CN113102688A - 一种改善3d打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法。所述方法包括在光敏树脂模表面包覆低温蜡以形成均匀蜡层，所述低温蜡为石蜡和硬脂酸的混合物；其中，石蜡含量为80~95wt%，硬脂酸含量为5~20wt%。通过在光敏树脂膜表面包覆均匀蜡层，在高温蒸汽下蜡层处于熔融状态，熔融后的蜡液可以流出模壳或被多孔结构的模壳吸收，从而在光敏树脂模和模壳之间留下间隙，该间隙为光敏树脂模的热膨胀提供缓冲空间，从而减轻对模壳的压力，如此得以改善光敏树脂膜在脱蜡过程中的胀壳问题。

Description

一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法

技术领域

本发明属于熔模铸造领域，具体涉及一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法。

背景技术

3D打印也称为快速打印成型(Rapid Prototyping，RP)，是根据增材制造原理实现任意形状零件快速制造的技术。3D打印的快速发展为传统工业生产提供了新思路。将3D打印与传统工业相结合，能有效提高传统工业的生产效率，降低生产时的材料损耗，从而节约生产成本，创造更大的经济效益。SLA成型，也称为光固化立体成型(stereolithographAppearance)，其作为3D打印的一种，是以光敏树脂为原料，在特定波长的紫外光照射下由液态变成固态，由点到线、由线到面逐渐固化成型。SLA成型产品的表面光洁度高、精度高，但强度、韧性等力学性能较差，这限制了SLA成型在工业中的应用。

熔模铸造又称失蜡铸造，在孕育人类文明、推动社会进步、人类认识自然以及改造自然的历史进程中发挥了巨大的基础性作用。熔模铸造的历史可以追溯到四千多年以前，其中埃及、中国和印度是最早的起源国家。现代熔模精密铸造技术在工业生产中的实际应用是在20世纪40年代从美国用其制造航空发动机叶片开始的。当时航空喷气发动机的发展，对制造叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂、尺寸精确以及表面光洁的耐热合金构件提出要求。然而耐热合金材料很难机械加工，这导致形状复杂的构件不能或难以用机械加工的方法制造，需要寻找一种新的精密成型方法。于是经过对材料和工艺的一系列改进，并借鉴古代流传下来的失蜡精密铸造，熔模精密铸造在古代工艺的基础上获得重要的发展。熔模铸造同时在汽车、机床、船舶、内燃机、汽轮机、电信仪器、武器、医疗器械、工艺美术品以及刀具等行业中发挥着巨大作用。

然而，3D打印光敏树脂模在传统熔模铸造的脱蜡工艺中，在脱蜡釜进行脱蜡的光敏树脂模的热膨胀系数比模壳材料的热膨胀系数大几个数量级，同时在脱蜡环境下模壳材料中起粘结作用的硅溶胶基本没有强度或者强度很低，从而导致光敏树脂模胀壳，这种现象非常不利于光敏树脂模在熔模铸造中的应用。目前现行技术方案通过改善光敏树脂模打印结构来解决这一难题，例如将光敏树脂模设计为具有薄壁且内部镂空带少许支撑的打印件。这一方法虽然能解决结构简单、形体较小的光敏树脂模的胀壳问题，但是却不适用于结构复杂的光敏树脂模型。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法。所述方法包括在光敏树脂模表面包覆低温蜡以形成均匀蜡层。该光敏树脂模也可以称为光固化树脂模。通过在光敏树脂膜表面包覆均匀蜡层，在高温蒸汽下蜡层处于熔融状态，熔融后的蜡液可以流出模壳或被多孔结构的模壳吸收，从而在光敏树脂模和模壳之间留下间隙，该间隙为光敏树脂模的热膨胀提供缓冲空间，从而减轻对模壳的压力，如此得以改善光敏树脂膜在脱蜡过程中的胀壳问题。所述方法可用于脱蜡釜的脱蜡工序。

