CN108339932B - 一种喷射式3d打印机型砂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，以石英砂作为原砂，经过盐酸预处理，然后在石英砂的颗粒表面引入氧化铁膜，得改性石英砂；将粉煤灰研磨过120~180目筛，然后溶于水中，加入所述改性石英砂，放入超声清洗机中作用，完成后烘干即可。在石英砂的表面进行引入氧化铁膜，使石英砂的表面呈多孔的凹槽形状，这些凹槽用于填充粉煤灰，粉煤灰在石英砂的表面包覆作用，其可以在铸钢件表面和模具表面形成烧结层，使钢铸件在模具中取下的时候更加的方便，同时可以减少钢铸件表面的裂纹，提高钢铸件的质量。

Description

一种喷射式3D打印机型砂的制备方法
技术领域
本发明涉及3D打印机的工艺技术领域，尤其涉及一种喷射式3D打印机型砂的制备方法。
背景技术
铸铁件采用粘土砂湿型铸造占有主导地位，并能在高生产率条件下生产出近终形铸件，型砂质量直接影响着铸件质量，复杂的砂处理系统影响着型砂性能，生产不同铸件型砂性能处于波动状态。造型及制芯成本占铸件成本的一半,铸件废品中有60％是由造型及制芯因素引起的,铸件焊补缺陷70％与造型、制芯材料有关,清铲工作80％的工作量涉及造型材料。
国外非常重视树脂砂生产用的铸造原砂，对胺法冷芯盒工艺用砂的选择更为严格，因为它对提高铸件质量、降低废品率、减少树脂粘结剂的用量、提高芯砂的可使用时间并保持较好的流动性、降低铸件的综合成本等都有很大的作用。冷芯盒工艺要求原砂粒形好、粒度分布好，耗酸值、含泥量、含水量低。
本发明主要解决3D打印模具中型砂的问题，导致打印的钢铸件模具表面呈凹槽、多孔和裂纹的特征，严重影响后期钢铸件的表面光滑度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供利用石英砂为原砂，对石英砂进行一系列的改性，在石英砂的表面制造多孔的凹槽，再加入粉煤灰，提高石英砂作为3D打印作为型砂的使用性能。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，
其喷射式型砂打印机的基本原理是：利用酚醛树脂(GP201系列)和多异氰酸脂(GP202系列)为粘结剂，并和干砂混制后射人芯盒，然后以干燥的压缩空气为载体，将液态三乙胺升温雾化后吹入芯盒，使型芯在芯盒中快速硬化，最后用干燥的压缩空气将三乙胺从型芯中驱走，而三乙胺尾气则通过净化洗涤装置处理后排入大气。
树脂的加入通量为型砂总量的1～2％，多异氰酸酯是聚氨酯胶黏剂的主要原料之一，制造聚氨酯胶黏剂用的多异氰酸酯有二异氰酸酯、三异氰酸酯以及它们的改性体，其中最常见的是二异氰酸酯。多异氰酸酯中甲苯二异氰酸酯采用价格低廉的甲苯与苯为原料，因此发展很快，占主导地位。
各配方的结果如下表：(1)树脂(组份I、组份II)其中组份I和组份 II加入比例为50～55：50～45。
(2)三乙胺
本发明的型砂主要用于喷射式型砂3D打印机，然后用于铸钢件模具的生产，原则上对原型砂的要求是：原砂具有较好的粒形、粒度，并且尽量为圆形的无棱角表面结构，在型砂的内部没有空洞，无裂纹。型砂的流动性好以便于紧实和提高树脂的强度。作为用于铸钢件的模具打印，型砂中的泥量不能缺少，研究发现黄壤土型砂可以很好的应用于中小厚壁铸铁件的生产，但在铸钢件的生产是，出现了粘砂的现象，比较严重，对钢铸件的表面进行型砂的清理后发现，钢铸件的表面较为粗糙，不烧结或者过度烧结都不能起到防粘砂的效果，这是由于在钢铸件浇注时，低熔点铸件熔融态填入型砂的空隙，与高温铁液接触部分的砂粒受粘土包围结壳变为复合砂粒,随砂的复用次数增多,其复合砂粒越来越多。紧靠铸件表面的一层结成的薄壳,落砂时部分随铸件带出,有一部分就掺入旧砂中。掺入部分的多少, 就会影响型砂的复用性能。传统的添加料中膨润土、粉煤灰、粘结剂等都很常用，其中以粉煤灰对铸钢模具的生产最好，在300℃左右可析出挥发物，形成气、液、固三相胶质体，500～550℃胶质体变为半焦，600～1000℃半焦受热脱氢缩聚为焦炭，铸件由于受挥发物CO、CO2的气相作用，使金属与铸件界面成为不易被金属湿润的光泽碳层，粉煤灰挥发物含量应为 2.5～3.5％，随着复用次数的增加，粉煤灰挥发物也在发生变化。
本发明以石英砂作为原砂，对石英砂进行相应的改进措施，使之成为性能更为优良的铸钢模具用型砂的制备，同时可用于3D打印机的型砂。
首先，石英砂采用粒径0.15～0.30mm(50～100目筛)的石英砂，按1:6～8 的比例放入0.1mol/L盐酸溶液浸泡20～24h，然后用去离子水浸泡洗涤2～4 遍，于100～120℃烘箱中干燥。然后采用加热蒸发法在石英砂的颗粒表面引入氧化铁膜，从而提高石英砂的比表面积，具体是：将石英砂按料液比5:2～3 的比例加入2.5mol/L的FeCl3溶液，搅拌混匀后，先在鼓风干燥机中将水分蒸发干，然后放入烘箱中110℃加热9～12h，最后将石英砂转移到马弗炉中，在600℃条件下加热3h，成功在石英砂颗粒的表面镀上一层氧化铁膜，这层膜并不致密，膜的作用主要在于提高石英砂的比表面积，并不是正真包裹石英砂颗粒，不完整的氧化铁膜在石英砂的表面形成无规则的凸起，石英砂的表面形成若干凹槽。
