CN105057601B

CN105057601B - 一种三维喷印成形铸造型芯的方法

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Publication number: CN105057601B
Application number: CN201510559218.5A
Authority: CN
Inventors: 魏青松; 史玉升; 刘洁; 田乐; 李晶; 朱伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: CN105057601A

Abstract

本发明公开了一种三维喷印成形铸造型芯的方法，包括以下步骤：(1)将覆膜砂铺成薄层，利用三维喷印设备将粘结液选择性地喷射入覆膜砂中，使覆膜砂颗粒相互粘结形成第1层；(2)用同样的方法再在第1层上成形第2层，重复此过程直至零件完全成形，静置在粉床中一段时间，即完成初始形坯的成形。(3)将初始形坯在170℃～220℃加热直至粘结液完全挥发，且酚醛树脂交联固化，即完成型芯的铸造。通过本发明，简化了三维喷印铸造型芯的工艺，在不需要中间干燥的条件下逐层累加覆膜砂，完成型芯的快速铸造成形，最终制件强度较高且成本低效率高，可用于成形大尺寸及具有精细结构的铸造用型芯，具有广阔的应用前景。

Description

一种三维喷印成形铸造型芯的方法

技术领域

本发明属于快速铸造领域，更具体地，涉及一种三维喷印成形铸造型芯的方法。

背景技术

三维喷印(Three-dimensional printing，3DP)又称微滴喷射或微喷射粘结技术，是一种利用喷头的运动，将液滴选择性喷射在粉床表面，通过液体与固体粉末的综合作用将选定的区域固化成形的快速成形技术，它采用离散、堆积成型的原理，借助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，不受成形件复杂程度的影响。

3DP技术可以直接用于成形铸造型芯，国内外对3DP成形铸造型芯进行了广泛的研究。国内外运用3DP技术成形砂型(芯)方法有：1)Voxeljet 公司采用将原砂和硅酸钠粉末混合，喷射水基粘结剂溶解硅酸钠，在加热的条件下产生物理脱水硬化从而固化成形；2)ExOne公司采用以原砂与树脂固化剂混合作为为成形材料，喷射树脂，通过树脂和固化剂的反应固化成形；3)国内PCM技术，以原砂为成形材料，由两个喷头分别喷射树脂和固化剂，树脂和固化剂反应固化成形。然而，这几种方法存在如下问题：设备的核心器件打印喷头中装有机或无机粘结剂，容易导致喷头的堵塞；成形制件的强度不高；PCM工艺树脂的用量较大，铸型的发气量大且加工精度不高。

专利文献CN102397991B公开了一种铸型的快速制造方法，使用了纯乙醇作为粘结剂，喷射在覆膜砂上溶化粘结成形。由于纯乙醇溶剂具有易挥发的缺点，并不能充分渗透入覆膜砂粉层提供粘结力，因此层与层之间的制备中需要引入加热干燥步骤，以加速酚醛树脂的溶解而辅助成形。且由于乙醇的粘度以及表面张力过小，喷头喷射时并不均匀，喷射后也会由于挥发未能充分渗透溶解覆膜砂表面的酚醛树脂，使得颗粒之间粘结的有效面积减少导致制件强度偏低，容易在烘干过程中在热应力的作用下出现翘曲变形。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种三维喷印铸造型芯的方法，其目的在于通过对粘结液成分的优化，解决型芯的三维喷印成型过程中需要逐层干燥的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种三维喷印铸造型芯的方法，包括以下步骤：

(1)将覆膜砂铺成薄层，利用三维喷印设备将粘结液喷射入覆膜砂中，使覆膜砂颗粒相互粘结形成型芯的第1层；其中，所述覆膜砂的粒径为 0.1mm～0.3mm，其原料包括原砂、酚醛树脂和六亚甲基四胺，酚醛树脂的质量为原砂质量的2.2％～2.8％，六亚甲基四胺的质量为酚醛树脂质量的 5％～20％；所述粘结液的成分包括50wt％～90wt％的有机溶剂，1wt％～ 2.5wt％的聚乙二醇或甘油，余量为水；

