CN110918883A - 一种基于三维喷印的铸造砂型及其成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于快速铸造技术领域，并具体公开了一种基于三维喷印的铸造砂型及其成形方法，包括如下步骤：S1在去离子水中加入硬化酯得到液体粘接剂；S2将液态水玻璃和原砂混合，使水玻璃均匀覆盖在原砂表面，得到湿态砂，进而对该湿态砂进行干燥、破碎、筛分，得到无机覆膜砂；S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，采用三维喷印方法按预设成形轨迹完成铸造砂型成形。本发明解决了水玻璃粘接剂容易腐蚀喷头，水玻璃砂混合不均匀导致强度较差，后期需要烧结或微波固化等后处理导致加工工序繁琐的问题，并降低了铸型发气量，减少了铸件中气孔等缺陷产生的倾向。

Description

一种基于三维喷印的铸造砂型及其成形方法

技术领域

本发明属于快速铸造技术领域，更具体地，涉及一种基于三维喷印的铸造砂型及其成形方法。

背景技术

三维喷印(Three-dimensional printing，3DP)又称微滴喷射或微喷射粘结技术，其工艺原理是利用计算机将零件三维CAD模型沿着垂直成形方向上按照一定厚度进行切片，获得二维层片信息集合，打印设备通过控制打印喷头在工作台表面沿计算机设定的扫描路径选区喷射粘结剂，喷射区域内的粉末材料粘结在一起，形成当前层截面轮廓，每扫描完一层，工作缸下降一个层厚的高度，同时送粉缸上升，重复上述过程，层与层之间也通过粘结溶液的粘结作用相固连，逐层叠加直至三维实体零件打印完成。未粘结粉末对上层成形材料起做支撑作用，同时成形完成后也可以被回收再利用。

3DP技术可直接应用于成形铸造型芯，具有成形无需模具、生产周期短、不受零件几何复杂度限制、设计制造一体化的优点。目前在工业级3DP砂型打印用的有机粘接剂主要包括：呋喃树脂、热硬酚醛树脂和冷硬酚醛树脂。应用有机粘接剂进行三维喷印成形的砂型(芯)具有较高的强度，所得铸件表面质量好，尺寸精度高，但树脂砂型在铸造过程中高分子材料易受热分解，产生大量的有毒气体，在高温铸造过程中会产生气孔、凹坑、脉纹等缺陷，对铸件质量控制方面具有局限性；而无机粘结剂如硅酸钠等具有发气量小、无毒环保，价格便宜等优点，故提出应用无机粘接剂进行三维喷印以获得高效、节能、经济的三维喷印砂型，减少铸件在高温铸造中产生的气孔等缺陷，提高铸件质量。

专利文献CN 105562623A公开了一种水玻璃砂型快速成形方法，专利中提出采用钠水玻璃与聚乙烯醇的混合溶液作为粘接剂，对砂型进行三维喷印，每喷印一层进行微波加热硬化，逐层成形最终得到整个砂型；专利文献CN 104149348A公开了一种基于速溶无机粘结剂的粉末3D打印方法，其采用去离子水作为粘接剂添加助挥发剂、着色剂、改性剂获得混合溶液对粉末材料、速溶水玻璃和助熔剂的混合物进行三维喷印成形砂型；专利文献CN106799461A公开了一种铸型三维喷印成形方法，专利中采用水基粘接剂对速溶硅酸钠与原砂混合粉末进行三维喷印，喷印完成后再进行烧结或微波固化等后处理。然而现有材料工艺方法存在如下缺点：

(1)将速溶硅酸钠、高分子粉末和原砂进行机械混合得到的混合粉末放入送粉缸进行三维喷印，由于混合粉末无法保证硅酸钠粉末分布的均匀性，因此最终获得的砂型强度较弱，为了满足铸造工艺对砂型强度的要求，需要增加粘结剂的用量，这进一步提高了发气量，降低了高温溃散性能。

(2)打印完成后，需将成形件转移至热干燥箱或微波干燥箱内进行烧结或微波固化等后处理，由于未经后处理固化的成形零件初强度低，因此在转移过程中容易变形或损坏，同时需要经历后期烧结或微波加热等后处理造成加工工艺繁琐，提高时间及设备成本。

