CN113102691A - 一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法及装置，所述装置包括xy两轴移动机构、喷嘴机构、微波发射机构和升降工作台，喷嘴机构包括壳体、橡胶喷嘴、升降机构、凹凸导柱和梨形微锤头，壳体下端设置有橡胶喷嘴，空腔内设置有凹凸导柱，凹凸导柱下方设置有微锤头，微锤头设置在橡胶喷嘴内，凹凸导柱固定在升降机构上，升降机构用于通过带动凹凸导柱上下移动，使得空腔内的混合浆料由橡胶喷嘴流到升降工作台上，并通过带动凹凸导柱带动微锤头上下移动，对升降工作台上的混合浆料进行锤击，微波发射机构用于向升降工作台上的混合浆料发射微波，对混合浆料进行靶向固化。可实现直接挤出混砂料(免清理)、微锤击造型和微波靶向固化。

Description

一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种水玻璃砂绿色铸造领域，具体涉及一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法及装置。

背景技术

砂型三维打印技术是目前国际上成型工艺中备受关注的焦点。传统的砂型流程一般是：CAD设计→预处理→工装夹具制造→砂型制造→铸造，周期在4周甚至更长；而三维打印的流程是：CAD设计→预处理→砂型打印→铸造，最快的话5天就可以完成，交货期按“天”计算而不是按“周”，省去了大量昂贵、繁琐的中间环节，还可加工传统方法难以制造的零件材质，如梯度材质零件、多材质零件等，有利于新材料的设计。

传统砂型铸造零件的结构越复杂，砂型制作的难度也会越复杂，这时候只有通过精巧的设计才能在不互相干涉的情况下拼出来一个需要的型腔进行铸造，极度依赖工人的水平。三维砂型打印技术制造模具不再需要制作模样和芯盒，同时可以自动化、高精度地制造砂型，避免了组装带来的精度误差，砂型质量稳定，工艺周期被大大地缩短，降低了制造成本。

常见的砂型或砂芯主要采用了激光立体光刻、选择性激光烧结、微滴喷射等三维打印工艺，其中激光立体光刻主要用于陶瓷壳型和型芯的直接成形，选择性激光烧结成形基于有机树脂的覆膜砂壳型及型芯，微滴喷射可喷射树脂制备树脂砂型。微滴喷射的方案是一层一层堆叠砂子，再通过喷嘴按照零件截面的形状喷射树脂(例如冷成型呋喃树脂、酚醛树脂等)，就可以将砂子粘结在一起，通过反复的铺砂和选择性喷射粘结用树脂的操作，实现了极为复杂的几何结构的造型，是最有代表性的砂型三维打印方法。

微喷射粘结三维打印技术从成形陶瓷壳型开始，慢慢地扩展到了成形砂型。早在1990年，Sachs等人就首次采用微滴喷射技术喷射溶胶分层粘结氧化铝粉末，成功的制备氧化铝陶瓷壳型和型芯。Moon对微喷射粘结快速成形陶瓷的过程进行了研究，发现除了粘结剂溶液的粘度和表面张力外，粉末颗粒表面粗糙度和粉层孔隙尺寸对粘结剂在粉屋屮的渗透深度也有影响，当粘结剂渗透深度小于分层厚度时，则制件强度明显降低。Vaezi通过实验察了分层原度和粘结剂喷射量对制件的整性、力学性能、表面质量和尺寸精度的影响。美国Z Corp公司针对陶瓷壳型开发的工艺，该工艺使用的材料为公司自行研制的淀粉基粉末和石膏基粉末，工艺主要用于有色金属铸造；美国Soligen Technology公司开发的DSPC工艺，该工艺的粉末材料为陶瓷基粉末，粘结剂为硅溶胶，主要用于中小型陶瓷壳型的快速成形，成形的壳型不适用于饶注高温合金；德国Generis公司幵发的GS工艺主要用于砂型的快速制造，该工艺首先对粉层喷射粘结剂，然后经喷头选择性喷射催化剂固化型砂成形，这给后期清理带来较大的困难，且材料的回收利用率低。

国内方面，清华大学与北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司共同研发的工艺，该工艺主要用于大中型树脂砂型的快速成形，其喷射系统采用两个喷嘴，一个用于喷射呋喃树脂，另一个用于喷射固化剂，该工艺成形的砂型精度偏低，发气量大；佛山峰华卓立制造技术有限公司与清华大学合作研究的系列快速成形设备主要用于砂型的快速制造其基本工艺是采用气动式喷头按先后顺序喷射树脂粘结剂体系(普通商业呋喃树脂粘结剂和配套的酸性固化剂)，从而使硅砂粘结成形；李晓燕等人利用自行开发的微喷射粘结快速成形系统进行了石膏基粉末材料的成形试验，并分析了喷射参数和铺粉参数对制件组织和性能的影响。