(2)用同样的方法再在型芯的第1层上制备型芯的第2层，重复此过程直至形成所需厚度的型芯形坯；

(3)将型芯形坯在170℃～220℃加热直至粘结液完全挥发，且酚醛树脂交联固化，即完成型芯的铸造。

优选地，所述酚醛树脂为线性酚醛树脂。

优选地，所述覆膜砂的原料还包括硬脂酸盐，硬脂酸盐的质量小于等于酚醛树脂质量的8％。

优选地，所述原砂为硅砂、宝珠砂、锆英砂、铬铁矿砂或刚玉砂。

优选地，所述覆膜砂以热法覆膜或者冷法覆膜工艺制备。

优选地，所述有机溶剂为丙酮或无水乙醇。

优选地，所述粘结液的成分包括75wt％～85wt％的有机溶剂以及 1.5wt％～2wt％的聚乙二醇或甘油。

优选地，所述粘结液的成分还包括0.5wt％～1.5wt％的聚乙烯吡咯烷酮。

作为进一步优选地，所述粘结液的成分包括0.8wt％～1.2wt％的聚乙烯吡咯烷酮。

优选地，所述设定的厚度为0.2mm～0.3mm。

优选地，步骤(3)的具体方法为，将型芯形坯放入容器，用填充材料覆盖型芯形坯，使之只露出上表面，然后在170℃～220℃加热2小时～4 小时，冷却后出炉，即完成型芯的铸造，所述填充材料为宝珠砂、石英砂或玻璃微珠。

作为进一步优选地，所述填充材料为玻璃微珠，粒径为0.4mm～0.6mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于优化了覆膜砂的配比以及三维喷印中粘结液的成分，能够取得下列有益效果：

1、在粘结液中加入了水以及聚乙二醇，不仅改善了粘结液的粘度及表面张力使喷射更加均匀，也减缓了粘结液的扩散和挥发从而提高了粘结液的稳定性，同时还避免了有机溶剂因挥发产生的浪费；

2、由于粘结液的稳定性得到了提高，在型芯的一层与下一层的制备过程中，不需要加热来加快覆膜砂表面酚醛树脂的溶解与固化，而是通过粘结液溶解酚醛树脂而使得层与层之间互相粘结；因此在三维喷印过程中不需逐层干燥，而是整体铸造完成之后再通过静置的方式使其完全粘结固化；从而简化了工艺流程；

3、整体干燥和分层干燥相比，由于覆膜砂之间的有效粘结面积增加，从而减小了型芯的内应力，提高了型芯的铸造强度；

4、由于对三维喷印铸造型芯的工艺进行了简化，高效率地制备了大尺寸及具有精细结构和高强度的铸造用型芯，在工业应用方面具有广阔的前景。

附图说明

图1为本发明三维喷印铸造型芯的方法原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

(1)采用现有的热法覆膜或者冷法覆膜工艺制备覆膜砂：筛选粒径为 0.1mm～0.25mm的原砂，如硅砂、宝珠砂、锆英砂、铬铁矿砂或刚玉砂；将质量为原砂的2.2％～2.8％的酚醛树脂，以及质量为酚醛树脂的5％～20％的六亚甲基四胺包覆于原砂表面，酚醛树脂优选为线性酚醛树脂；原砂表面的包覆材料还可以加入质量小于等于酚醛树脂的8％的润滑剂，以增加覆膜砂的流动性，如硅油或硬脂酸盐；最后筛选出粒径为0.1mm～0.3mm的覆膜砂备用；经实验，覆膜砂用以上配比制备时更适用于三维喷印的铸件强度。

(2)配制三维喷印的粘结液，其包括50wt％～90wt％的有机溶剂， 1wt％～2.5wt％的聚乙二醇或甘油，余量为水。有机溶剂优选为丙酮或无水乙醇，用于溶解酚醛树脂，使形成树脂分子粘结桥，其质量分数优选为 75wt％～85wt％。聚乙二醇或甘油作为为增稠剂及保湿剂，其质量分数优选为1.5wt％～2wt％。粘结液中还可以添加0.5wt～1.5wt％的聚乙烯吡咯烷酮，质量分数优选为0.8wt％～1.2wt％。余量的水为表面张力调节剂，加入有机溶剂中，能起到增强粘结液的表面活性以及延缓有机溶剂的挥发的作用。

(3)将覆膜砂以0.2mm～0.3mm的厚度铺成薄层，将粘结液用三维喷印设备的喷头喷射入覆膜砂中，使覆膜砂颗粒表面的六亚甲基四胺和酚醛树脂溶解后覆膜砂颗粒之间相互粘结，从而形成第1层覆膜砂；

