CN112427604A - 一种用于的水溶性盐芯模具的3dp打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,经水溶性金属盐、固化剂、氧化物纤维和晶须按一定比例混合、烘干、筛分,打印时压电陶瓷喷头将水基溶液粘结剂喷射在粉层表面,粘结剂渗透进入粉层并与固化剂发生固化反应,形成牢固的粘结力。将粉末材料粘结成型,最终制成高质量的盐芯模具型胚。本发明3DP打印方法较传统工艺,成型效率高,周期短,成本低廉,善于制造复杂结构,所制成的模具型芯易清理,清理效率极高。

Description

一种用于的水溶性盐芯模具的3DP打印方法
技术领域
本发明涉及一种水溶性盐芯模具的制造方法,特别是一种3DP打印方法,属于增材制造成型领域。
背景技术:
水溶性盐芯的出现已经有几十年的历史了,但由于其技术及工艺复杂,造芯难度高,制造周期长等原因,使得该技术的应用受到了限制。但它有其独特的优势,就是对于那些难以用机械方法清理的铸型,可以用液体介质冲洗或授泡铸件,即可很容易地将型芯清理出来,清理效率非常高。
由于水溶性盐芯在水中即可溶解,因而它比非水溶性芯的发展更具优势。目前的造芯工艺基本采用熔融浇注或压制烧结方式进行制造,不但需要提前制作模具,步骤繁琐,而且成功率低。本发明采用3DP技术与铸造技术的结合,完美的避过模具制造过程,缩短了盐芯的制造周期。并采用新型粘结技术,提高了金属盐的粘结强度,制作精细,成本低,成功率高。对水溶性盐芯技术的广泛应用起到巨大的推进作用。
发明内容
本发明所解决的问题是针对水溶性盐芯造芯困难,成功率低,制作周期长等缺点,提出一种三维微滴喷射打印成型方法,选择特殊的粘结剂材料与特制的金属盐粉末相结合,利用三维微滴喷射打印技术,快速成型一种水溶性盐芯模具。
为解决上述问题,本发明的技术方案是一种快速增材盐芯3DP打印方法,其步骤是: (1)取多异氰酸酯溶解于丙酮中得到固化剂有机溶液,与水溶性金属盐粉末均匀混合,加入氧化物纤维、晶须、表面活性剂与填料再次混合,在烘箱中烘干,粉碎球磨后筛分得到金属盐粉末;(2)取聚乙烯醇和去离子温水混合得到粘结剂;(3)将步骤(1)中的金属盐粉末铺成薄层,将步骤(2)中粘结剂保持一定恒温并通过压电陶瓷喷头根据切片图形喷射于粉末层面,使金属盐粉末中的固化剂与粘结剂发生固化反应;使金属盐粉末粘结在一起,在一定低温下迅速成型;然后依次逐层打印,最终得到一个初始盐芯模具型胚;将步骤(3)形成的初始盐芯模具型胚放入箱式焙烧炉内,使之均匀受热,焙烧一定温度及时间后,取出保温待用。
步骤(1)中所述的多异氰酸酯包括:二苯基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯等其用量为金属盐粉末质量的0.3~2%;所述的水溶性金属盐粉末包括:水溶型碳酸盐体系、水溶型硫酸盐体系与水溶型硅酸盐体系,其目数为80-200目;所述的氧化物纤维为Al2O3纤维,其用量为金属盐粉末质量的4-8%;所述的晶须为硼酸铝晶须,其用量为金属盐粉末质量的4-8%;所述的表面活性剂为脂肪酸皂化物、磷酸酯盐或烷基磺酸盐,其用量为金属粉末质量的0.3-0.5%;所述填料为淀粉,其用量为金属粉末质量的0.1-0.3%。
步骤(2)中,所述聚乙烯醇和去离子温水的混合质量比为1∶10~40;所述去离子温水的温度为50-80℃。
步骤(3)中,所述的粘结剂恒温为50-80℃;所述的粉层厚度为0.05-0.3mm;所述的成型低温为20-50℃。
步骤(4)中,所述的焙烧温度600-650℃,焙烧时间根据模具大小一般为3~4h,再经4~5h缓慢冷却至80-100℃,取出保温100±10℃待用。
