CN108192361A - 一种熔融沉积成型3d打印精密铸造蜡模蜡线材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印材料领域，公开了一种熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料及其制备方法。本发明以石油蜡为原料制备的熔融沉积成型3D打印机专用蜡线熔点为65℃‑85℃，直径为1.5mm‑2.5mm，拉升强度为11MPa‑17MPa，断裂伸长率为2.0％‑4.0％，固化收缩率为1.5％‑2.5％。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。以石油蜡为原料具有很大的原料优势，同时对于发展特种蜡领域也起到了积极的作用。

Description

一种熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于3D打印材料领域，特别涉及一种熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料及其制备方法。

背景技术

失蜡法是精密铸造中最常用的铸造方法，它是以最终产品为摹本，将蜡模材料压制成精确的铸件模型，然后在蜡模上涂敷耐火材料，硬化后再脱蜡得到模壳，金属溶液浇进去冷却后将模壳打掉成为铸件，这种工艺制出的零件外表光洁度好，尺寸精确，可以生产形状复杂的零件，尤其复杂内腔的毛坯，适应性广，工业常用的金属材料均可铸造，原材料来源广泛。铸件的形状尺寸与零件非常接近，减少切削量，属少无切削加工。但是对于复杂大型的铸件，精密铸造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。精密铸造铸件质量不稳定，工序多，影响因素复杂，易产生许多缺陷。

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、方法。

3D打印技术是利用计算机三维数字化设计目标模型，然后通过3D打印设备将“打印材料进行逐层叠加”，最后将数字模型变成实物。3D打印技术是制造业转型升级的核心技术之一，在精密铸造领域中很多企业采用3D打印技术，目前选择性激光融化(SelectiveLaser Melting，SLM)、立体光刻(Stereo Lithigraphy Apparatus,SLA)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering、三维打印与胶粘(Three Dimensional Printing andGluing，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(Fused Deposition 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。

将3D打印和传统机密铸造行业结合，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。但是3D打印应用于铸造行业起步较晚，当前市场上缺乏FDM打印机所学要的专用蜡线材料，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。

我国是石油大国，也是石油蜡出口和生产最大的国家，但是以石油蜡为基础的特种蜡起步晚。以石油蜡为基础调和的3D打印蜡属于特种蜡领域，发展打印蜡材料也具有十分重大的意义。

目前市场上熔融沉积3D打印线材多为PA、PC、ABS等塑料材料为主材，无法应用于铸造领域。少部分是以石油蜡、石油蜡合成的铸造蜡、EVA树脂或者其他低分树脂之间按照一定配比制得蜡线，虽然能够成线，但是性能较差，适用于普通铸件，无法满足要求较高或者结构较为复杂的铸件铸造。中国公开文本CN106317913A、CN106313481A、CN105062090A公布了3D打印线材及其制备方法，中国公开文本CN106317913A中以工业铸造蜡、聚烯烃塑性体树脂、硬脂酸为原料，中国公开文本CN106313481中以石蜡、铸造蜡、EVA树脂为原料，中国公开文本CN105062090A中以石蜡、铸造蜡、EVA树脂、硬脂酸为原料，虽然制备的工业铸造蜡3D打印线材环境和弹性好、熔点低，在铸造方面有一定应用，但是铸造蜡是以石蜡等石油蜡为原料调和而成，属于二次调和蜡，以其为原料具有较大局限性。

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熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料。该蜡线材料具有如下物理性能：熔点65℃-85℃，直径1.5mm-2.5mm，拉升强度11MPa-17MPa，断裂伸长率2.0％-4.0％，固化收缩率1.5％-2.5％。

本发明另一目的在于提供上述熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其主要包括以下质量分数的组分：

石油蜡(20％-50％)、矿物蜡(10％-20％)、植物蜡(0-5％)、PE蜡(5％-15％)、石油树脂(10％-20％)、增韧剂(10-30％)、硬脂酸(5-10％)、脱模剂(0-10‰)、紫外线吸收剂(0-10‰)、抗氧剂(0-10‰)；

或者，

石油蜡(20％-40％)、矿物蜡(20％-30％)、植物蜡(5-10％)、PE蜡(0-15％)、石油树脂(0-15％)、增韧剂(0-20％)、硬脂酸(10-20％)、脱模剂(0-10‰)、紫外线吸收剂(0-10‰)、抗氧剂(0-10‰)。

