CN108296417B - 一种用于激光烧结和3d打印技术的覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

一种用于激光烧结和3d打印技术的覆膜砂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种覆膜砂及其制备方法，尤其涉及一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂及其制备方法。本发明的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂包括以下重量份的原料组分：硅砂80‑90份、高温合金纤维30‑45份、乌洛托品6‑8份、树脂30‑35份、耐火黏土30‑35份、纳米负离子粉30‑50份、纳米碳粉12‑18份、草酸5‑8份。通过添加高温合金纤维提高了覆膜砂的韧性及抗拉强度；采用高强度低发气树脂，降低打印的覆膜砂铸件因覆膜砂发气量大所产生的针孔、氮气孔的量；通过添加草酸降低了覆膜砂中游离酚的量，一方面可以保护环境，另一方面降低铸件的气孔缺陷，从而提高了3D打印的精确度，保证了铸件的表面质量。

Description

一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种覆膜砂及其制备方法，尤其涉及一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂及其制备方法。
背景技术
覆膜砂是砂粒表面在造型前即覆有一层固化树脂膜的型砂或芯砂。有冷法和热法两种覆膜工艺：冷法用溶剂(如酒精)将树脂溶化，并在混砂过程中，使树脂包覆在砂粒表面；热法把砂预热到一定温度，加树脂混匀，使树脂包覆在砂粒表面。新型的3D打印技术，是将覆膜砂一层一层采用重力叠加通过激光烧制使其固化成型的过程，节省了开模具、制芯等工序，大大缩短了新产品的开发周期，但3D打印技术对覆膜砂的要求极高，市面上使用的覆膜砂配方通常只能适用于一种3D打印技术，且打印的覆膜砂铸件的针孔、氮气孔的量较高，铸件使用寿命低，成本增加。因此提供一种低发气量、强度较高、耐高温的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂及其制备方法是本领域的一项技术问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种低发气量、高强度、耐高温、且环保的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂；本发明的另一个目的在于提供一种上述用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：硅砂80-90份、高温合金纤维30-45份、乌洛托品6-8份、树脂30-35份、耐火黏土30-35份。
进一步的，高温合金纤维为丝状钢纤维，其中，钢纤维含有合金元素Cr、Si、Al中的一种或多种。
进一步的，树脂为高强度低发气树脂。
进一步的，另一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂还包括纳米负离子粉30-50份、纳米碳粉12-18份、草酸5-8份。
本发明的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂采用硅砂为原料，硅砂的耐火、耐高温性能好，且坚硬、耐磨、化学性能稳定，从而可以显著提高覆膜砂的耐高温性能并保证覆膜砂的强度；添加高温合金纤维，高温合金纤维的丝状结构可以实现与覆膜砂体为点接触，且与每个接触点均具有较长的有效接触长度，从而显著提高了覆膜砂的韧性及抗拉强度，并利用高温合金纤维本身的高强度及耐高温性改善覆膜砂的力学性能及耐高温性；高温合金纤维中各种合金元素的添加，可有效保证高温合金纤维具有优异耐高温性能；树脂采用高强度低发气树脂，降低打印的覆膜砂铸件因覆膜砂发气量大所产生的针孔、氮气孔的量，通过降低覆膜砂的发气量从而保证铸件质量，改善铸件力学性能，增加铸件使用寿命，最终降低了铸件的生产及使用成本；通过添加草酸降低了覆膜砂中游离酚的量，一方面可以保护环境，另一方面降低铸件的气孔缺陷；添加添加纳米负离子粉，利用纳米负离子粉本身具有的较强的远红外发射功能，缩短了覆膜砂制备过程的干燥时间以及覆膜砂3D打印过程中的激光烧结时间，同时使铸件富有对人体有益的纳米负离子，从而保证了周边工作人员的身心健康；通过添加耐火黏土来进一步增加覆膜砂原料粘结力和覆膜砂的耐高温性能。本发明的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂能有效降低覆膜砂因发气量大使铸件产生的针孔、氮气孔的量，通过保证覆膜砂的高质量，增加打印的覆膜砂铸件的使用寿命，降低铸件生产成本，且保护了环境。