(3)将钠水玻璃与聚乙烯醇等配成液体粘接剂由供给系统给打印喷头供给，由于粘接剂稳定性差且具有强碱性，可能会对喷头造成阻塞或腐蚀喷头，影响工艺稳定性，降低喷头使用寿命，从而提高了设备成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于三维喷印的铸造砂型及其成形方法，其目的在于，在三维喷印成形铸造砂型时，在喷头内放入液体粘接剂，在粉缸内放入无机覆膜砂，解决了水玻璃粘接剂容易腐蚀喷头，水玻璃砂混合不均匀导致强度较差，后期需要烧结或微波固化等后处理导致加工工序繁琐的问题，并降低了铸型发气量，减少了铸件中气孔等缺陷产生的倾向。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种基于三维喷印的铸造砂型成形方法，包括如下步骤：

S1在去离子水中加入硬化酯得到液体粘接剂；

S2将液态水玻璃和原砂混合，使水玻璃均匀覆盖在原砂表面，得到湿态砂，进而对该湿态砂进行干燥、破碎、筛分，得到无机覆膜砂；

S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，采用三维喷印方法按预设成形轨迹完成铸造砂型成形。

作为进一步优选的，所述S1中，在去离子水中还加入助挥发剂和粘接剂改性剂，且按质量份数计，液体粘接剂中各组分比例为：50％～94.9％的去离子水，0.5％～4.9％的硬化酯，0％～49.5％的助挥发剂，0％～4.9％的粘接剂改性剂。

作为进一步优选的，所述S2中，将液态水玻璃和原砂混合时，在其中加入改性剂，且按质量份数计，湿态砂中各组分比例为：1％～9.9％的液态水玻璃，0％～4.9％的改性剂，其余为原砂。

作为进一步优选的，所述硬化酯为双醋酯和三乙酸甘油酯中的一种或两种，或乙二醇和二乙二醇乙酸酯类硬化酯中的一种或两种。

作为进一步优选的，所述助挥发剂为酒精、丙酮或甲醇，所述粘接剂改性剂为甘油或聚乙二醇。

作为进一步优选的，所述液态水玻璃为模数为1.5～3的速溶钠水玻璃或速溶钾水玻璃，所述原砂为目数为20～300的石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂。

作为进一步优选的，所述改性剂为增稠剂、表面改性剂或抗吸湿剂。

作为进一步优选的，所述S2中，通过对湿态砂加热或通入液氮使其干燥，若加热，加热温度为100℃～140℃，时长为10min～240min；若通入液氮，通入的液氮与湿态砂中原砂的质量比为0.4～1.5。

作为进一步优选的，所述S3中，进行三维喷印逐层成形时，每层厚度为0.1mm～0.5mm，喷墨量为1％～100％。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于三维喷印的铸造砂型，其采用上述方法成形得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供了一种不易腐蚀喷头的高强度低发气量无需加热或微波固化等后处理的三维喷印成形铸型的制造方法，通过在喷头内放入液体粘接剂，在粉缸内放入无机覆膜砂，解决了三维喷印成形砂型时，水玻璃粘接剂容易腐蚀喷头，水玻璃砂混合不均匀导致强度较差，后期需要烧结或微波固化等后处理导致加工工序繁琐的问题。

2.本发明所用液体粘接剂为水基粘接剂，其性质稳定，酸碱值适中，不易变质堵塞喷头，不易腐蚀降低喷头使用寿命，从而提高了喷印过程的工艺稳定性，有利于降低设备的使用成本。

3.本发明在水基粘接剂中加入了能使水玻璃脱水硬化的硬化酯，在打印过程中及打印结束后，硬化酯与水玻璃发生失水反应，使水玻璃失水硬化最终获得砂型(芯)而无需后期砂型的转移、加热或微波固化等后处理，从而保证了零件初坯的完整性，同时简化了工艺流程，节省了加工时间。

4.本发明采用的水玻璃为无机粘接剂材料，可使铸型发气量降低，有利于减少铸件中气孔等缺陷倾向的产生；同时将水玻璃覆膜在砂粒表面，保证了水玻璃分布的均匀性，因此提高了沙粒之间粘接桥分布的均匀性，进一步提高了砂型(芯)的强度，并进一步控制了水玻璃及各改性剂的使用量，从而保证了各粘接桥性能的均匀性。

附图说明

图1是本发明实施例基于三维喷印的铸造砂型成形方法流程图；

图2是本发明实施例基于三维喷印的铸造砂型成形工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于三维喷印的铸造砂型成形方法，如图1和图2所示，具体包括如下步骤：

S1制备液体粘接剂：按质量份数计，采用50％～94.9％的去离子水作为粘接剂溶剂，添加0.5％～4.9％的硬化酯，添加0％～49.5％的助挥发剂以提高粘接剂的干燥速度，添加0％～4.9％的粘接剂改性剂以进行粘接剂改性，得到的混合溶液即为液体粘接剂；