本发明中,金属盐粉末作为成型的主体材料,成型中所述的粘结由聚乙烯醇水基溶液提供,多异氰酸酯作为固化剂,与聚乙烯醇发生固化反应,氧化物纤维与晶须用于提高盐芯的强度,并消除缺陷,表面活性剂对聚乙烯醇有乳化作用,催化固化反应的发生,淀粉填料增加粘结力,用于提高其粘结强度,并促进固化反应。
进一步地,去离子温水能够更好的稀释聚乙烯醇,避免出现未溶解或絮状物,防止堵塞喷头。
进一步地,打印盐芯模具型胚时,层厚优选设置为0.1mm,一方面层厚过小易造成成型困难,另一方面层厚过大,易造成粘结力不够,强度过低,易松散。
进一步地,打印成型时,需调节工艺,喷头所喷射的液滴为纳米级,对金属盐粉末表面有微溶效果,同时,对分层表面提供一定温度,一般为30-50℃,促进微滴接触粉层后迅速挥发,使金属盐粉末不会因液滴熔化造成凹痕或变形,且能够使微滴挥发后残留的聚乙烯醇分子能够迅速与固化剂反应粘结。
进一步地,初始盐芯模具型胚放入箱式焙烧炉前,需放入玻璃珠填充,型胚需完全埋入玻璃珠中,使型胚能够均匀收热,防止塌陷及变形,玻璃珠直径为0.1mm。
进一步地,焙烧温度600-650℃,焙烧时间3~4h,再经4~5h缓慢冷却至80-100℃,取出保温100±10℃待用。
本发明3DP打印的原理是:在金属盐粉末中均匀混入多异氰酸酯有机溶液,溶液干燥后,固化剂均匀附在金属盐粉末表面,打印时喷头将聚乙烯醇粘结剂沉积在粉层表面,并迅速渗入粉层中溶解,同时与固化剂反应,形成初始盐芯模具型胚,再通过焙烧炉二次固化,以增加其强度。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明专利作进一步描述。
图1为本发明3DP打印方法的打印装置图。
图中标号说明:
1-落料斗、2-铺粉小车、3-铺粉平台、4-成型缸、5-导杆、6-加热灯、7-活塞、8-喷头、9-集料箱。
具体实施方式
实施例1:一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其工艺步骤如下:
(1)取硅酸钠粉末5000克,二苯基甲烷二异氰酸酯15克溶于500克丙酮中,将二苯基甲烷二异氰酸酯有机溶剂均匀混入5000克硅酸钠中,加入Al2O3纤维30克,硼酸铝晶须40克,脂肪酸皂化物1.5克,淀粉1.5克,再次混合均匀,然后风干、破碎球磨、筛分,成120目粉末。
(2)取聚乙烯醇30克,缓慢混入300毫升,75℃去离子温水中,边混边搅拌均匀。
(3)如图1所示,将处理好的硅酸钠粉末放入左侧落料斗1中,预铺粉;处理好的聚乙烯醇水基溶液输送至喷头8中,并保持恒温在50℃。
(4)将盐芯模具型胚的三维图,使用切片软件进行切片处理,得到切片文件,并导入到3DP打印设备中。
(5)设置层厚为0.1mm,加工温度为30℃,
(6)开始打印,成型缸4中的活塞7在导杆5的作用下,升到与铺粉平台3齐平,然后落料斗1中的粉末落到铺粉小车2中,由铺粉小车2将粉末平铺在铺粉平台3上,多余粉末刮至集料箱9中。喷头8在铺粉平台3按切片文件选择性将聚乙烯醇水基溶液微滴喷射在粉层上。使硅酸钠粉末中的固化成分与之发生固化反应,并使硅酸钠粉末微溶,同时在加热灯6的温度作用下,硅酸钠粉末迅速干燥粘结,然后在导杆5的作用下,活塞7下降一个层厚,继续循环铺粉、喷射打印的过程,直到初始盐芯模具型胚打印完成。
(7)将成型的初始盐芯模具型胚取出清理,买入玻璃珠中,然后放入焙烧炉中加热至600℃焙烧强化4h,停止加热并缓慢冷4h却至100℃,取出保温100℃待用。
(8)此型胚为盐芯模具的最终成型零件,可作为铸造模具使用。
本发明的好处是:
