CN108178931A - 一种精密铸造熔融沉积成型3d打印精模专用蜡线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印材料领域，公开了一种精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线及其制备方法和应用。该蜡线包括以下原料：石油蜡、PE蜡、添加树脂、增韧剂、脱模剂、紫外线吸收剂、抗氧剂。配方简单，以石油蜡为原料更适合大量生产，材料质量稳定有保证。且可采用反应釜和密炼机制备，拓宽生产设备。本发明制备的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线熔点、收缩率低、弹性好，材料可回收再利用，可直接、快速准确的打造高质量的铸件模型，简化蜡模制造工序，缩短周期，提高工作效率，降低成本，具有广阔的市场前景以及市场竞争力。
Description
技术领域
本发明属于3D打印材料领域，特别涉及一种精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线及其制备方法和应用。
背景技术
3D打印技术是根据目标利用计算机进行三维数字化设计立体模型，再将建成的立体模型进行切片处理，然后指导特定的打印设备将特定3D打印材料按照目标文件中截面信息逐层叠加打印，最后将数字模型变成实物，目前3D打印材料形态包括液体状、粉状、片状和条状。
3D打印技术是制造业转型升级的核心技术之一，同其他行业一样，在精密铸造领域中也有很多企业采用3D打印技术，目前选择性激光融化(Selective Laser Melting，SLM)、立体光刻(Stereo Lithigraphy Apparatus,SLA)、选择性激光烧结(SelectiveLaser Sintering、三维打印与胶粘(Three Dimensional Printing and Gluing，3DP)等3D打印技术正在不断与铸造工业融合，以期开创出更新的制造模式。熔融沉积成型(FusedDeposition Modeling,FDM)是3D打印技术的重要技术之一，熔融沉积成型工艺材料主要是便于熔融的低熔点丝状材料，主要是蜡丝、聚烯烃树脂、聚酰胺丝、ABS塑料丝等高分子材料。
传统铸造行业使用的铸件制造法主要为失蜡法，其经过铸造蜡做模、涂敷耐火材料并固化成型壳、失蜡、注入金属溶液铸件、脱壳处理等几个主要步骤。但是对于复杂大型的铸件，需要制作分部的多个蜡型模，然后将蜡模粘接到已经预制的蜡棒上组成蜡组树，过程更加复杂且需要更加精细。对于一些具有薄壁部位的铸件，如飞机螺旋桨、扇叶等航天精密铸件，因为薄厚部位蜡模收缩率不同，对铸造蜡要求更高，同时在铸件过程中蜡模出现缺陷时还另外要修补蜡模。
根据传统失蜡铸造工艺，应用熔融沉积成型3D打印技术使用专用蜡线材料可实现铸件蜡模一次性成型，3D打印应用于铸造行业起步较晚，当前市场上缺乏FDM打印机所需要的专用蜡线材料，但是随着传统铸造行业生存压力的增加，以及熔模铸造法在制作航天航空等精密构件模型过程中的困难，铸造企业不断探索转型升级的路径和方法，3D打印对于设计制造一体化、提高效率、降低成本等逐渐受到越来越多人的青睐，其市场越来越大，因此有必要制造出熔融沉积成型3D打印机专用的蜡线材料，填补3D打印熔融铸造蜡领域精密铸造蜡模的市场空白。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种环保、性能好的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线。
本发明另一目的在于提供上述精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线，其包括以下质量分数的组分：
在相应物质满足相应组分含量的同时各组分的总质量分数为100％。
所述的石油蜡为70#微晶蜡、80#微晶蜡、85#微晶蜡、682微晶蜡、54#全精炼石蜡、58#全精炼石蜡、62#全精炼石蜡、62#半精炼石蜡、64#全精炼石蜡，64#半精炼石蜡、66#全精炼石蜡，66#半精炼石蜡中的一种或多种的组合。
所述的添加树脂为C5石油树脂、C5加氢石油树脂、C9石油树脂、C9加氢石油树脂、萜烯树脂、氯化芳香石油树脂、松香树脂中的一种或多种的组合。
所述的增韧剂为低分子聚丙烯(分子量2000-5000)、低分子聚乙烯(分子量500-5000)、聚异丁烯、乙烯-丙烯共聚物、EVA树脂、氯化聚乙烯、聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体、APAO、三元乙丙橡胶、乙烯-辛烯嵌段共聚物、AFFINITY聚烯烃塑性树脂中的一种或多种组合。
