CN105215260A - 一种用于激光烧结3d打印低发气覆膜砂制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了<b>一</b>种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法，其特征在于，（1）将原砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为2~7%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理原砂；2）在搅拌机中，按质量百分比加入，预处理原砂：90%~95%，酚醛树脂：3%~8%，均苯四甲酸酐胺：0.3%~1.0%，碳粉：0.5%~2.0%，各组分之和为百分之百，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。该覆膜砂在激光烧结下可直接成型，具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产。

Description

一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法

技术领域

本发明涉及一种覆膜砂的制备方法，属于快速成型的材料领域，特别涉及一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法及应用。

背景技术

覆膜砂（coatedsand），砂粒表面在造型前即覆有一层固体树脂膜的型砂或芯砂。有冷法和热法两种覆膜工艺：冷法用乙醇将树脂溶解，并在混砂过程中加入乌洛托品，使二者包覆在砂粒表面，乙醇挥发，得覆膜砂；热法把砂预热到一定温度，加树脂使其熔融，搅拌使树脂包覆在砂粒表面，加乌洛托品水溶液及润滑剂，冷却、破碎、筛分得覆膜砂。用于铸钢件、铸铁件。

覆膜砂是由德国克洛宁博士于二次大战期间发明的，其工艺过程是将粉状的热固性酚醛树脂与石英砂机械混合，加热时固化。后发展成用热塑性酚醛树脂加潜伏性固化剂（乌洛托品）和润滑剂通过一定的覆膜工艺配制成覆膜砂，当覆膜砂受热时包覆在砂粒表面的树脂熔融，在乌洛托品分解出的亚甲基的作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔融的体型结构，从而使覆膜砂固化成型。

中国的覆膜砂技术始于20世纪50年代中期，60年代曾经一度停用。进入80年代，由于汽车工业的迅速发展和机械产品出口的需要，对铸件的质量提出了更高的要求，从而促进了覆膜砂生产和应用技术的快速发展。90年代初期全国各地的覆膜砂厂迅速发展起来，新产品、新技术不断涌现，到21世纪，我国覆膜砂行业的年产销量已经达到90万吨以上，广泛用于汽车缸体、缸盖、进气歧管，各类管件、泵体等各种复杂铸件的生产。

3D打印（3Dprinting），是一种以数字模型文件为基础，运用流体状、粉末状、丝（棒）状等可固化、粘合、熔合材料，通过逐层固化、粘合、熔合的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。这打印技术称为3D立体打印技术。传统制造业一般需要对原材料进行切割或钻孔，即减材制造，可大规模生产；3D打印是将材料一层层堆叠粘合、熔合，即增材制造；可实现快速个性化制造，可制造出传统制造业无法完成的形状。

在现有的成型材料领域中，由于SLS(选择性激光烧结)快速成型技术具有原料来源多样和零件的构建时间较短等优点，故在快速成型领域有着较广泛的应用。中国发明专利CN1379061A中公开了一种用于激光烧结成型制品的尼龙粉末材料，通过化学合成和工艺的改进，对尼龙粉末材料的表面进行处理，得到了烧结性能优良，成型制品强度高，韧性好的产品，简化了激光烧结尼龙材料的制备工艺，降低了成本；中国发明专利CN103567352A中公开了一种选择性激光烧结快速成型覆膜砂的生产工艺，通过热塑性酚醛树脂、乌洛托品、硬脂酸钙和偶联剂KH-550采用热涂膜的方法制备的。

激光烧结属于增材制造的一种方法。这种工艺也是以激光器为能量源，通过激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉末作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕后，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度即分层层厚而降低工作台，铺粉滚筒再一次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过后处理，即可获得产品。

目前国内对于新型激光烧结快速成型材料的研究虽然很多，但大多局限在对已有材料的成型工艺、制件性能进行研究，且所制坯件的精度、强度和耐久性等还远远不能满足功能件的要求，也没有生产专门的快速成型材料制造商。这种情况不仅影响激光烧结快速成型材料或成型制件的质量，而且还不利于激光烧结快速成型技术的产业化推广。开发容易成型、强度高、无污染、成本低的新型材料已成为激光烧结快速成型技术首要解决的问题。

本发明通过对石英砂进行表面改性，将高分子的胶粘剂涂层到石英砂表面，在涂层是加入还原剂既可以增加覆膜砂吸收激光的能量又可以吸收成型过程中的气体，得到一种适合激光烧结快速成型的高强度低发气覆膜砂。该材料可以方便快捷地成形精密、异型、复杂的部件，不需要喷洒粘接剂，大大简化才做程序。此外，本专利提供的方法简单，成本低。