1、增加了一种新型加工水溶性盐芯的方式,去除了先期模具的制造,极大的缩短了研发周期及加工周期。
2、将盐芯制作的复杂工艺简单化,降低了人工及材料成本。
3、采用自动化成型方式,增加了盐芯制作的成功率,减少了不必要的成本浪费。
4、在性能上有了突破性进展,为扩大水溶性盐芯的使用范围,做出了巨大的贡献。

Claims (7)

1.一种用于水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)粉末材料制备:取多异氰酸酯溶解于丙酮中得到固化剂有机溶液,与水溶性金属盐粉末均匀混合,加入氧化物纤维、晶须、表面活性剂与填料再次混合,在烘箱中烘干,粉碎球磨后筛分得到金属盐粉末;(2)配制粘结剂:将聚乙烯醇和去离子温水混合得到粘结剂;(3)打印盐芯模具型胚:将步骤(1)中的金属盐粉末铺成薄层,将步骤(2)中粘结剂保持一定恒温并通过压电陶瓷喷头根据切片图形喷射于粉末层面,使金属盐粉末中的固化剂与粘结剂发生固化反应;使金属盐粉末粘结在一起,在一定低温下迅速成型;然后依次逐层打印,最终得到一个初始盐芯模具型胚;(4)高温焙烧:将步骤(3)形成的初始盐芯模具型胚放入箱式焙烧炉内,使之均匀受热,焙烧一定温度及时间后,取出保温待用。
2.根据权利要求1所述的一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其特征在于,步骤(1)中,所述的多异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯,其用量为金属盐粉末质量的0.3~2%;所述的金属盐粉末为水溶型碳酸盐体系、水溶型硫酸盐体系与水溶型硅酸盐体系,其目数为80-200目;所述的氧化物纤维为Al2O3纤维,其用量为金属盐粉末质量的4-8%;所述的晶须为硼酸铝晶须,其用量为金属盐粉末质量的4-8%;所述的表面活性剂为脂肪酸皂化物、磷酸酯盐或烷基磺酸盐,其用量为金属粉末质量的0.3-0.5%;所述填料为淀粉,其用量为金属粉末质量的0.1-0.3%。
3.根据权利要求2所述的一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其特征在于,步骤(1)中,所制成的金属盐粉末,是由水溶性金属盐粉末均匀混入固化剂,再混入氧化物纤维、晶须、表面活性剂与填料,经风干、粉碎球磨、筛分而成。
4.根据权利要求1所述的一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其特征在于,步骤(2)中,所述聚乙烯醇和去离子温水的混合质量比为1∶10~40;所述去离子温水的温度为50-80℃。
5.根据权利要求1所述的一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其特征在于,步骤(3)中,所述的粘结剂恒温为50-80℃;所述的粉层厚度为0.05-0.3mm;所述的成型低温为20-50℃。
6.根据权利要求1所述的一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其特征在于,步骤(3)中,所述的初始盐芯模具型胚放入箱式焙烧炉前应加入玻璃珠进行填充。
7.根据权利要求1所述的一种水溶性盐芯模具的3DP打印方法,其特征在于,步骤(4)中,所述的焙烧温度600-650℃,焙烧时间根据模具大小一般为3~4h,再经4~5h缓慢冷却至80-100℃,取出保温100±10℃待用。
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