所述的脱模剂为硬脂酸锌。
所述的紫外线吸收剂可为抗氧剂1010、抗氧剂264、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂300其中的一种或一种以上。
所述的紫外线吸收剂可为紫外线吸收剂uv531、紫外线吸收剂uv-9、紫外线吸收剂770其中的一种或一种以上。
一种上述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线的制备方法，包括以下步骤：制备基础蜡粒→蜡线基料→蜡线。
上述的精密铸造熔融沉积3D打印精模专用蜡线的制备方法，具体包括以下步骤：
将石油蜡加入到反应容器中，90℃-100℃搅拌，蜡完全熔化得到蜡液A；然后向蜡液A中加入PE蜡、添加树脂、增韧剂、脱模剂、紫外线吸收剂、抗氧剂，继续保温搅拌，全部熔化后再继续保温搅拌30min-1h得到蜡液B；将蜡液B放出冷却，用粉碎机粉碎，或者用钢带选料成型技术造粒，得到基料C；将基料C投入到线材螺杆挤出机中挤出成蜡线，卷收得到精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线。该制备过程的工艺流程图如图1所示。
或者，
将石油蜡、PE蜡加入到密炼机中，85-95℃温度范围内密炼5-10min得到蜡液A；然后将添加树脂、增韧剂、脱模剂、紫外线吸收剂、抗氧剂加入到密炼机中，继续保温密炼15-25min，待原料全部溶解后静置10-20min得到蜡液B，排放气泡得到基料C；将基料C注入到线材螺杆挤出机中挤出成蜡线，卷收得到精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线。
所述的线材螺杆挤出机的共混挤出条件为：螺杆1段温度控制为50℃-60℃，2段温度控制为55℃-60℃，3段控制温度为55℃-65℃，4段控制温度为60℃-70℃，5段和6段控制温度为60℃-72℃，模头温度控制为60℃-70℃，线材螺杆挤出机主机转速在10.0rpm-13rpm范围内，喂料速度为在5.0rpm-8.0rpm。
上述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线在熔融沉积成型3D打印机中的应用。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
(1)本发明制备的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线配方简单，以石油蜡为原料更适合大量生产，材料质量稳定有保证。
(2)本发明制备的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线基料可采用反应釜和密炼机制备，拓宽生产设备。
(3)本发明制备的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线熔点、收缩率低、弹性好，材料可回收再利用，可直接、快速准确的打造高质量的铸件模型，简化蜡模制造工序，缩短周期，提高工作效率，降低成本，具有广阔的市场前景以及市场竞争力。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
实施例中的PE蜡为EuroCeras公司的2E；C5加氢石油树脂为Goodyear公司的Wingtack 115；EVA为美国杜邦公司的470；APAO为亨斯曼公司的1330。
实施例1
一种精密铸造熔融沉积成型3D打印机专用线材及其制备方法：
1.蜡料制备；将682微晶蜡(48wt％)、58#全精炼石蜡(余量)(约30.9wt％)投入到反应釜中95℃加热搅拌，待蜡完全熔化后分3次投入PE蜡(3.5wt％)、C5加氢石油树脂(3.1wt％)、EVA(10.1wt％)、APAO(3.8wt％)、硬脂酸锌(4wt‰)、紫外线吸收剂uv-9(1wt‰)、抗氧剂1010(1wt‰)，继续搅拌加热，全部熔化后继续加热搅拌30min。
上述方法中各组分的总质量分数为100％。
2.基料制备：将步骤1中搅拌均匀的蜡液输入到布料器，采用钢带选料成型技术造粒。
3.将步骤2中粒料投入到线材螺杆挤出机，挤出成线状，并由收卷设备控制线径收取产品，其中螺杆挤出机的生产条件为：
螺杆1段温度控制为55℃，2段温度控制为60℃，3段控制温度为65℃，4段控制温度为70℃，5段和6段控制温度为70℃，模头温度控制为68℃，线材螺杆挤出机主机转速在11.4rpm范围内，喂料速度为6.8rpm。
实施例2
一种精密铸造熔融沉积成型3D打印机专用线材及其制备方法
