CN109014046A - 一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，采用成品覆膜砂和PVA粉末混合配制成型粉末材料；将有机溶剂和去离子水混合制成粘接剂材料；对砂型的三维CAD模型进行切片离散化处理，根据零件制造精度要求设置切片层厚；将制备的成型粉末材料按照切片层厚进行铺粉，通过喷头将制备的粘接剂材料喷射到成型粉末材料表面，循环喷射得到完整零件；喷射成型结束后，将零件静置后去除杂质并进行加热处理，然后随炉冷却至室温，完成砂型制造。本发明采用液体粘度低且无腐蚀性，能提高喷头使用寿命和稳定性；能降低铸造企业生产成本；设备成本低，自动化水平高，对铸造企业的技术要求低，利于大规模推广应用；能耗低、污染少、劳动环境好。

Description

一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法
技术领域
本发明属于快速成型技术领域，具体涉及一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法。
背景技术
三维打印(There dimension printing，3DP)成型技术，是将喷头的二维平面运动与成型平台的高度方向运动相结合的一种三维立体成型方法。将设计好的三维CAD模型通过切片处理得到离散切片信息，然后通过喷头将粘接剂喷射到成形平台的粉床上，通过逐层累积成型得到三维零件。
三维打印过程中，可以通过控制喷头的喷射来实现复杂形状零件的制造，大大提高了复杂工件的制造能力，被广泛应用在制造铸造砂型领域。国内外采用3DP方式制造砂型的有：
1)ExOne公司采用ProMetal RCT工艺将自硬呋喃树脂作为粘接剂，将原砂与固化剂预先混合作为成型粉末材料，通过喷头喷射呋喃树脂，树脂和固化剂发生交联反应固化成型；
2)Voxeljet公司将硅酸钠颗粒与硅砂混合后作为成型材料，通过喷射水基粘接剂溶解粉末中的硅酸钠，在通过加热脱水可实现固化，由于硅酸钠与硅砂通过机械混合作为成型粉末材料，容易导致硅酸钠分布不均匀，进而使得制件强度不高；
3)华中科技大学利用热塑性酚醛树脂溶于乙醇的特点，通过喷射乙醇基粘接剂到覆膜砂表面来制造砂型，该工艺初坯抗拉强度低，在取件时容易造成铸件破损；
4)宁夏共享公司采用喷射树脂粘接剂粘接混有固化剂的硅砂或者陶瓷砂粒来制造铸件，抗拉强度也不高，不适合高温合金的浇铸。
以上方法中存在如下问题：喷射树脂粘接剂容易导致喷头堵塞降低喷头使用寿命；制造的砂型湿强度很低，容易导致取件时造成铸件破损；砂型精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，解决了现有技术中存在的砂型湿强度低，砂型制造精度不高，喷射粘接剂容易导致喷色头堵塞等问题，并通过优化砂粒材料配比和喷头组装方案简化了工艺过程降低了制造成本，同时也提高了生产效率。
本发明采用以下技术方案：
一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，包括以下步骤：
S1、采用成品覆膜砂和PVA粉末混合配制成型粉末材料；
S2、将有机溶剂和去离子水混合制成粘接剂材料；
S3、对砂型的三维CAD模型进行切片离散化处理，根据零件制造精度要求设置切片层厚；
S4、将步骤S1制备的成型粉末材料按照步骤S3的切片层厚进行铺粉，通过喷头将步骤S2制备的粘接剂材料喷射到成型粉末材料表面，循环喷射得到完整零件；
S5、步骤S4喷射成型结束后，将零件静置后去除杂质并进行加热处理，然后随炉冷却至室温，完成砂型制造。
具体的，步骤S1中，采用球磨机以350～370r·min-1的速度将成品覆膜砂和PVA粉末混合制备2～2.5小时，然后过筛得到粒径为0.1～0.3um的粉末材料。
具体的，步骤S1中，成品覆膜砂的平均粒径为85～95um，质量分数95％～99％；PVA粉末的平均粒径45～55um，质量分数1％～5％，PVA粉末的醇解度为87～89％。
具体的，步骤S2中，将醇类和去离子水混合，经5～10min磁力搅拌制得粘度2～12mPa·s，表面张力25～60mN·m-1的粘接剂，然后静置3～5min。
具体的，有机溶剂为乙醇，乙醇和去离子水的质量比为(1～3):1，粘接剂的粘度为8～10mPa·s，表面张力为35～40mN·m-1。
