CN106799461B - 一种铸型三维喷印成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于快速铸造技术领域，并公开了一种铸型三维喷印成形方法，包括以下步骤：(1)制备液体粘结剂；(2)制备混合粉末；(3)将步骤(1)制备的液体粘结剂放入快速成型设备的喷墨打印头内，将步骤(2)制备的混合粉末放入粉缸内，开启快速成型设备进行三维喷印成形，在打印过程中和/或零件打印完成后，采用加热和/或微波干燥的方式使零件固化，固化完成后去除多余粉末即得到所需的铸型零件。本发明采用的液体粘结剂为水基粘结剂，性质稳定，不易变质堵塞喷头，提高了铸型三维喷印的工艺稳定性，有利于降低使用成本，而且采用无机粘结剂材料，降低了铸型的发气量，有利于减少铸件中气孔等缺陷产生的倾向。

Description

一种铸型三维喷印成形方法
技术领域
本发明属于快速铸造技术领域，更具体地，涉及一种铸型三维喷印成形方法。
背景技术
三维喷印(Three-dimensional printing，3DP)又称粉末粘结三维打印或微喷射粘结技术，其工艺原理为利用计算机技术将零件的三维CAD模型在竖直方向上按照一定的厚度进行切片，将原来的三维CAD信息转化为二维层片信息的集合，成型设备根据各层的轮廓信息利用喷头在粉床表面的运动，将液滴选择性喷射在粉末表面，将部分粉末粘结起来，形成当前层截面轮廓，逐层循环，层与层之间也通过粘结溶液的粘结作用相固连，直至三维模型打印完成，未粘结的粉末对上层成型材料起支撑的作用，同时成型完成后也可以被回收再利用。
传统的铸造工艺，需要进行模样、芯盒等模具的设计和加工制造，复杂模具的设计加工存在工艺流程复杂、耗时长等问题，使得产品的研发和定型周期变长且成本提高。三维喷印技术采用离散、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，相比于传统砂型铸造减少了木模模样等的设计与制造开发时间可缩短50％～80％，同时对于复杂铸件的设计和制造有较高的自由度。其在铸型制造方面，相比于其他3D打印技术，具有材料类型丰富、成形效率高、系统成本低等特点，是大尺寸复杂砂型3D打印的发展趋势。
专利文献CN 1593811A公开了一种基于型砂自硬固化原理的砂型制造方法，其采用打印喷头分别在型砂粉末上选择性喷射粘结剂(树脂)、固化剂，二者发生缩聚反应成形砂型。CN 105562623A公布了一种水玻璃砂型快速成形方法，采用的粘结剂为水玻璃和聚乙烯醇的混合溶液。然而，现有的材料工艺方法，存在如下缺点：
1)将树脂、水玻璃、聚乙烯醇等配成液体粘结剂由供给系统给打印喷头供给，由于粘结剂稳定性不好，容易变质，变性后可能会造成喷头堵塞，使得喷头维护困难，影响工艺稳定性，经常更换喷头又会提高工艺成本。
2)砂型铸造中，发气量是一项重要的指标。有机粘结剂材料体系(树脂砂)使得最终砂型中有机物的含量增加，在浇铸时产生大量气体，增大了铸件中气孔等缺陷产生的倾向，同时也不利于实现绿色铸造。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铸型三维喷印成形方法，其目的在于通过设计一种不易堵塞喷头的低发气量铸型三维喷印成形方法，解决三维喷印成形铸型时，有机粘结剂容易堵塞喷头且造成铸型发气量增大的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种铸型三维喷印成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备液体粘结剂：按质量份数比将50～99.5份的去离子水、0～49份的助挥发剂、0.5～5份固化剂和0～5份粘结剂改性剂混合形成混合溶液，所述述混合溶液作为三维喷印的液体粘结剂；