较佳地，所述低温蜡的熔点为55-60℃。在本发明的技术方案中，低温蜡的作用是在脱蜡釜脱蜡的工艺过程中为光敏树脂模与型壳之间提供一个缓冲带，通过蜡的熔融及蜡向型壳内部的渗透，使膨胀系数不匹配的光敏树脂模和型壳在脱蜡过程中能达到不胀壳的效果。基于此，本发明无需蜡提供高强度或者其他性能，而是利用蜡在脱蜡釜中会熔融这一特性，更是考虑到光敏树脂模在浸蜡的过程中，采用熔点低的低温蜡组合可以尽量降低光敏树脂模的受热膨胀或变形，在较低的温度下实现包裹蜡。如果使用中温蜡制备该蜡层，例如蜡的熔点在120℃以上，则可能导致光敏树脂模变形。

较佳地，所述蜡层的厚度为0.05-0.20mm。结合光敏树脂模的热膨胀系数以及光敏树脂模的壁厚，这一蜡层厚度能给光敏树脂模在脱蜡工艺过程中提供足够的膨胀变形空间。

所述低温蜡优选为石蜡和硬脂酸的混合物。本发明使用石蜡和硬脂酸作为包覆蜡的原料可以控制原料价格降低成本。而且，石蜡可以提供强度减少裂纹，硬脂酸可以提高蜡料的热稳定性及表面硬度，同时降低蜡料的粘度。通过调控石蜡和硬脂酸这两种蜡料的比例，以及包覆时的蜡液温度，可以有效调整包覆蜡工艺中包覆蜡层的厚度。

在所述低温蜡中，石蜡的含量为80～95wt％，硬脂酸的含量为5～20wt％。这一配方以石蜡作为蜡料主体，添加硬脂酸的含量不高于20％，如此可以有效降低低温蜡的熔融温度。另外，硬脂酸的熔融温度在67～72℃之间，如果硬脂酸的添加量太多，将会提高蜡料整体的熔融温度。通过控制石蜡和硬脂酸的比例，能够起到调节蜡液粘度的效果，结合浸蜡工艺，使包裹的蜡层有不同的可控厚度。

较佳地，所述改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法包括以下步骤：

步骤一：将低温蜡加热熔融形成蜡液；

步骤二：将光敏树脂模预热至35～40℃并保温10～15分钟；

步骤三：将预热后的光敏树脂模完全浸入蜡液并使蜡液均匀包覆在光敏树脂模表面；

步骤四：将光敏树脂模从蜡液中取出，光敏树脂膜表面的蜡液冷却固化从而在光敏树脂模表面形成蜡层。

较佳地，步骤一中将低温蜡加热至65～70℃使其熔融。在该温度范围内，低温蜡开始可以较快熔融，又不至于温度过高，影响后续的工艺过程。

较佳地，步骤三中预热后的光敏树脂膜浸入蜡液的保持时间为3～9秒。由于光敏树脂和蜡同为有机物，因此两者的表面能较为接近，这使得光敏树脂模在浸蜡过程中，光敏树脂模容易被蜡液浸润，因此在较短的时间内即可在光敏树脂模表面形成蜡层。这同样也可以避免由于光敏树脂模在蜡液中的长时间停留而导致的光敏树脂模微变形。

较佳地，步骤一熔融形成的蜡液恒温保持于60～65℃。将低温蜡在65-70℃熔融可以加快熔融速度。完全熔融后，将蜡液的温度降低5℃左右，即将蜡液保存在60-65℃的环境中，以保证蜡液为液态，使其具有良好的流动性和粘度，阻止蜡液温度过高使得光敏树脂模受热发生软化，减少光敏树脂模变形影响光敏树脂模的尺寸精度。控制该温度还可以调整包裹蜡层的厚度。

较佳地，光敏树脂模从蜡液中取出后放入0-10℃的水中以使得光敏树脂模表面包覆的蜡液冷却固化。

具体实施方式

通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

以下将结合本发明的的方法示例性说明其用于光敏树脂模和熔模铸造一体化时以改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的技术方案。