最后将粉煤灰精细研磨过120～180目筛，将粉煤灰与石英砂5:3的比例预先准备好，将粉煤灰分散于3～6倍其重量份的水中，搅拌混匀，然后加入改性的石英砂颗粒，与超声波清洗机中300～500W作用20～30min，过滤掉多余的水分，将石英砂颗粒于鼓风机中烘干至水分小于2％即可。
石英砂的表面氧化铁凸起形成的凹槽，粉煤灰无法轻易的进入凹槽中，粉煤灰的颗粒飘散具有随机性，在加入水中以后，随着水流的作用进入石英砂的细孔槽中，为了防止水表面张力的影响，利用超声波振动，降低水分子之间的键能，促进水进入石英砂的凹槽中，最后干燥后，在石英砂的凹槽中形成粉煤灰的薄层。
在石英砂的表面进行改性，使石英砂的表面具有氧化铁的凸起，氧化铁的凸起间形成凹槽，有利于粉煤灰的附着，在没有改性的时候，石英砂的表面比较光滑，粉煤灰在石英砂的表层附着不牢固，特别是应用于3D打印技术中，在树脂的溶剂调解下，粉煤灰更加难以在石英砂的表面附着。
本发明的优点在于：在石英砂的表面进行引入氧化铁膜，使石英砂的表面呈多孔的凹槽形状，这些凹槽用于填充粉煤灰，粉煤灰在石英砂的表面包覆作用，其可以在铸钢件表面和模具表面形成烧结层，使钢铸件在模具中取下的时候更加的方便，同时可以减少钢铸件表面的裂纹，提高钢铸件的质量。
进一步，为了提高粉煤灰进入石英砂表面凹槽，将粉煤灰先分散于水，然后采用超声波的作用，提高混合粉煤灰的水溶液渗透到石英砂的表面凹槽中。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
(1)采用粒径0.20mm的石英砂，按1:7的比例放入0.1mol/L盐酸溶液浸泡24h，然后用去离子水浸泡洗涤2～4遍，于100～120℃烘箱中干燥。
(2)将石英砂按料液比5:2的比例加入2.5mol/L的FeCl3溶液，搅拌混匀后，先在鼓风干燥机中将水分蒸发干，然后放入烘箱中110℃加热10h，最后将石英砂转移到马弗炉中，在600℃条件下加热3h，成功在石英砂颗粒的表面镀上一层氧化铁膜。
(3)最后将粉煤灰精细研磨过160目筛，将粉煤灰与石英砂5:3的比例预先准备好，将粉煤灰分散于5倍其重量份的水中，搅拌混匀，然后加入改性的石英砂颗粒，与超声波清洗机中400W作用25min，过滤掉多余的水分，将石英砂颗粒于鼓风机中烘干至水分小于2％即可。
采用本发明的石英砂作为型砂，用于喷射式3D打印机的打印支撑材料，专门用于钢铸件模具的打印成型，打印完成后模具的表面具有更好的光滑度，沙孔较少，结构优于一般普通的型砂。
需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：以石英砂作为原砂，经过盐酸预处理，然后在石英砂的颗粒表面引入氧化铁膜，得改性石英砂；将粉煤灰研磨过120～180目筛，然后分散于水中，加入所述改性石英砂，放入超声清洗机中作用，完成后烘干即可。
2.根据权利要求1所述一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：所述石英砂原砂颗粒的粒径0.15～0.30mm。
3.根据权利要求1所述一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：所述盐酸预处理过程是将石英砂按1:6～8的比例放入0.1mol/L盐酸溶液浸泡20～24h，然后用去离子水浸泡洗涤2～4遍，于100～120℃烘箱中干燥。
4.根据权利要求1所述一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：所述石英砂的颗粒表面引入氧化铁膜的改性方法是将石英砂按料液比5:2～3的比例加入2.5mol/L的FeCl3溶液，搅拌混匀后，先在鼓风干燥机中将水分蒸发干，然后放入烘箱中110℃加热9～12h，最后将石英砂转移到马弗炉中，在600℃条件下加热2.5～3.5h，得到改性石英砂。
5.根据权利要求1所述一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰的添加量与石英砂的比例为5:3。
6.根据权利要求1所述一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰分散在3～6倍其重量份的水中。
7.根据权利要求1所述一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：所述超声波清洗机的功率为300～500W。
8.根据权利要求1所述一种喷射式3D打印机型砂的制备方法，其特征在于：采用鼓风的方式对石英砂进行最后干燥，石英砂的最终含水量小于2％。
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