具体的，步骤S3中，对切片数据进行2～4点密化处理，对打印数据进行扩展密化，对于同一砂型的不同结构，在曲率变化较大处采用较小层厚，在曲率变化较小处采用较大层厚。
具体的，步骤S3中，切片厚度为0.2～0.5mm。
具体的，步骤S4中，多个喷头并列交错安装，采用高频率进行喷射。
具体的，步骤S4中，喷头的安装方式为前一喷头的最后一行与后一喷头的第一行重叠，喷头喷嘴排列方向与扫描方向垂直。
具体的，步骤S5中，待零件静置大于等于24小时后取出，清除表面多余粉末材料，将取出的零件进行加热处理，加热温度为170～200℃，加热时间为120～150min。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，将覆膜砂与PVA粉末混合，由于PVA尺寸较小易于占据覆膜砂砂粒间隙，孔隙率降低，当PVA溶于水后能形成更多的粘接桥，从而显著提高制件的湿强度，避免了在取件过程中对砂型的损坏。同时在后处理加热过程中，随着温度的升高，PVA分解和挥发的比例显著增大，发气量显著降低。
进一步的，粉末材料由覆膜砂和PVA混合而得，树脂用量少，发气量少，获取工艺简单，原材料成本也很低，对生产企业技术要求不高，易于实现机械化、自动化，利于大规模推广应用
进一步的，将醇类和去离子水混合制成粘接剂材料，粘接剂材料粘度低且不具有任何腐蚀性，不会堵塞喷头，延长喷头使用寿命，稳定性高；获取工艺简单，原材料成本也很低，对生产企业技术要求不高，易于实现机械化、自动化，利于大规模推广应用。
进一步的，砂型三维CAD模型的切片处理过程可根据制造的精度要求进行，也可以根据零件的复杂程度进行，在曲率变化较大处采用较小层厚，在曲率变化较小处采用较大层厚，通过上述方式可以实现可变层厚的高精度砂型制造。
进一步的，采用多个喷头并列交错安装方式，可以有效增加喷射面积；在切片数据的基础上对其进行密化处理，相当于在相邻喷射位置间增加粘接剂喷射量，提高湿强度；喷头的喷射频率可调节，采用高频率进行喷射，有效提高打印效率。
进一步的，在零件成型完成后，待零件静置24小时，使其充分干燥，降低取件过程中零件的破损，并能减少热处理过程中的发气量，然后将零件取出放入恒温干燥箱中加热处理，维持一段时间后随炉冷却至室温并取出，完成砂型的制造。
综上所述，本发明采用液体粘度低且无腐蚀性，能提高喷头使用寿命和稳定性；由于覆膜砂和PVA均可作为商品供应，能降低铸造企业生产成本；设备成本低，自动化水平高，对铸造企业的技术要求低，利于大规模推广应用；在制芯过程中能耗低、污染少、劳动环境好。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为覆膜砂与PVA混合示意图；
图2为打印数据密化示意图；
图3为喷头安装方式示意图。
具体实施方式
本发明一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，包括以下步骤：
S1、粉末材料预处理
配制成型粉末材料，采用现有的成品覆膜砂和PVA粉末通过球磨机混合，如图1所示，其中覆膜砂平均粒径为85～95um，质量分数95～99％；PVA粉末平均粒径45～55um，质量分数1～5％，PVA的醇解度为87～89％；采用球磨机以350～370r·min-1的速度混制2～2.5小时；然后过筛得到粒径为0.1～0.3um的粉末材料。
S2、粘接剂材料预处理
利用热塑性酚醛树脂易溶于有机溶剂和PVA易溶于水的特点，选用醇类水溶液作为粘接剂，由醇类和去离子水混合，醇类质量百分数为40～70％，去离子水质量百分数30～60％，通过磁力搅拌机搅拌5～10min得到，其粘度为2～12mPa·s，表面张力为25～60mN·m-1，并静置3～5min以消除气泡，减少因液体中混入气泡导致的喷射故障，提高制件质量。
有机溶剂为乙醇，粘接剂粘度为8～10mPa·s，表面张力为35～40mN·m-1。
S3、切片处理
将砂型的三维CAD模型进行切片离散化处理，根据零件制造精度要求设置切片层厚，切片厚度设置为0.2～0.5mm；对于同一砂型的不同结构，在曲率变化较大处采用较小层厚，在曲率变化较小处采用较大层厚，这样能提高对复杂零件的制造精度。
S4、喷射成型
将粉末材料按照设置的切片层厚进行铺粉，通过喷头将粘接剂液体喷射到粉末材料表面，实现粉末材料的粘接，形成单层固化单元，随后再次进行铺粉、喷射等步骤，以此类推，最终得到完整零件。