本发明的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂进行性能测试：热抗弯强度大于7.7MPa，冷抗弯强度大于19.5MPa，常温抗拉强度大于4.6MPa,热拉强度大于1.8MPa,发气量小于15ml/g，急热膨胀率小于0.07％。
本发明还提供了一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入粉碎机中粉碎，粉碎至粒度为120-130目，形成混合颗粒；
(2)将步骤(1)中的混合颗粒放入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为3-5分钟；
(3)将乌洛托品和树脂按组分比例熔化成流动状态，然后加入适量的水进行搅拌，搅拌均匀形成混合添加溶液；
(4)将步骤(3)中的混合添加溶液倒进步骤(2)中的搅拌机和混合颗粒进行搅拌混合，搅拌时间为12-16分钟，搅拌转速为55转每秒，形成覆膜砂浆体；
(5)将步骤(4)制得的覆膜砂浆体倒出，待其自然风干固化后将其放入磨粉粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为90-115目；
(6)将步骤(5)粉碎后的颗粒倒入粉尘干燥室内进行干燥脱水，干燥完成之后取出，制成用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂。
进一步的，步骤(4)中混合颗粒与混合添加溶液的重量比为5.5：2。
进一步的，步骤(6)中干燥室内的干燥温度为110-120℃，干燥时间为24-26小时。
本发明的一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，依次将各原料组分加入粉碎机中进行粉碎形成混合颗粒，混合颗粒粒度跨度小，粉碎均匀，颗粒圆滑，可以显著提高3D打印砂芯/砂型等的精度；还可以用筛子对混合颗粒进行筛选，可以进一步保证混合颗粒均为满足粒径要求的混合颗粒；严格控制混合添加溶液与混合颗粒在搅拌机内的搅拌时间与搅拌速度，从而保证了混合添加溶液可以均匀的分布在混合颗粒周围；严格控制混合颗粒与混合添加溶液的重量比，从而保证混合颗粒可以完全被混合添加溶液包覆的前提下，不会剩余多余的混合添加液，从而保证覆膜砂原料的各组分的充分利用，均不会造成浪费，降低覆膜砂的生产成本；严格控制干燥室的干燥温度及干燥时间，在保证覆膜砂完全脱水干燥的前提下，不会降低覆膜砂的力学性能及其3D成型砂芯的质量。
本发明还提供了另一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入纳米粉碎机中粉碎形成混合纳米微粒；
(2)将纳米负离子粉、纳米碳粉、以及步骤(1)中粉碎形成的混合纳米微粒一起倒入搅拌机中进行搅拌，直至搅拌均匀形成混合纳米原料；
(3)将树脂熔化成流体状态，之后将草酸倒入树脂里面，搅拌均匀之后将其和步骤(2)中制得的混合纳米原料混合形成浆体；
(4)对步骤(3)混合形成的浆体进行加热反应，加热温度为60-80℃，待浆体自然冷却至室温之后将乌洛托品倒入浆体里面，搅拌均匀；
进一步的，步骤(2)中的搅拌时间为10-12分钟。
进一步的，步骤(4)中加热反应时间为15-20分钟。
本发明的另一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，首先制备混合纳米微粒而后与纳米负离子粉、纳米碳粉，从而保证混合纳米微粒与纳米负离子粉以及纳米碳粉粒径均匀匹配，避免硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土出现较大粒径，影响最终制备的覆膜砂的质量；合理设置混合纳米微粒与纳米负离子粉、纳米碳粉的搅拌时间，利用最短的搅拌时间保证各组分的混合效果；合理确定草酸的加入时间，从而通过草酸有效降低覆膜砂中游离酚的量，一方面可以保护环境，另一方面降低铸件气孔缺陷，使得草酸的作用发挥到极致；再次对混合纳米原料混合形成浆体进行加热，控制加热温度及时间，进一步保证浆体中各组分混合均匀度，另外冷却后加入乌洛托品，通过乌洛托品与树脂结合对覆膜砂进行固化，在固化过程中可以提高搅拌速度，保证覆膜的均匀。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：硅砂80份、高温合金纤维30份、乌洛托品6份、高强度低发气树脂30份、耐火黏土30份。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入粉碎机中粉碎，粉碎至粒度为120目，形成混合颗粒；对混合颗粒进行筛选，将粒径不符合要求的混合颗粒再次放入粉碎机中粉碎直至满足颗粒直径要求；