发明内容

本发明的目是提供一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法，本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为2~7%的十六烷基三甲基溴化胺（CTMAB）的水溶液中，室温放置24~28小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，按质量百分比加入，预处理石英砂：90%~95%，酚醛树脂：3%~8%，均苯四甲酸酐胺：0.3%~1.0%，碳粉：0.5%~2.0%，各组分之和为百分之百，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮的量与石英砂的液固比为1mL：4~6g，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

在步骤（1）中所述的石英砂的粒径在140~160目范围内。

在步骤（2）中所述的酚醛树脂为热塑性酚醛树脂。

在步骤（2）中所述的均苯四甲酸酐胺与酚醛树脂的质量比在1：9~11范围最优。

本发明所述的颗粒度通过过筛确定。

本发明的另一目的是提供激光烧结3D打印低发气覆膜砂在3D打印机上成型的应用，特点为：将激光烧结3D打印快速成型激光烧结覆膜砂加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为40~50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1~0.15mm，分层厚度为0.10~0.2mm，预热温度：60℃，加工温度为170~185℃。

本发明与现有技术比较，具有如下优点及有益效果：

（1）本发明获得激光烧结3D打印低发气覆膜砂，不需要喷洒粘结剂在激光烧结条件下可直接成型。

（2）本发明获得激光烧结3D打印低发气覆膜砂，性质稳定，低发气；制造出产品具有表面光泽度高，强度好，精度高等特点。

（3）本发明获得激光烧结3D打印低发气覆膜砂，具有制备工艺简单，条件易于控制，生产成本低，易于工业化生产，又具有低碳环保和节约能源等优势。

具体实施方式

实施例1

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为5%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置25小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，分别加入，预处理石英砂：92g，酚醛树脂：6g，均苯四甲酸酐胺：1.0g，碳粉：1.0g，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮19mL，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

实施例2

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为4%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置24小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，分别加入，预处理石英砂：90g，酚醛树脂：8g，均苯四甲酸酐胺：0.5g，碳粉：1.5g，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮23mL，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

实施例3

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为6%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置28小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，分别加入，预处理石英砂：95g，酚醛树脂：4g，均苯四甲酸酐胺：0.5g，碳粉：0.5g，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮16mL，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

实施例4

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为7%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置26小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，分别加入，预处理石英砂：91g，酚醛树脂：6g，均苯四甲酸酐胺：1.0g，碳粉：2.0g，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮22mL，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

实施例5

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为3%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置27小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，分别加入，预处理石英砂：91g，酚醛树脂：7g，均苯四甲酸酐胺：0.7g，碳粉：1.3g，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮20mL，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

实施例6

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为2%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置28小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，分别加入，预处理石英砂：94g，酚醛树脂：3g，均苯四甲酸酐胺：0.3g，碳粉：2.0g，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮25mL，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

实施例7

（1）石英砂预处理：将石英砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为5%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置25小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理石英砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，分别加入，预处理石英砂：1000g，酚醛树脂：60g，均苯四甲酸酐胺：6g，碳粉：10g，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮200mL，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

使用方法：将激光烧结3D打印低发气覆膜砂加入到选择性激光烧结成型机的供粉缸中，铺粉滚轮将粉末材料均匀地铺在加工平面上并被加热至加工温度，激光器发出激光，计算机控制激光器的开关及扫描器的角度，使得激光束在加工平面上根据对应的二维片层形状进行扫描，激光束扫过之后，工作台下移一个层厚，再铺粉，激光束扫描，如此反复，得到激光烧结件；其中激光束在加工平面上扫描的方式为分区域扫描，激光功率为40~50W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.1~0.15mm，分层厚度为0.10~0.2mm，预热温度：50℃，加工温度为170~185℃，成型的精度高。

Claims (5)

1.一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：

（1）原砂预处理：将原砂用水清洗后，浸泡在质量百分浓度为2~7%的十六烷基三甲基溴化胺的水溶液中，室温放置24~28小时，过滤，用水洗涤至中性，干燥，得到预处理原砂；

（2）激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备：在搅拌机中，按质量百分比加入，预处理原砂：90%~95%，酚醛树脂：3%~8%，均苯四甲酸酐胺：0.3%~1.0%，碳粉：0.5%~2.0%，各组分之和为百分之百，开启搅拌机转速在180转/分钟，研磨20min，再加入丙酮的量与原砂的液固比为1mL：4~6g，开启研磨机转速在180转/分钟，研磨20min，干燥，得到激光烧结3D打印低发气覆膜砂。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的原砂的粒径在60~160目范围内。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的酚醛树脂为热塑性酚醛树脂。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的均苯四甲酸酐胺与酚醛树脂的质量比在1：9~11范围最优。

5.根据权利要求1所述的一种用于激光烧结3D打印低发气覆膜砂制备方法所制备的激光烧结3D打印低发气覆膜砂。