根据铸件的形状采用3D软件设计模具的形状和尺寸。

采用光敏树脂材料通过激光快速成型打印光敏树脂模。所述光敏树脂材料的组成和来源不授限制，采用本领域常用的光敏树脂材料即可。所述光敏树脂材料包括但不限于为自由基型光敏树脂、阳离子型光敏树脂、混杂型光敏树脂中的一种或多种。一些实施方式中，所述光敏树脂材料在50-180℃的热膨胀系数可为4.4×10^-3-2.69×10^-2。

对光敏树脂模进行蜡层包覆处理。具体地，将低温蜡加热使其熔融形成蜡液。将光敏树脂模预热并保温。将预热后的光敏树脂模完全浸入于蜡液中使蜡液均匀包覆在光敏树脂模的表面。通过预热使得光敏树脂模和蜡液之间的温差减小，避免由于光敏树脂模和蜡液之间的温度差别过大，光敏树脂模变形。将包覆蜡液的光敏树脂模从蜡液中取出，通过冷却使蜡液均匀固化并在光敏树脂模表面形成蜡层。在此说明的是，低温蜡种类多、价格低廉，然而缺点是强度和表面硬度较低，收缩率较大，生产的铸件精度低、表面质量不佳。所以在对精度要求高、铸件表面粗糙度有要求的精密熔融铸造中，蜡膜多采用中温蜡以获得符合铸造要求的铸件。本发明是采用熔点低的低温蜡组合，可以尽量降低光敏树脂模在浸蜡的过程中的受热膨胀或变形，在较低的温度下实现包裹蜡。中温蜡的熔点通常在120℃以上，可能导致光敏树脂模变形，因而中温蜡不适用于本发明的技术方案。

上述低温蜡包括80～95wt％的石蜡和20～5wt％的硬脂酸。其中，所述石蜡包括但不局限于52°石蜡、54°石蜡、56°石蜡、58°石蜡等，优选为58°石蜡。

对蜡层包覆处理后的光敏树脂模制壳。例如在蜡层包覆后的光敏树脂模表面制备硅溶胶模壳。一些实施方式中，在蜡层包覆后的光敏树脂模表面涂挂硅溶胶浆料，待浆料冷却后形成硅溶胶模壳。所述硅溶胶浆料的来源不受限制，采用本领域常用的硅溶胶浆料即可。模壳的厚度也按照常规生产工艺制作即可。

脱蜡处理。所述脱蜡的方式可为蒸汽脱蜡。将模壳放置在脱蜡釜中进行脱蜡获得光敏树脂模型型壳。一些实施方式中，脱蜡的工艺参数可为：160-190℃，蒸汽压力在0.8-1.0MPa，脱蜡时间为6-10分钟。

本发明通过在光敏树脂模表面包覆低温蜡以形成均匀蜡层，在硅溶胶模壳和光敏树脂材料之间增设的蜡层在脱蜡过程中蜡层迅速熔化，从浇口杯和排蜡口排出，留下的空隙可以缓解光敏树脂模在这一过程中产生的热膨胀和热分解形成的应力，从而使模壳结构完整不胀壳，避免了精密铸造中因胀壳制壳失败而降低成品率。

对光敏树脂模型型壳进行焙烧。

模壳清洗和烘干。将模壳放入烘干炉内烘干，烘干温度180-200℃，保温2-6h，随炉冷却至室温出炉。

向型壳内腔中浇注铸造液从而得到铸件。

在传统的熔模铸造工艺中，首先要根据蜡模的形状设计并制作相应的铝质模具，并使用专用压蜡机对铝质模具进行充型才能得到蜡模，这一过程涉及到开模、压蜡、组装、合模及修模等过程，全流程动辄耗时一个多月，生产效率较低。本发明所述方法能够促进SLA打印技术与熔模铸造技术的高效结合，用SLA技术的3D打印光敏树脂模代替熔模铸造中的蜡模，能够利用SLA打印技术打印不同复杂程度的光敏树脂模，可以直接跳过熔模铸造中开模和压蜡这两个工序，只需要短短的几个小时到几天即可完成，大大的提高了熔模铸造的生产效率，缩短生产周期。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法，包括：