宁夏共享模具公司自主研制了砂型打印机，这台机器是两个工作箱同时造型，单个工作箱的打印空间达到了2.2米×1.5米×0.7米，是目前世界上体积最大的砂型3D打印机，所开发的树脂打印头将喷嘴阵列化，单次打印的面积大，效率相应提高，通过优化供墨系统保证了打印的连续性，通过设置额外的调节拉伸装置，在打印头长期工作后进行方向的校准，保证了打印的精度；其铺砂器通过巧妙设置二次刮砂板、将下砂口改为2-8mm区间可调，砂料的粒度、酸耗值、微观形态等参数也进行了调整，并采用了自制的树脂固化剂。

华中科技大学的叶春生等人发明了一种水玻璃砂型快速成形方法，该方法探讨了使用微波作为固化方式的三维打印方法，该方法采用了粘结剂喷射和型砂铺设两个动作，粘结剂和型砂混合不均匀，固化中也没有对型砂进行致密化处理，成形后还需要清除没有粘结剂的支撑砂；特别是该发明中将微波加热装置置于工作台正上方，当其下降到工作台表面时开启微波，这种没有采用防护罩的微波设计方法存在泄露的危害，而且微波能量源过于靠近工作台，也存在相互碰撞而损坏精密产生微波能量源设备的可能，微波能量没有引导而往四面八方同步辐射，会大大降低微波效率。

纵观国内外砂型三维打印的研究现状，可以发现，主要集中于成形基于呋喃、酚醛等的树脂砂或者树脂覆膜砂，极少量采用了水玻璃砂，使用的树脂粘结剂往往毒性很大；为了进一步提高强度，树脂砂使用量非常大；造型完毕后往往还需要后期清理工艺，以便清除砂箱中没有固化的余砂。可实现直接挤出混砂料(免清理)、微锤击造型再使用定向微波导线固化的水玻璃砂三维打印工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述问题，提供一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法及装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化装置，包括xy两轴移动机构、喷嘴机构、微波发射机构、升降工作台，升降工作台上方设置有喷嘴机构和微波发射机构，所述喷嘴机构和微波发射机构均固定在xy两轴移动机构上，所述喷嘴机构包括壳体、橡胶喷嘴、升降机构、凹凸导柱和梨形微锤头，所述壳体内设置有用于放置混合浆料的空腔，空腔下方设置有出口通道，出口通道下端设置有橡胶喷嘴，空腔内设置有凹凸导柱，凹凸导柱下方设置有微锤头，微锤头设置在橡胶喷嘴内，凹凸导柱固定在升降机构上，升降机构用于通过带动凹凸导柱上下移动，将空腔内的混合浆料由橡胶喷嘴挤到升降工作台上，并通过带动凹凸导柱带动微锤头上下移动，对升降工作台上的混合浆料进行锤击，微波发射机构用于向升降工作台上的混合浆料发射微波，对混合浆料进行靶向固化，xy两轴移动机构用于带动喷嘴机构和微波发射机构在水平面上沿X轴或Y轴移动。

进一步的，所述xy两轴移动机构、喷嘴机构和微波发射机构均位于外部微波隔离防护罩内。

一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、向水玻璃砂粒中添加水玻璃粘结剂和占砂粒重量的-％的外添加剂，得到混合浆料；所述外添加剂包括、抗吸湿剂、吸波剂和流动促进剂；

步骤2、将混合浆料注入三维打印机的喷嘴机构的空腔内，升降工作台移动到预设高度；

步骤3、喷嘴机构按照预设程序移动到相应位置，将混合浆料挤出到工作台上；喷嘴机构内的凹凸导柱带动微锤头上下轻微锤击混合浆料，形成当前砂样层形状；

步骤4、喷嘴机构带动微波发射机构按照预设路径路径沿X轴或Y轴在水平面上运动，微波发射机构对各个位置的砂样层进行微波靶向固化；

步骤5、当前砂样层微波靶向固化完毕后，升降工作台向下移动预设位置后，判断砂型三维打印是否完成，若是，则转入下一步，若否，则转入步骤3；

步骤7、三维打印完成，得到水玻璃砂型。

进一步的，所述流动促进剂的添加量根据砂粒的流动性调整,抗吸湿剂和吸波剂的添加量根据水玻璃砂粘度和表面张力调整。

进一步的，所述外添加剂采用硅烷偶联剂KH-602、硅烷偶联剂KH-570、钛酸酯偶剂CS-201、钛酸酯偶联剂CS-101、甲基纤维素、C9石油树脂、酚醛树脂、羟乙基甲基纤维素、纳米石墨烯、纳米磁粉、四硼酸锂、乙二胺四乙酸、建筑垃圾纳米晶核、油酸、聚季铵盐-7、四硼酸锂、蓖麻油酸钾、羟丙基甲基纤维素、钛酸酯偶联剂CS-101、铝酸酯偶联剂DL-411、C5石油树下、十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、银耳高分子异聚多糖7、15-冠醚-5、壳聚糖、C5石油树下脂、羟乙基甲基纤维素、聚季铵盐-10中的任意多种。