1.蜡料制备；将682微晶蜡(20.5wt％)、58#全精炼石蜡(余量)(约58.6wt％)投入到反应釜中95℃加热搅拌，待蜡完全熔化后分3次投入PE蜡(5.8wt％)、C5加氢石油树脂(5.8wt％)、EVA(5.8wt％)、APAO(3.5wt％)、硬脂酸锌(3wt‰)、紫外线吸收剂uv-9(1wt‰)、抗氧剂1010(1wt‰)，全部熔化后继续加热搅拌30min。
上述方法中各组分的总质量分数为100％。
2.基料制备：将步骤1中搅拌均匀的蜡液输入到布料器，采用钢带选料成型技术造粒。
3.将步骤2中粒料投入到线材螺杆挤出机，挤出成线状，并由收卷设备控制线径收取产品，其中螺杆挤出机的生产条件为：
螺杆1段温度控制为58℃，2段温度控制为60℃，3段控制温度为65℃，4段控制温度为70℃，5段和6段控制温度为68℃，模头温度控制为67℃，线材螺杆挤出机主机转速在10.4rpm范围内，喂料速度为6.1rpm。
实施例3
一种精密铸造熔融沉积成型3D打印机专用线材及其制备方法：
1.蜡料制备；将682微晶蜡(17.6wt％)、58#全精炼石蜡(余量)(约61.1wt％)投入到反应釜中90℃加热搅拌，待蜡完全熔化后分3次投入PE蜡(3.5wt％)、C5加氢石油树脂(4.6wt％)、EVA(8.8wt％)、APAO(4.4wt％)、硬脂酸锌(2.5wt‰)、紫外线吸收剂uv-9(1wt‰)、抗氧剂1010(1.5wt‰)，全部熔化后继续加热搅拌30min。
上述方法中各组分的总质量分数为100％。
2.基料制备：将步骤1中搅拌均匀的蜡液输入到布料器，采用钢带选料成型技术造粒。
3.将步骤2中粒料投入到线材螺杆挤出机，挤出成线状，并由收卷设备控制线径收取产品，其中螺杆挤出机的生产条件为：
螺杆1段温度控制为55℃，2段温度控制为68℃，3段控制温度为62℃，4段控制温度为63℃，5段和6段控制温度为63℃，模头温度控制为58℃，线材螺杆挤出机主机转速在10.4rpm范围内，喂料速度为6.5rpm。
实施例4
一种精密铸造熔融沉积成型3D打印机专用线材及其制备方法：
1.蜡料制备；将70#微晶蜡(76.7wt％)投入到反应釜中95℃加热搅拌，待蜡完全熔化后分3次投入PE蜡(余量)(11.5wt％)、C5加氢石油树脂(3.5wt％)、EVA(4wt份％)、APAO(4.5份wt％)、硬脂酸锌(3wt‰)、紫外线吸收剂uv-9(1.3wt‰)、抗氧剂1010(1.7wt‰)，全部熔化后继续加热搅拌30min。
上述方法中各组分的总质量分数为100％。
2.基料制备：将步骤1中搅拌均匀的蜡液输入到布料器，采用钢带选料成型技术造粒。
3.将步骤2中粒料投入到线材螺杆挤出机，挤出成线状，并由收卷设备控制线径收取产品，其中螺杆挤出机的生产条件为：
螺杆1段温度控制为56℃，2段温度控制为67℃，3段控制温度为63℃，4段控制温度为63℃，5段和6段控制温度为64℃，模头温度控制为59℃，线材螺杆挤出机主机转速在10.4rpm范围内，喂料速度为6.4rpm。
实施例5
一种精密铸造熔融沉积成型3D打印机专用线材及其制备方法：
1.蜡料制备；将52#微晶蜡(80wt％)投入到反应釜中搅拌加热，待蜡完全熔化后分3次投入PE蜡(余量)(3.42wt％)、C5加氢石油树脂(3wt％)、EVA(6wt％)、APAO(7wt％)、硬脂酸锌(3wt‰)、紫外线吸收剂uv-9(1.3wt‰)、抗氧剂1010(1.5wt‰)，全部熔化后继续加热搅拌30min。
上述方法中各组分的总质量分数为100％。
2.基料制备：将步骤1中搅拌均匀的蜡液输入到布料器，采用钢带选料成型技术造粒。
3.将步骤2中粒料投入到线材螺杆挤出机，挤出成线状，并由收卷设备控制线径收取产品，其中螺杆挤出机的生产条件为：
螺杆1段温度控制为55℃，2段温度控制为68℃，3段控制温度为62℃，4段控制温度为63℃，5段和6段控制温度为63℃，模头温度控制为58℃，线材螺杆挤出机主机转速在10.4rpm范围内，喂料速度为6.5rpm。
实施例6
一种精密铸造熔融沉积成型3D打印机专用线材及其制备方法：
1.蜡料制备；将52#微晶蜡(80wt％)、PE蜡(3.42wt％)投入到密炼机中，90℃内密炼8min得到蜡液A；然后加入C5加氢石油树脂(3wt％)、EVA(6wt％)、APAO(7wt％)、硬脂酸锌(3wt‰)、紫外线吸收剂uv-9(1.3wt‰)、抗氧剂1010(1.5wt‰)，继续保温密炼20min，待原料全部溶解后静置20min得到蜡液B，排放气泡得到基料C。
2.将步骤1中基料C投入到线材螺杆挤出机，挤出成线状，并由收卷设备控制线径收取产品，其中螺杆挤出机的生产条件为：
螺杆1段温度控制为55℃，2段温度控制为68℃，3段控制温度为62℃，4段控制温度为63℃，5段和6段控制温度为63℃，模头温度控制为58℃，线材螺杆挤出机主机转速在10.4rpm范围内，喂料速度为6.5rpm。