所述石油蜡为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。

所述的矿物蜡为褐煤蜡、地蜡、精地蜡中的一种或多种组合；

所述的植物蜡优选为棕榈蜡；

所述的石油树脂为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、氯化芳香石油树脂中的一种或多种的组合；

所述的增韧剂为低分子聚乙烯(分子量500-5000)、低分子聚丙烯(分子量2000-5000)、聚异丁烯、乙烯-丙烯共聚物、乙基纤维素、EVA树脂、氯化聚乙烯、聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体、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的组合；

所述的脱模剂优选为硬脂酸锌；

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。

一种上述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石油蜡、矿物蜡、植物蜡投入到反应釜中，加热搅拌使蜡完全熔化得到蜡液A；

(2)向蜡液A中加入PE蜡、石油树脂、增韧剂、硬脂酸、脱模剂、紫外线吸收剂、抗氧剂，继续加热搅拌，全部熔化后再继续加热搅拌30min-1h得到蜡液B；

(3)将蜡液B取出冷却，然后用粉碎机粉碎或用钢带选料成型技术造粒，得到基料C；

(4)将基料C投入到线材螺杆挤出机中挤出成蜡线，卷收得到熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料。

步骤(1)中所述的加热搅拌是指加热温度为90-100℃。

步骤(2)中所述的加热搅拌均指在90-100℃搅拌。

步骤(4)中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℃-87℃，3段控制温度为70-86℃℃，4段控制温度为80-90℃，5段和6段控制温度为80℃-92℃，模头温度控制为60-85℃，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。

上述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料在熔融沉积成型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：

本发明以石油蜡为原料制备的熔融沉积成型3D打印机专用蜡线的熔点为65℃-85℃，直径为1.5mm-2.5mm，拉升强度为11MPa-17MPa，断裂伸长率为2.0％-4.0％，固化收缩率为1.5％-2.5％。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。以石油蜡为原料具有很大的原料优势，同时对于发展特种蜡领域也起到了积极的作用。

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；AFFINITY聚烯烃塑性树脂为陶氏公司的POP475；地蜡为沧州盛世蜡业有限公司的95#地蜡；褐煤蜡为东光县蜂花蜡业制品厂的162褐煤蜡；巴西棕榈蜡为一棵树巴西棕榈蜡T1。

实施例1

一种熔融沉积成型3D打印机专用蜡线制备方法如下：

1.蜡料制备；以重量份计，将682微晶蜡#微晶蜡(20.25份)、地蜡(10份)、褐煤蜡(5.5份)、巴西棕榈蜡(2.2份)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(7.2份)、C5加氢石油树脂(13.75份)、EVA(1.1份)、AFFINITY聚烯烃塑性树脂(15份)、硬脂酸(5份)、硬脂酸锌(0.003份)、紫外线吸收剂uv-9(0.001份)、抗氧剂1010(0.001份)全部溶解后继续加热搅拌30min。

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70℃，4段控制温度为75℃，5段和6段控制温度为76℃，模头温度控制为77℃，线材螺杆挤出机主机转速在11.4rpm范围内，喂料速度为6.1rpm。

实施例2

一种熔融沉积成型3D打印机专用蜡线制备方法如下：

1.蜡料制备；以重量份计，将70#微晶蜡(21份)、地蜡(19份)、褐煤蜡(余量)、巴西棕榈蜡(5.5份)投入到反应釜中搅拌加热，待蜡完全溶解后分3次投入PE蜡(10份)、C5加氢石油树脂(12份)、EVA(4.8份)、AFFINITY聚烯烃塑性树脂(10份)、硬脂酸(15份)、硬脂酸锌(0.003份)、紫外线吸收剂uv-9(0.001份)、抗氧剂1010(0.001份)，全部溶解后继续加热搅拌30min。

上述方法中各组分总份数为100份。

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64℃，3段控制温度为74℃，4段控制温度为81℃，5段和6段控制温度为80℃，模头温度控制为79℃，线材螺杆挤出机主机转速在11.6rpm范围内，喂料速度为6.2rpm。

实施例3

一种熔融沉积成型3D打印机专用蜡线制备方法如下：

1.蜡料制备；以重量份计，将70#微晶蜡(20.5份)、58#全精炼石蜡(10份)、地蜡(11份)、褐煤蜡(余量)、巴西棕榈蜡(2份)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(10份)、C5加氢石油树脂(12.5份)、EVA(11份)、AFFINITY聚烯烃塑性树脂(10份)、硬脂酸(8份)、硬脂酸锌(0.003份)、紫外线吸收剂uv-9(0.001份)、抗氧剂1010(0.001份)，全部熔化后继续加热搅拌30min。