(2)将步骤(1)中的符合颗粒直径要求的混合颗粒放入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为3分钟；
(3)将乌洛托品和树脂按组分比例熔化成流动状态，然后加入适量的水进行搅拌，搅拌均匀形成混合添加溶液；
(4)将步骤(3)中的混合添加溶液倒进步骤(2)中的搅拌机和混合颗粒进行搅拌混合，混合颗粒和混合添加溶液的重量比为5.5：2，搅拌时间为12分钟，搅拌转速为55转每秒，形成覆膜砂浆体；
(5)将步骤(4)制得的覆膜砂浆体倒出，待其自然风干固化后将其放入磨粉粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为90目；
(6)将步骤(5)粉碎后的颗粒倒入粉尘干燥室内进行干燥脱水，干燥室内的干燥温度为110℃，干燥时间为24小时，干燥完成之后取出，制成用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，热抗弯强度为7.9MPa，冷抗弯强度为20.1MPa，常温抗拉强度4.75MPa,热拉强度1.83MPa,发气量为14.6ml/g，急热膨胀率为0.065％。
实施例2
一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：硅砂85份、高温合金纤维38份、乌洛托品7份、高强度低发气树脂33份、耐火黏土33份。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入粉碎机中粉碎，粉碎至粒度为125目，形成混合颗粒；对混合颗粒进行筛选，将粒径不符合要求的混合颗粒再次放入粉碎机中粉碎直至满足颗粒直径要求；
(2)将步骤(1)中的符合颗粒直径要求的混合颗粒放入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为4分钟；
(3)将乌洛托品和树脂按组分比例熔化成流动状态，然后加入适量的水进行搅拌，搅拌均匀形成混合添加溶液；
(4)将步骤(3)中的混合添加溶液倒进步骤(2)中的搅拌机和混合颗粒进行搅拌混合，混合颗粒和混合添加溶液的重量比为5.5：2，搅拌时间为14分钟，搅拌转速为55转每秒，形成覆膜砂浆体；
(5)将步骤(4)制得的覆膜砂浆体倒出，待其自然风干固化后将其放入磨粉粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为110目；
(6)将步骤(5)粉碎后的颗粒倒入粉尘干燥室内进行干燥脱水，干燥室内的干燥温度为115℃，干燥时间为25小时，干燥完成之后取出，制成用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，热抗弯强度为8.6MPa，冷抗弯强度为22.1MPa，常温抗拉强度4.8MPa,热拉强度1.82MPa,发气量为13.2ml/g，急热膨胀率为0.068％。
实施例3
一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：硅砂90份、高温合金纤维45份、乌洛托品8份、高强度低发气树脂35份、耐火黏土35份。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入粉碎机中粉碎，粉碎至粒度为130目，形成混合颗粒；对混合颗粒进行筛选，将粒径不符合要求的混合颗粒再次放入粉碎机中粉碎直至满足颗粒直径要求；
(2)将步骤(1)中的符合颗粒直径要求的混合颗粒放入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为5分钟；
(3)将乌洛托品和树脂按组分比例熔化成流动状态，然后加入适量的水进行搅拌，搅拌均匀形成混合添加溶液；
(4)将步骤(3)中的混合添加溶液倒进步骤(2)中的搅拌机和混合颗粒进行搅拌混合，混合颗粒和混合添加溶液的重量比为5.5：2，搅拌时间为16分钟，搅拌转速为55转每秒，形成覆膜砂浆体；
(5)将步骤(4)制得的覆膜砂浆体倒出，待其自然风干固化后将其放入磨粉粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为115目；
(6)将步骤(5)粉碎后的颗粒倒入粉尘干燥室内进行干燥脱水，干燥室内的干燥温度为120℃，干燥时间为26小时，干燥完成之后取出，制成用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，热抗弯强度为8.1MPa，冷抗弯强度为20.6MPa，常温抗拉强度4.75MPa,热拉强度1.87MPa,发气量为13.1ml/g，急热膨胀率为0.062％。
实施例4