采用多个喷头并列交错安装方式，增加喷射面积；采用高频率进行喷射，提高成型效率；通过对切片数据密化处理，对打印数据进行扩展密化，增加粘接剂喷射量，提高湿强度，如图2所示。
优选地，喷头的安装方式为前一喷头的最后一行与后一喷头的第一行重叠，以保证安装物理精度，喷头喷嘴排列方向与扫描方向垂直，如图3所示。
S5、后处理过程
喷射成型结束后，待零件静置不小于24小时后取出，清除表面多余粉末材料，将取出的零件放入恒温干燥箱中加热，加热温度为170～200℃，加热时间为120～150min，随炉冷却至室温并取出，完成砂型的制造。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
实施例1
(1)采用覆膜砂与PVA粉末混合的方式制备粉末材料，覆膜砂粒径85um，PVA粉末平均粒度45um，覆膜砂的质量分数为99％，PVA粉末的质量分数为1％。
(2)采用乙醇和去离子水混合制备粘接剂材料，乙醇与去离子水的质量比为1:1，通过磁力搅拌机搅拌5min并静置3min之后可作为粘接剂材料。
(3)将粉末材料按照0.2mm的切片层厚铺成薄层，并对切片数据进行2点密化处理，即喷射量为2遍，随后进行铺粉、喷射等步骤，以此循环，最终得到完整零件。
(4)将零件静置不少于24小时后取出，清除表面多余粉末材料，采用多功能静力学试验机以1mm·min-1的加载速度测试打印出的“8”字样件的抗拉强度，达到1.89MPa。
(5)将取出的零件放入恒温干燥箱中加热，加热温度为170℃，加热时间为150min，随炉冷却至室温并取出，完成砂型的制造。采用同样的设备和测试条件测的样件抗拉强度，达到5.32MPa，并采用无锡斯派特公司的FQX-2000A智能发气性测试仪进行发气量的测试，测得1000℃下发气量为22.94ml/g。
实施例2
(1)采用覆膜砂与PVA粉末混合的方式制备粉末材料，覆膜砂粒径88um，PVA粉末平均粒度48um，覆膜砂的质量分数为96％，PVA粉末的质量分数为4％。
(2)采用乙醇和去离子水混合制备粘接剂材料，乙醇与去离子水的质量比为1:1，通过磁力搅拌机搅拌6min并静置3.5min之后可作为粘接剂材料。
(3)将粉末材料按照0.4mm的切片层厚铺成薄层，并对切片数据进行4点密化处理，即喷射量为4遍，随后进行铺粉、喷射等步骤，以此循环，最终得到完整零件。
(4)将零件静置不少于24小时后取出，清除表面多余粉末材料，采用多功能静力学试验机以1mm·min-1的加载速度测试打印出的“8”字样件的抗拉强度，达到2.31MPa。
(5)将取出的零件放入恒温干燥箱中加热，加热温度为180℃，加热时间为140min，随炉冷却至室温并取出，完成砂型的制造。采用同样的设备和测试条件测的样件抗拉强度，达到5.88MPa，并采用无锡斯派特公司的FQX-2000A智能发气性测试仪进行发气量的测试，测得1000℃下发气量为25.04ml/g。
实施例3
(1)采用覆膜砂与PVA粉末混合的方式制备粉末材料，覆膜砂粒径92um，PVA粉末平均粒度52um，覆膜砂的质量分数为98％，PVA粉末的质量分数为2％。
(2)采用乙醇和去离子水混合制备粘接剂材料，乙醇与去离子水的质量比为3:1，通过磁力搅拌机搅拌8min并静置4min之后可作为粘接剂材料。
(3)将粉末材料按照0.3mm的切片层厚铺成薄层，并对切片数据进行4点密化处理，即喷射量为4遍，随后进行铺粉、喷射等步骤，以此循环，最终得到完整零件。
(4)将零件静置不少于24小时后取出，清除表面多余粉末材料，采用多功能静力学试验机以1mm·min-1的加载速度测试打印出的“8”字样件的抗拉强度，达到1.03MPa。
(5)将取出的零件放入恒温干燥箱中加热，加热温度为190℃，加热时间为130min，随炉冷却至室温并取出，完成砂型的制造。采用同样的设备和测试条件测的样件抗拉强度，达到5.56MPa，并采用无锡斯派特公司的FQX-2000A智能发气性测试仪进行发气量的测试，测得1000℃下发气量为21.68ml/g。
实施例4
(1)采用覆膜砂与PVA粉末混合的方式制备粉末材料，覆膜砂粒径95um，PVA粉末平均粒度55um，覆膜砂的质量分数为95％，PVA粉末的质量分数为5％。
(2)采用乙醇和去离子水混合制备粘接剂材料，乙醇与去离子水的质量比为2:1，通过磁力搅拌机搅拌10min并静置5min之后可作为粘接剂材料。