上述方法中各组分总份数为100份。

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65℃，2段温度控制为74℃，3段控制温度为78℃，4段控制温度为85℃，5段和6段控制温度为88℃，模头温度控制为80℃，线材螺杆挤出机主机转速在12.4rpm范围内，喂料速度为7.1rpm。

实施例4

一种熔融沉积成型3D打印机专用蜡线制备方法如下：

1.蜡料制备；以重量份计，将70#微晶蜡(10份)、58#全精炼石蜡(22.4份)、地蜡(9份)、褐煤蜡(余量)、巴西棕榈蜡(1.92份)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(8.92份)、C5加氢石油树脂(12份)、EVA(0.96份)、AFFINITY聚烯烃塑性树脂(24份)、硬脂酸(6份)、硬脂酸锌(0.003份)、紫外线吸收剂uv-9(0.001份)、抗氧剂1010(0.001份)，全部熔化后继续加热搅拌30min。

上述方法中各组分总份数为100份。

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65℃，2段温度控制为74℃，3段控制温度为78℃，4段控制温度为85℃，5段和6段控制温度为88℃，模头温度控制为80℃，线材螺杆挤出机主机转速在12.4rpm范围内，喂料速度为7.1rpm。

将实施例1-4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，并对这4个样品进行测试，测试项为拉伸强度(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。结果如下表1所示：

表1实施例1-4所得的熔融沉积成型3D打印机专用蜡线的性能数据

从表1中可以看出，4种样品均有较低的熔点和固化收缩率，样品1不仅熔点低，而且拉伸强度和断裂伸长率最大。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1制备的熔融沉积成型3D打印机专用蜡线效果最好，同时其他3个实施例蜡线性能具有较好性能。

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 (10)

1.一种熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其特征在于主要包括以下质量分数的组分：

石油蜡(30％-50％)、矿物蜡(10％-20％)、植物蜡(0-5％)、PE蜡(5％-15％)、石油树脂(10％-20％)、增韧剂(10-30％)、硬脂酸(5-10％)、脱模剂(0-10‰)、紫外线吸收剂(0-10‰)、抗氧剂(0-10‰)；

或者，

石油蜡(20％-40％)、矿物蜡(20％-30％)、植物蜡(5％-10％)、PE蜡(0-15％)、石油树脂(0-15％)、增韧剂(0-20％)、硬脂酸(10％-20％)、脱模剂(0-10‰)、紫外线吸收剂(0-10‰)、抗氧剂(0-10‰)。

2.根据权利要求1所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其特征在于：

所述石油蜡为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所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其特征在于：

所述的矿物蜡为褐煤蜡、地蜡、精地蜡中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其特征在于：

所述的植物蜡为棕榈蜡。

5.根据权利要求1所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其特征在于：

所述的石油树脂为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、氯化芳香石油树脂中的一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其特征在于：

所述的增韧剂为分子量500-5000的低分子聚乙烯、分子量2000-5000低分子聚丙烯、聚异丁烯、乙烯-丙烯共聚物、乙基纤维素、EVA树脂、氯化聚乙烯、聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体、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的组合。

7.根据权利要求1所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料，其特征在于：

所述的脱模剂为硬脂酸锌；

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。

8.一种根据权利要求1～7任一项所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将石油蜡、矿物蜡、植物蜡投入到反应釜中，加热搅拌使蜡均熔化后得到蜡液A；

(2)向蜡液A中加入PE蜡、石油树脂、增韧剂、硬脂酸、脱模剂、紫外线吸收剂、抗氧剂，继续加热搅拌，全部熔化后再继续加热搅拌30min-1h得到蜡液B；

(3)将蜡液B取出冷却，然后用粉碎机粉碎或用钢带选料成型技术造粒，得到基料C；

(4)将基料C投入到线材螺杆挤出机中挤出成蜡线，卷收得到熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料。

9.根据权利要求8所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的加热搅拌是指加热温度为90℃-100℃；

步骤(2)中，所述的加热搅拌均指在90-100℃搅拌；

步骤(4)中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℃-87℃，3段控制温度为70-86℃℃，4段控制温度为80-90℃，5段和6段控制温度为80℃-92℃，模头温度控制为60-85℃，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。

10.根据权利要求1～7任一项所述的熔融沉积成型3D打印精密铸造蜡模蜡线材料在熔融沉积成型3D打印机中的应用。