一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，包括以下重量份的原料组分：硅砂90份、高温合金纤维45份、乌洛托品8份、高强度低发气树脂35份、耐火黏土35份、纳米负离子粉50份、纳米碳粉18份、草酸8份。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入纳米粉碎机中粉碎形成混合纳米微粒；
(2)将纳米负离子粉、纳米碳粉、以及步骤(1)中粉碎形成的混合纳米微粒一起倒入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为12分钟；
(3)将树脂熔化成流体状态，之后将草酸倒入树脂里面，搅拌均匀之后将其和步骤(2)中制得的混合纳米原料混合形成浆体；
(4)对步骤(3)混合形成的浆体进行加热反应，加热温度为80℃，加热反应时间为20分钟，待浆体自然冷却至室温之后将乌洛托品倒入浆体里面，搅拌均匀。
本实施例的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，热抗弯强度为8.2MPa，冷抗弯强度为20.7MPa，常温抗拉强度4.79MPa,热拉强度1.88MPa,发气量为13.3ml/g，急热膨胀率为0.067％。
由以上实施例可以看出，本发明的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，采用高强度低发气树脂显著降低了覆膜砂的发气量，通过高温合金纤维的添加明显提高了覆膜砂的强度及韧性，利用耐火黏土增加其原料粘结力和覆膜砂的耐高温性能，使得本发明的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂具有低发气量、高强度、耐高温、环境友好的综合性能。采用本发明的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂所打印的覆膜砂铸件的针孔、氮气孔的量明显降低，铸件使用寿命加长，从而降低了铸件生产成本。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (3)

1.一种用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂，其特征在于：包括以下重量份的原料组分：硅砂80-90份、高温合金纤维30-45份、乌洛托品6-8份、树脂30-35份、耐火黏土30-35份、纳米负离子粉30-50份、纳米碳粉12-18份、草酸5-8份；所述高温合金纤维为钢纤维，其中，所述钢纤维含有合金元素Cr、Si、Al中的一种或多种；所述树脂为高强度低发气树脂。
2.一种权利要求1所述的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入粉碎机中粉碎，粉碎至粒度为120-130目，形成混合颗粒；
(2)将步骤(1)中的混合颗粒放入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间为3-5分钟；
(3)将乌洛托品和树脂按组分比例熔化成流动状态，然后加入适量的水进行搅拌，搅拌均匀形成混合添加溶液；
(4)将步骤(3)中的混合添加溶液倒进步骤(2)中的搅拌机和混合颗粒进行搅拌混合，搅拌时间为12-16分钟，搅拌转速为55转每秒，形成覆膜砂浆体；
(5)将步骤(4)制得的覆膜砂浆体倒出，待其自然风干固化后将其放入磨粉粉碎机中进行粉碎，粉碎粒度为90-115目；
(6)将步骤(5)粉碎后的颗粒倒入粉尘干燥室内进行干燥脱水，干燥完成之后取出，制成用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂；
步骤(4)中所述混合颗粒与所述混合添加溶液的重量比为5.5：2；
步骤(6)中干燥室内的干燥温度为110-120℃，干燥时间为24-26小时。
3.一种权利要求1所述的用于激光烧结和3D打印技术的覆膜砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅砂、高温合金纤维、以及耐火黏土按照组分比例一起放入纳米粉碎机中粉碎形成混合纳米微粒；
(2)将纳米负离子粉、纳米碳粉、以及步骤(1)中粉碎形成的混合纳米微粒一起倒入搅拌机中进行搅拌，直至搅拌均匀形成混合纳米原料；
(3)将树脂熔化成流体状态，之后将草酸倒入树脂里面，搅拌均匀之后将其和步骤(2)中制得的混合纳米原料混合形成浆体；
(4)对步骤(3)混合形成的浆体进行加热反应，加热温度为60-80℃，待浆体自然冷却至室温之后将乌洛托品倒入浆体里面，搅拌均匀；
步骤(2)中的搅拌时间为10-12分钟；
步骤(4)中加热反应时间为15-20分钟。
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