配置低温蜡：将80wt％的石蜡和20wt％的硬脂酸于70℃熔化得到蜡液并将其恒温控制在65℃；

光敏树脂模预热：将光敏树脂模预热到40℃，然后保温10分钟左右；

包覆低温蜡：将预热好的光敏树脂模完全浸入到蜡液中，使蜡液均匀包覆到光敏树脂模的表面，浸蜡时间控制在3秒；

低温控蜡：将包覆蜡液的光敏树脂模迅速从蜡液中取出，快速放入低温冷水中，使蜡液均匀固化在光敏树脂模表面。

经过试验发现采用这一方法能有效的解决光敏树脂模在脱蜡釜中的胀壳问题。

实施例2

一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法，包括：

配置低温蜡：将85wt％的石蜡和15wt％的硬脂酸于68℃熔化得到蜡液并将其恒温控制在65℃；

光敏树脂模预热：将光敏树脂模预热到38℃，然后保温10分钟左右；

包覆低温蜡：将预热好的光敏树脂模完全浸入到蜡液中，使蜡液均匀包覆到光敏树脂模的表面，浸蜡时间控制在5秒；

低温控蜡：将包覆蜡液的光敏树脂模迅速从混合蜡液中取出，快速放入低温冷水中，使蜡液均匀固化在光敏树脂模表面。

实施例3

一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法，包括：

配置低温蜡：将90wt％的石蜡和10wt％的硬脂酸于66℃熔化得到蜡液并将其恒温控制在60℃；

光敏树脂模预热：将光敏树脂模预热到35℃，然后保温15分钟左右；

包覆低温蜡：将预热好的光敏树脂模完全浸入到蜡液中，使蜡液均匀包覆到光敏树脂模的表面，浸蜡时间控制在7秒；

低温控蜡：将包覆蜡液的光敏树脂模迅速从混合蜡液中取出，快速放入低温冷水中，使蜡液均匀固化在光敏树脂模表面。

实施例4

一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法，包括：

配置低温蜡：将95wt％的石蜡和5wt％的硬脂酸于65℃熔化得到蜡液并将其恒温控制在60℃；

光敏树脂模预热：将光敏树脂模预热到35℃，然后保温15分钟左右；

包覆低温蜡：将预热好的光敏树脂模完全浸入到蜡液中，使蜡液均匀包覆到光敏树脂模的表面，浸蜡时间控制在9秒；

低温控蜡：将包覆蜡液的光敏树脂模迅速从混合蜡液中取出，快速放入低温冷水中，使蜡液均匀固化在光敏树脂模表面。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种改善3D打印光敏树脂模在熔模铸造中胀壳的方法，其特征在于，所述方法包括在光敏树脂模表面包覆低温蜡以形成均匀蜡层，所述低温蜡为石蜡和硬脂酸的混合物；其中，石蜡含量为80~95wt%，硬脂酸含量为5~20wt%。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述蜡层的厚度为0.05-0.2mm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述低温蜡的熔点为55-60℃。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：将低温蜡加热熔融形成蜡液；

步骤二：将光敏树脂模预热至35~40℃并保温10~15分钟；

步骤三：将预热后的光敏树脂模完全浸入蜡液并使蜡液均匀包覆在光敏树脂模表面；

步骤四：将光敏树脂模从蜡液中取出，光敏树脂膜表面的蜡液冷却固化从而在光敏树脂模表面形成蜡层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤一中将低温蜡加热至65~70℃使其熔融。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，步骤三中预热后的光敏树脂膜浸入蜡液的保持时间为3~9秒。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤一熔融形成的蜡液恒温保持于60~65℃。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，光敏树脂模从蜡液中取出后放入0-10℃的水中以使得光敏树脂模表面包覆的蜡液冷却固化。