(2)制备混合粉末：按质量份数比将1～9份速溶硅酸钠、0～1份有机高分子粉末和90～99份的原砂进行机械混合形成混合粉末，上述混合粉末作为三维喷印的打印材料；
(3)将步骤(1)制备的液体粘结剂放入快速成型设备的喷墨打印头内，将步骤(2)制备的混合粉末放入粉缸内，开启快速成型设备进行三维喷印成形，在打印过程中和/或零件打印完成后，采用加热和/或微波干燥的方式使零件固化，固化完成后去除多余粉末即得到所需的铸型零件。
优选地，所述的助挥发剂为无水乙醇或丙酮。
优选地，所述的固化剂为有机酯或多元醇。
优选地，所述的粘结剂改性剂改性剂为十六烷基三甲基溴化铵、甘油或聚乙二醇。
优选地，所述的原砂为石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂。
优选地，所述有机高分子粉末为聚丙烯酰胺或聚乙烯醇。
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，能够取得下列有益效果：
1)采用的液体粘结剂为水基粘结剂，性质稳定，不易变质堵塞喷头，提高了铸型三维喷印的工艺稳定性，有利于降低使用成本；
2)水基粘结剂中加入促进硅酸钠水溶液脱水硬化的固化剂，并在打印过程中或打印完成后，采用加热或微波固化的方式干燥，有利于提高固化强度，减少固化时间，提高生产效率；
3)采用了无机粘结剂材料，降低了铸型的发气量，有利于减少铸件中气孔等缺陷产生的倾向。
附图说明
图1是本发明的工作流程图。
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。
实施例1
一种铸型三维喷印成形方法，包括以下步骤：
(1)以质量份数计，采用99.5份的去离子水作为粘结剂，向去离子水中添加0.5份多元醇形成混合溶液，上述混合溶液作为三维喷印的液体粘结剂材料；
(2)以质量份数计，采用1份速溶硅酸钠作为固体粘结剂粉末与99份的原砂(原砂可以为石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂)进行机械混合，上述混合粉末作为三维喷印的打印材料；
(3)采用步骤(1)制备的液体粘结剂放入快速成型设备的喷墨打印头内、步骤(2)制备的混合粉末放入粉缸内，开启快速成型设备进行三维喷印成形，在打印过程中或零件打印完成后，采用加热或微波干燥的方式使零件内部固化；干燥完成后去除多余粉末即得到所需的铸型零件。
采用实施例1得到的三维喷印粘结剂，室温下粘度小于2.5mPa.s，上述粘结剂打印顺畅，不易堵塞喷头，铸型强度大于0.4MPa，1000℃下发气量小于10mL/g。
实施例2
一种铸型三维喷印成形方法，包括以下步骤：
(1)以质量份数计，采用70份的去离子水作为粘结剂，向去离子水中添加22份无水乙醇、3份多元醇和5份十六烷基三甲基溴化铵形成混合溶液，上述混合溶液作为三维喷印的液体粘结剂材料；
(2)以质量份数计，采用5份速溶硅酸钠作为固体粘结剂粉末，向速溶硅酸钠中添加0.5份聚乙烯醇，再与94.5份的原砂(原砂可以为石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂)进行机械混合，上述混合粉末作为三维喷印的打印材料；
(3)采用步骤(1)制备的液体粘结剂放入快速成型设备的喷墨打印头内、步骤(2)制备的混合粉末放入粉缸内，开启快速成型设备进行三维喷印成形，在打印过程中或零件打印完成后，采用加热或微波干燥的方式使零件内部固化；干燥完成后去除多余粉末即得到所需的铸型零件。
采用实施例2得到的三维喷印粘结剂，室温下粘度小于2.5mPa.s，。上述粘结剂打印顺畅，不易堵塞喷头，铸型强度大于0.4MPa，铸型强度大于0.6MPa，1000℃下发气量小于10mL/g。
实施例3
一种铸型三维喷印成形方法，包括以下步骤：