(4)不经过干燥直接在第1层型芯上再铺制0.2mm～0.3mm的覆膜砂，以步骤(3)同样的方法铸造第2层型芯，并重复上述过程直至形成所需厚度的型芯形坯；

(5)将型芯形坯清粉并放入容器，用填充材料(如宝珠砂、石英砂或玻璃微珠)覆盖型芯形坯的侧面和底面，使之只露出上表面，使制件时产生的气体能顺利排出；填充材料一方面起到支撑的作用，能够防止烘烤时因强度不够而产生裂纹甚至坍塌；另一方面填充材料受热膨胀对覆膜砂制件有紧实作用使其强度增加，粒径在0.4mm～0.6mm之间的玻璃微珠作为填充材料时对制件的支撑和紧实作用最佳。

(6)将容器中的型芯形坯在170℃～220℃加热2小时～4小时，冷却后出炉，即完成覆膜砂的成型；其中，加热温度过高则容易破坏型芯的结构，影响强度，温度过低则制件的产气量大，型芯制件中容易产生空隙。

实施例1

(1)采用已有的热法覆膜工艺制备3DP用覆膜砂，覆膜砂粒径为 0.1mm～0.2mm，包括原砂、线性酚醛树脂、硬脂酸钙和六亚甲基四胺。其中原砂为宝珠砂，酚醛树脂的质量为原砂的2.2％；六亚甲基四胺与酚醛树脂的质量比为8:100，硬脂酸钙与酚醛树脂的质量比为3:100。

(2)制备用于粘结覆膜砂粉末的粘结液；将50g的分析纯无水乙醇加入到容器中，再加入去离子水49g(去离子水与粘结液的质量比为49:100), 聚乙二醇1g(聚乙二醇与粘结液质量比为1:100),配制成粘结液。

(3)将覆膜砂以0.2mm～0.3mm的厚度铺成薄层，利用三维喷印设备将粘结液喷射入覆膜砂中，使覆膜砂颗粒相互粘结形成第1层型芯。

(4)用同样的方法再在第1层型芯上成形第2层型芯，重复此过程直至形成所需厚度的型芯形坯。

(5)将型芯形坯清粉后放入装有填充玻璃微珠(粒径为0.4mm～0.6 mm)的容器中，用填充材料覆盖型芯形坯，使之只露出上表面，然后放在加热炉中快速升温到170℃并保温4个小时，冷却到室温出炉得到成形制件。

采用无锡三峰仪器有限公司XQY-II智能型砂强度机，利用3DP设备成形“8”字试，测试成形制件的常温抗拉强度，达到3.0MPa，并测得1000℃下发气量为16.65ml/g。

实施例2

(1)采用已有的热法覆膜工艺制备3DP用覆膜砂，覆膜砂粒径为 0.1mm～0.25mm，包括原砂、酚醛树脂、硬脂酸钙和六亚甲基四胺。其中原砂为宝珠砂，酚醛树脂含量为2.4％；固化剂乌洛托品为2.2g,六亚甲基四胺与酚醛树脂的质量比为10:100，硬脂酸钙与酚醛树脂的质量比为5:100。

(2)制备用于粘结覆膜砂粉末的粘结液；将60g的分析纯无水乙醇加入到容器中，再加入去离子水38.5g(去离子水与粘结液的质量比为38.5:100), 聚乙二醇1.5g(聚乙二醇与粘结液质量比为1.5:100),配制成粘结液。

(3)通过3DP成形设备将粘结液沉积到覆膜砂粉床中并通过逐层累加成形出型芯形坯。

(4)将型芯形坯清粉后放入装有填充玻璃微珠(粒径为0.4mm～0.6 mm)的容器中，用填充材料覆盖型芯形坯，使之只露出上表面，放在加热炉中快速升温到190℃并保温3个小时，冷却到室温出炉得到成形制件。

采用无锡三峰仪器有限公司XQY-II智能型砂强度机，利用3DP设备成形“8”字试，测试成形制件的常温抗拉强度，达到3.5MPa，并测得1000℃下发气量为16.82ml/g。

实施例3

(1)采用已有的热法覆膜工艺制备3DP用覆膜砂，粒径为0.1mm～0.25 mm，包括原砂、酚醛树脂、硬脂酸钙和六亚甲基四胺。其中原砂为宝珠砂，酚醛树脂的质量为原砂的2.6％；六亚甲基四胺与酚醛树脂的质量比为 12:100，硬脂酸钙与酚醛树脂的质量比为7:100。

(2)制备用于粘结覆膜砂粉末的粘结液；将75g的分析纯无水乙醇加入到容器中，再加入去离子水水23g(去离子水与粘结液的质量比为23:100), 聚乙二醇2g(聚乙二醇与粘结液质量比为2:100)，配制成粘结液。