(3)将粉末材料按照0.5mm的切片层厚铺成薄层，并对切片数据进行3点密化处理，即喷射量为3遍，随后进行铺粉、喷射等步骤，以此循环，最终得到完整零件。
(4)将零件静置不少于24小时后取出，清除表面多余粉末材料，采用多功能静力学试验机以1mm·min-1的加载速度测试打印出的“8”字样件的抗拉强度，达到2.06MPa。
(5)将取出的零件放入恒温干燥箱中加热，加热温度为200℃，加热时间为120min，随炉冷却至室温并取出，完成砂型的制造。采用同样的设备和测试条件测的样件抗拉强度，达到3.5MPa，并采用无锡斯派特公司的FQX-2000A智能发气性测试仪进行发气量的测试，测得1000℃下发气量为32.49ml/g。
本发明采用去离子水和有机溶剂作为粘接剂材料，其粘度低且无腐蚀性，能提高喷头使用寿命并提高喷射稳定性；采用覆膜砂和PVA作为粉末材料，其均可作为商品供应，且成本低，能降低铸造企业生产成本；成型过程操作简单，自动化水平高，对铸造企业的技术要求低，利于大规模推广应用；可以根据零件精度要求调整层厚，实现高精度成型；零件湿强度和干强度均显著提高。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用成品覆膜砂和PVA粉末混合配制成型粉末材料；
S2、将有机溶剂和去离子水混合制成粘接剂材料；
S3、对砂型的三维CAD模型进行切片离散化处理，根据零件制造精度要求设置切片层厚；
S4、将步骤S1制备的成型粉末材料按照步骤S3的切片层厚进行铺粉，通过喷头将步骤S2制备的粘接剂材料喷射到成型粉末材料表面，循环喷射得到完整零件；
S5、步骤S4喷射成型结束后，将零件静置后去除杂质并进行加热处理，然后随炉冷却至室温，完成砂型制造。
2.根据权利要求1所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S1中，采用球磨机以350～370r·min-1的速度将成品覆膜砂和PVA粉末混合制备2～2.5小时，然后过筛得到粒径为0.1～0.3um的粉末材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S1中，成品覆膜砂的平均粒径为85～95um，质量分数95％～99％；PVA粉末的平均粒径45～55um，质量分数1％～5％，PVA粉末的醇解度为87～89％。
4.根据权利要求1所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S2中，将醇类和去离子水混合，经5～10min磁力搅拌制得粘度2～12mPa·s，表面张力25～60mN·m-1的粘接剂，然后静置3～5min。
5.根据权利要求1或4所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，有机溶剂为乙醇，乙醇和去离子水的质量比为(1～3):1，粘接剂的粘度为8～10mPa·s，表面张力为35～40mN·m-1。
6.根据权利要求1所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S3中，对切片数据进行2～4点密化处理，对打印数据进行扩展密化，对于同一砂型的不同结构，在曲率变化较大处采用较小层厚，在曲率变化较小处采用较大层厚。
7.根据权利要求1或6所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S3中，切片厚度为0.2～0.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S4中，多个喷头并列交错安装，采用高频率进行喷射。
9.根据权利要求1或8所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S4中，喷头的安装方式为前一喷头的最后一行与后一喷头的第一行重叠，喷头喷嘴排列方向与扫描方向垂直。
10.根据权利要求1所述的一种高精度高湿强度三维成型铸造砂型制造方法，其特征在于，步骤S5中，待零件静置大于等于24小时后取出，清除表面多余粉末材料，将取出的零件进行加热处理，加热温度为170～200℃，加热时间为120～150min。
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