将实施例1-6所得的熔融沉积成型3D打印机专用蜡线分别命名为样品1、样品2、样品3、样品4、样品5、样品6，并对这6个样品的性能数据进行表征，表征项为拉伸强度(检测标准GB/T1040-2006)、断裂伸长率(检测标准GB/T1040-2006)、固化收缩率(检测标准ISO2577-2007)、熔点、直径。结果如表1所示：
表1实施例1-6所得的熔融沉积成型3D打印机专用蜡线的性能数据
表1中的数据显示，6种样品均有较低的熔点和固化收缩率，样品3不仅熔点低，而且断裂伸长率较好。熔模铸造领域要求蜡模熔融简单且固化收缩率低，以上实施例中，实施例3中制备的熔融沉积成型3D打印机专用蜡线效果最好。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线，其特征在于包括以下质量分数的组分：
各组分的质量分数之和为100％。
2.根据权利要求1所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线，其特征在于：
所述的石油蜡为70#微晶蜡、80#微晶蜡、85#微晶蜡、682微晶蜡、54#全精炼石蜡、58#全精炼石蜡、62#全精炼石蜡、62#半精炼石蜡、64#全精炼石蜡，64#半精炼石蜡、66#全精炼石蜡，66#半精炼石蜡中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线，其特征在于：
所述的添加树脂为C5石油树脂、C5加氢石油树脂、C9石油树脂、C9加氢石油树脂、萜烯树脂、氯化芳香石油树脂、松香树脂中的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线，其特征在于：
所述的增韧剂为分子量2000-5000的低分子聚丙烯、分子量500-5000的低分子聚乙烯、聚异丁烯、乙烯-丙烯共聚物、EVA树脂、氯化聚乙烯、聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体、APAO、三元乙丙橡胶、乙烯-辛烯嵌段共聚物、AFFINITY聚烯烃塑性树脂中的一种或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线，其特征在于：
所述的脱模剂为硬脂酸锌。
6.根据权利要求1所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线，其特征在于：
所述的紫外线吸收剂为抗氧剂1010、抗氧剂264、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂300其中的一种或一种以上；
所述的紫外线吸收剂为紫外线吸收剂uv531、紫外线吸收剂uv-9、紫外线吸收剂770其中的一种或一种以上。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将石油蜡加入到反应釜中，90-100℃搅拌，待蜡均溶解后得到蜡液A；然后向蜡液A中加入PE蜡、添加树脂、增韧剂、脱模剂、紫外线吸收剂、抗氧剂，继续保温搅拌，全部熔融后再继续保温搅拌30min-1h得到蜡液B；将蜡液B放出冷却，用粉碎机粉碎，或者用钢带选料成型技术造粒，得到基料C；将基料C投入到线材螺杆挤出机中挤出成蜡线，卷收得精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线；
或者，
将石油蜡、PE蜡加入到密炼机中，85-95℃温度范围内密炼5-10min得到蜡液A；然后将添加树脂、增韧剂、脱模剂、紫外线吸收剂、抗氧剂加入到密炼机中，继续保温密炼15-25min，待原料全部溶解后静置10-20min得到蜡液B，排放气泡得到基料C；将基料C注入到线材螺杆挤出机中挤出成蜡线，卷收得精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线。
8.根据权利要求7所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线的制备方法，其特征在于：
所述的线材螺杆挤出机的共混挤出条件为：螺杆1段温度控制为50℃-60℃，2段温度控制为55℃-60℃，3段控制温度为55℃-65℃，4段控制温度为60℃-70℃，5段和6段控制温度为60℃-72℃，模头温度控制为60℃-70℃，线材螺杆挤出机主机转速在10.0rpm-13rpm范围内，喂料速度为在5.0rpm-8.0rpm。
9.根据权利要求1～6任一项所述的精密铸造熔融沉积成型3D打印精模专用蜡线在熔融沉积成型3D打印机中的应用。
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