具体的，所述硬化酯为双醋酯和三乙酸甘油酯中的一种或两种，或乙二醇和二乙二醇乙酸酯类硬化酯中的一种或两种；所述助挥发剂为酒精、丙酮或甲醇；所述粘接剂改性剂为甘油或聚乙二醇。

S2制备无机覆膜砂，包括如下步骤：

S21按质量份数计，将1％～9.9％的液态水玻璃，0％～4.9％的改性剂，其余为原砂，一起加入混砂机，在室温条件下混合，使水玻璃均匀覆盖在原砂表面，得到湿态砂；具体的，混砂机采用辗轮式混砂机或叶片式混砂机或摆轮式混砂机；

S22采用加热或通入液氮的方法使湿态砂干燥，得到大块状固态覆膜砂；优选的，若加热，加热温度为100℃～140℃，时长为10min～240min；若通入液氮，通入的液氮与湿态砂中原砂的质量比为0.4～1.5。

S23通过破碎机对大块状固态覆膜砂进行破碎，然后进行筛分，得到颗粒分散的无机覆膜砂，其粒径分布在20～300目；优选的，进行破碎时保持温度在50℃以下或在持续通入液氮的条件下进行；

具体的，所述液态水玻璃为模数为1.5～3的速溶钠水玻璃或速溶钾水玻璃，所述原砂为目数为20～300的石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂，所述改性剂为增稠剂(聚乙烯醇，聚丙烯酰胺或聚醚类)、(聚丙烯酰胺、聚醚、聚胺基聚醚、硬脂酸钠或表面活性剂)或抗吸湿剂(超细镁砂粉)。

S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，开启三维喷印设备，采用三维喷印方法按预设成形轨迹逐层成形，成形完成后待其固化后即完成铸造砂型的制造；

具体的，在打印过程中，液体粘接剂中的有机酯在碱性环境下发生水解，生成有机酸和醇，其中，有机酸与水玻璃中的钠离子反应，生成钠盐，并析出聚硅酸，同时醇吸收水玻璃中水分，在两者同时作用下，水玻璃的粘度与模数不断增大，使型、芯砂硬化，整体反应式如下：

优选的，进行三维喷印逐层成形时，每层厚度为0.1mm～0.5mm，喷墨量为1％～100％。

以下为具体实施例：

实施例1

一种三维喷印成形铸造砂型方法，包括以下步骤：

S1制备液体粘接剂：按质量份数计，采用90份去离子水，向去离子水中添加0.5份三乙酸甘油酯和2份双醋酯，添加7.5份酒精，得到的混合溶液即为液体粘接剂；

S2制备无机覆膜砂：按质量份数计，将91份的宝珠砂，8份模数为2.2的钠水玻璃及1份的硬脂酸钠加至辗轮式混砂机，在室温条件下混合均匀得到湿态砂；将混制均匀的湿态砂在100℃加热4min使湿态砂固化，得到大块状固态覆膜砂；将大块固态覆膜砂在温度冷却至50℃以下时通过破碎机破碎，并冷却至室温后筛分，得到粒径为70～140目颗粒分散的覆膜砂；

S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，开启三维喷印设备设置层厚0.2mm，喷墨量50％，进行3DP成形；在打印过程中，粘接剂中的有机酯与水玻璃发生化学反应硬化，打印完成静置8h，待打印零件完全固化后即完成铸造砂型的制造。

实施例2

一种三维喷印成形铸造砂型方法，包括以下步骤：

S1制备液体粘接剂：按质量份数计，采用80份去离子水，向去离子水中添加2份三乙酸甘油酯及2份双醋酯，添加8份酒精，添加8份聚乙二醇，得到的混合溶液即为液体粘接剂；

S2制备无机覆膜砂：按质量份数计，将94份的锆砂，4份模数为2.4的钾水玻璃及2份超细镁砂粉加至摆轮式混砂机，在室温条件下混合均匀得到湿态砂；向混制均匀的湿态砂通入与原砂质量比为0.4的液氮使湿态砂冷冻固化，得到大块状固态覆膜砂；将大块固态覆膜砂在持续通入液氮的情况下通过破碎机破碎，然后进行筛分，得到粒径为140～200目颗粒分散的覆膜砂；

S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，开启三维喷印设备设置层厚0.1mm，喷墨量10％，进行3DP成形；在打印过程中，粘接剂中的有机酯与水玻璃发生化学反应硬化，打印完成静置10h，待打印零件完全固化后即完成铸造砂型的制造。