(4)将型芯形坯清粉后放入装有填充玻璃微珠(粒径为0.4mm～0.6 mm)的容器中，用填充材料覆盖型芯形坯，使之只露出上表面，然后放在加热炉中快速升温到200℃并保温2.5个小时，冷却到室温出炉得到成形制件。

采用无锡三峰仪器有限公司XQY-II智能型砂强度机，利用3DP设备成形“8”字试，测试成形制件的常温抗拉强度，抗拉强度达4.2MPa。，并测得1000℃下发气量为17.23ml/g。

实施例4

(1)采用已有的热法覆膜工艺制备3DP用覆膜砂，粒径为0.1mm～ 0.25mm，包括原砂、酚醛树脂、硬脂酸钙和六亚甲基四胺。其中原砂为宝珠砂，酚醛树脂含量为2.8％；六亚甲基四胺与酚醛树脂的质量比为15:100，硬脂酸钙与酚醛树脂的质量比为8:100。

(2)制备用于粘结覆膜砂粉末的粘结液；将75g的分析纯无水乙醇加入到容器中，再加入去离子水23g(去离子水与粘结液的质量比为23:100), 聚乙二醇2g(聚乙二醇与粘结液质量比为2:100),配制成粘结液。

(4)将型芯形坯清粉后放入装有填充玻璃微珠(粒径为0.4mm～0.6 mm)的容器中，用填充材料覆盖型芯形坯，使之只露出上表面，然后放在加热炉中快速升温到220℃并保温2个小时，冷却到室温出炉得到成形制件。

采用无锡三峰仪器有限公司XQY-II智能型砂强度机，利用3DP设备成形“8”字试，测试成形制件的常温抗拉强度，抗拉强度达5.1MPa，并测得1000℃下发气量为17.60ml/g。

实施例5

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，以硬脂酸镁取代硬脂酸钙，以刚玉砂取代宝珠砂，六亚甲基四胺与酚醛树脂的质量比为5:100。所述粘结液的成分为40g的乙醇、40g的丙酮、2g的甘油、1.5g的聚乙烯吡咯烷酮，加去离子水至总质量为100g。

实施例6

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，以冷法覆膜工艺制备3DP 用覆膜砂，包括原砂、酚醛树脂和六亚甲基四胺，六亚甲基四胺与酚醛树脂的质量比为20:100。所述粘结液的成分为60g的乙醇、1g的聚乙二醇、 2g的甘油、1.2g的聚乙烯吡咯烷酮，加去离子水至总质量为100g。

实施例7

以所述的相同步骤重复实施例1，区别在于，所述粘结液的成分为85g 的乙醇、1.7g的甘油、0.5g的聚乙烯吡咯烷酮，加去离子水至总质量为100g。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维喷印成形铸造型芯的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将覆膜砂铺成薄层，利用三维喷印设备将粘结液喷射入覆膜砂中，使覆膜砂相互粘结形成型芯的第1层；其中，所述覆膜砂的粒径为0.1mm～0.3mm，其原料包括原砂、酚醛树脂和六亚甲基四胺，酚醛树脂的质量为原砂质量的2.2％～2.8％，六亚甲基四胺的质量为酚醛树脂质量的5％～20％；所述粘结液的成分包括50wt％～90wt％的有机溶剂，1wt％～2.5wt％的聚乙二醇或甘油，以及7.5wt％～49wt％的水，水用于增强粘结液的表面活性以及延缓有机溶剂的挥发；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述覆膜砂的原料还包括硬脂酸盐，硬脂酸盐的质量小于等于酚醛树脂质量的8％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原砂为硅砂、宝珠砂、锆英砂、铬铁矿砂或刚玉砂。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述覆膜砂以热法覆膜或者冷法覆膜工艺制备。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮或无水乙醇。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘结液的成分包括75wt％～85wt％的有机溶剂以及1.5wt％～2wt％的聚乙二醇或甘油。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘结液的成分还包括0.5wt％～1.5wt％的聚乙烯吡咯烷酮。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述薄层的厚度为0.2mm～0.3mm。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)的具体方法为，将型芯形坯放入容器，用填充材料覆盖型芯形坯，使之只露出上表面，然后在170℃～220℃加热2小时～4小时，冷却后出炉，即完成型芯的铸造，所述填充材料为宝珠砂、石英砂或玻璃微珠。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述填充材料为玻璃微珠，粒径为0.4mm～0.6mm。