(1)以质量份数计，采用50份的去离子水作为粘结剂，向去离子水中添加49份丙酮、0.5份有机酯和0.5份甘油形成混合溶液，上述混合溶液作为三维喷印的液体粘结剂材料；
(2)以质量份数计，采用7份速溶硅酸钠作为固体粘结剂粉末，向速溶硅酸钠中添加0.8份聚乙烯醇，再与92.2份的原砂(原砂可以为石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂)进行机械混合，上述混合粉末作为三维喷印的打印材料；
(3)采用步骤(1)制备的液体粘结剂放入快速成型设备的喷墨打印头内、步骤(2)制备的混合粉末放入粉缸内，开启快速成型设备进行三维喷印成形，在打印过程中或零件打印完成后，采用加热或微波干燥的方式使零件内部固化；干燥完成后去除多余粉末即得到所需的铸型零件。
采用实施例3得到的三维喷印粘结剂，室温下粘度小于2mPa.s，铸型强度大于0.4MPa。
实施例4
一种铸型三维喷印成形方法，包括以下步骤：
(1)以质量份数计，采用50份的去离子水作为粘结剂，向去离子水中添加44份丙酮、5份有机酯和1份聚乙二醇形成混合溶液，上述混合溶液作为三维喷印的液体粘结剂材料；
(2)以质量份数计，采用9份速溶硅酸钠作为固体粘结剂粉末，向速溶硅酸钠中添加1份聚丙烯酰胺，再与90份的原砂(原砂可以为石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂)进行机械混合，上述混合粉末作为三维喷印的打印材料；
(3)采用步骤(1)制备的液体粘结剂放入快速成型设备的喷墨打印头内、步骤(2)制备的混合粉末放入粉缸内，开启快速成型设备进行三维喷印成形，在打印过程中或零件打印完成后，采用加热或微波干燥的方式使零件内部固化；干燥完成后去除多余粉末即得到所需的铸型零件。
采用实施例4得到的三维喷印粘结剂，室温下粘度小于2.5mPa.s，铸型强度大于0.6MPa。
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 (6)

1.一种铸型三维喷印成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备液体粘结剂：按质量份数比将50～99.5份的去离子水、0～49份的助挥发剂、0～5份粘结剂改性剂、0.5～5份的促进硅酸钠水溶液脱水硬化的固化剂混合形成混合溶液，所述混合溶液作为三维喷印的液体粘结剂，所述液体粘结剂为水基粘结剂，不易变质堵塞喷头；
(2)制备混合粉末：按质量份数比将1～9份速溶硅酸钠、0～1份有机高分子粉末和90～99份的原砂进行机械混合形成混合粉末，上述混合粉末作为三维喷印的打印材料；
(3)将步骤(1)制备的液体粘结剂放入快速成型设备的喷墨打印头内，将步骤(2)制备的混合粉末放入粉缸内，开启快速成型设备进行三维喷印成形，在打印过程中和/或零件打印完成后，采用加热和/或微波干燥的方式使零件固化，固化完成后去除多余粉末即得到所需的铸型零件，以此方式，降低了铸型零件的发气量，有利于减少铸型零件中气孔产生的倾向。
2.根据权利要求1所述的一种铸型三维喷印成形方法，其特征在于，所述的助挥发剂为无水乙醇或丙酮。
3.根据权利要求1所述的一种铸型三维喷印成形方法，其特征在于，所述的固化剂为有机酯或多元醇。
4.根据权利要求1所述的一种铸型三维喷印成形方法，其特征在于，所述的粘结剂改性剂为十六烷基三甲基溴化铵、甘油或聚乙二醇。
5.根据权利要求1所述的一种铸型三维喷印成形方法，其特征在于，所述的原砂为石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂。
6.根据权利要求1所述的一种铸型三维喷印成形方法，其特征在于，所述有机高分子粉末为聚丙烯酰胺或聚乙烯醇。
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