实施例3

一种三维喷印成形铸造砂型方法，包括以下步骤：

S1制备液体粘接剂：按质量份数计，采用70份去离子水，向去离子水中添加3份三乙酸甘油酯及1.5份双醋酯，添加20.5份酒精，添加5份聚乙二醇，得到的混合溶液即为液体粘接剂；

S2制备无机覆膜砂：按质量份数计，将95份的石英砂，4份模数为2.6的钠水玻璃及0.5份聚乙烯醇、0.5份聚丙烯酰胺加至辗轮式混砂机，在室温条件下混合均匀得到湿态砂；将混制均匀的湿态砂在140℃加热10min使湿态砂固化，得到大块状固态覆膜砂；将大块固态覆膜砂在温度冷却至50℃以下时通过破碎机破碎，并冷却至室温后筛分，得到粒径为20～70目颗粒分散的覆膜砂；

S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，开启三维喷印设备设置层厚0.5mm，喷墨量100％，进行3DP成形；在打印过程中，粘接剂中的有机酯与水玻璃发生化学反应硬化，打印完成静置12h，待打印零件完全固化后即完成铸造砂型的制造。

实施例4

一种三维喷印成形铸造砂型方法，包括以下步骤：

S1制备液体粘接剂：按质量份数计，采用50份去离子水，向去离子水中添加5份三乙酸甘油酯及5份双醋酯，添加30份酒精，添加10份聚乙二醇，得到的混合溶液即为液体粘接剂；

S2制备无机覆膜砂：按质量份数计，将90份的莫来石砂，8份模数为3的钠水玻璃及1份聚丙烯酰胺、0.5份聚醚、0.5份超细镁砂粉加至叶片式搅拌机，在室温条件下混合均匀得到湿态砂；向混制均匀的湿态砂通入与原砂质量比为1.5的液氮使湿态砂冷冻固化，得到大块状固态覆膜砂；将大块固态覆膜砂在持续通入液氮的情况下通过破碎机破碎，然后进行筛分，得到粒径为70～140目颗粒分散的覆膜砂；

S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，开启三维喷印设备设置层厚0.5mm，喷墨量100％，进行3DP成形；在打印过程中，粘接剂中的有机酯与水玻璃发生化学反应硬化，打印完成静置10h，待打印零件完全固化后即完成铸造砂型的制造。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1在去离子水中加入硬化酯得到液体粘接剂；

S2将液态水玻璃和原砂混合，使水玻璃均匀覆盖在原砂表面，得到湿态砂，进而对该湿态砂进行干燥、破碎、筛分，得到无机覆膜砂；

S3将所述液体粘接剂放入三维喷印设备的喷头内，将所述无机覆膜砂放入三维喷印设备的粉缸内，采用三维喷印方法按预设成形轨迹完成铸造砂型成形。

2.如权利要求1所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述S1中，在去离子水中还加入助挥发剂和粘接剂改性剂，且按质量份数计，液体粘接剂中各组分比例为：50％～94.9％的去离子水，0.5％～4.9％的硬化酯，0％～49.5％的助挥发剂，0％～4.9％的粘接剂改性剂。

3.如权利要求1所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述S2中，将液态水玻璃和原砂混合时，在其中加入改性剂，且按质量份数计，湿态砂中各组分比例为：1％～9.9％的液态水玻璃，0％～4.9％的改性剂，其余为原砂。

4.如权利要求1所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述硬化酯为双醋酯和三乙酸甘油酯中的一种或两种，或乙二醇和二乙二醇乙酸酯类硬化酯中的一种或两种。

5.如权利要求2所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述助挥发剂为酒精、丙酮或甲醇，所述粘接剂改性剂为甘油或聚乙二醇。

6.如权利要求1所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述液态水玻璃为模数为1.5～3的速溶钠水玻璃或速溶钾水玻璃，所述原砂为目数为20～300的石英砂、宝珠砂、莫来石砂或锆砂。

7.如权利要求3所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述改性剂为增稠剂、表面改性剂或抗吸湿剂。

8.如权利要求1所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述S2中，通过对湿态砂加热或通入液氮使其干燥，若加热，加热温度为100℃～140℃，时长为10min～240min；若通入液氮，通入的液氮与湿态砂中原砂的质量比为0.4～1.5。

9.如权利要求1-8任一项所述的基于三维喷印的铸造砂型成形方法，其特征在于，所述S3中，进行三维喷印逐层成形时，每层厚度为0.1mm～0.5mm，喷墨量为1％～100％。

10.一种基于三维喷印的铸造砂型，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述方法成形得到。

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