀释处理的树脂，被喷射所述树脂区域的所述型砂发生固化反应而粘接成形，形成第一层；

(d)对成形的层面进行加热干燥处理；

(e)完成所述第一层成形后，所述工作台下降一个层高，再进行铺粉、喷射树脂，被喷射树脂的型砂固化、粘接成形，对成形的层面加热干燥，形成第二层；然后以此类推，逐层打印剩下的所有层面，逐层堆叠固化成铸型实体；

(f)去除没有固化成形的余砂，进一步对所述铸型实体烘干固化，提高所述铸型实体的强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型砂包括锆砂、镁砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、钛铁矿砂、刚玉砂、耐火熟料、石灰石砂、碳质砂、陶粒砂或其它陶瓷粉，所述型砂的粒度包括20-40目、30-50目、40-70目、50-100目、70-140目、100-200目。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型砂为铸造硅砂，所述型砂的粒度为70-140目。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固化剂包括苯磺酸、甲苯磺酸、二甲苯磺酸、对甲苯磺酸、苯酚磺酸、萘磺酸和对氯苯磺酸。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树脂包括呋喃树脂和酚醛树脂。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀释剂包括无水乙醇、异丙醇、糠醇、丙酮、甲苯、二甲苯和正己烷。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述型砂与所述固化剂的重量比例为100：0.1-3，所述树脂与所述稀释剂的比例为100：5-20。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热干燥处理使用的装置使用红外加热或电加热，所述加热干燥处理的温度为50-150℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铺粉装置的铺粉方法包括辊子式、筛子式、刮板式和梳子式。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述铺粉装置在所述工作台的可调高度上进行二维方向的运动。