本发明的有益效果为：该方法能制备高强度结构复杂铸型，可实现水玻璃砂型的无模具、无砂箱直接快速成形，无需强化、余砂清理等后续工艺，且具有物料使用量低、易溃散、再生砂质量好、质量可控等优势。在借鉴了挤出三维打印工艺、砂型标准三锤制样原理的基础上，采用能吸收微波能量的吸波剂、促进沙粒挤出流动的流动促进剂、抗吸湿性改性剂等引入到水玻璃砂、砂粒混合体系中，制成混合砂料，以改善水玻璃砂的流动性。橡胶喷嘴中设置上下运动的凹凸导柱可实现砂料的连续挤出，微锤头可微锤击造型，提高了型砂的致密性，喷嘴外侧的定向微波微型波导管同步固化砂型。

本项目设计的水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化装置，由橡胶喷嘴、凹凸导柱、喷嘴外壳、微波导线、微型波导管组成喷嘴系统，在微波隔离防护罩内完成对混合浆料的挤出、微锤和微波靶向固化。这种采用防护罩的微波设计方法避免了微波泄露的危害，同时防止因微波能量源过于靠近工作台，存在相互碰撞而损坏精密产生微波能量源设备的可能。该方法具有强度高、工艺简单、操控性好、等多项优点，可实现水玻璃砂型的无模具、无砂箱直接快速成形，极大地简化了工艺，该方法还能应用于陶瓷型芯、高分子等的微波固化快速高强成形。

且具有物料使用量低、易溃散、再生砂质量好、质量可控等优势，可实现直接挤出混砂料(免清理)、微锤击造型和定向微波导线固化的效果。

附图说明

图1为本发明的总体流程示意图；

图2为水玻璃砂型成品示意图。

附图中，各标号代表的部件列表如下；

1、壳体；2、橡胶喷嘴；3、凹凸导柱；4、微锤头；5、混合浆料；6、内部微波隔离防护罩；7、抽湿风扇；8、基板；9、升降系统；10、基材；11、微型波导管；12、微波导线；13、砂样层；14、外部微波隔离防护罩

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化装置，包括xy两轴移动机构、喷嘴机构、微波发射机构、升降工作台，升降工作台上方设置有喷嘴机构和微波发射机构，所述喷嘴机构和微波发射机构均固定在xy两轴移动机构上，所述喷嘴机构包括壳体1、橡胶喷嘴2、升降机构、凹凸导柱3和梨形微锤头4，所述壳体1内设置有用于放置混合浆料5的空腔，空腔下方设置有出口通道，出口通道下端设置有橡胶喷嘴2，空腔内设置有凹凸导柱3，凹凸导柱3下方设置有微锤头4，微锤头4设置在橡胶喷嘴2内，凹凸导柱3固定在升降机构上，升降机构用于通过带动凹凸导柱3上下移动，使得空腔内的混合浆料5由橡胶喷嘴2流到升降工作台上，并通过带动凹凸导柱3带动微锤头4上下移动，对升降工作台上的混合浆料5进行锤击，微波发射机构用于向升降工作台上的混合浆料5发射微波，对混合浆料5进行靶向固化，xy两轴移动机构用于带动喷嘴机构、微波发射机构在水平面上沿X轴或Y轴移动。喷嘴下端的壳体为柔性壳体，内径略大于凹凸导柱下端的外径。

所述升降工作台包括基板8、升降系统9和基材10。

所述xy两轴移动机构、喷嘴机构和微波发射机构均位于外部微波隔离防护罩14内，所述喷嘴机构下端和微波发射机构下端均位于内部微波隔离防护罩6内。

所述微波发射机构包括微型波导管11和微波导线12。

还包括抽湿风扇7，所述抽湿风扇7设置在微波隔离防护罩6内，在微波靶向固化启动的时候，抽湿风扇7同步运行。

一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法，包括以下步骤：

步骤1、向水玻璃砂粒中添加水玻璃粘结剂和占砂粒重量的0.1-3％的外添加剂，得到混合浆料5；所述外添加剂包括、抗吸湿剂、吸波剂和流动促进剂；

步骤2、将混合浆料5注入三维打印机的喷嘴机构的空腔内，升降工作台移动到预设高度；

步骤3、喷嘴机构将混合浆料5挤出到工作台上；喷嘴机构内的凹凸导柱3带动微锤头4上下轻微锤击混合浆料5，形成当前砂样层13的形状；凹凸导柱3是凸凹结构玻璃纤维增强聚四氟乙烯导柱，通过凹凸导柱3在空腔内的上下移动，可带动混合浆料5在空腔内流动，实现混合浆料5的连续挤出，微锤头4可实现微锤击造型；挤出完毕后，凹凸导柱带动微锤头向上移动，堵住橡胶喷嘴2；

步骤4、喷嘴机构带动微波发射机构按照预设路径路径沿X轴或Y轴在水平面上运动，对各个位置的砂样层进行微波靶向固化；微波靶向固化是利用微波选择性加热原理，与橡胶喷嘴2同步运动的微型波导管将微波能量集中于水玻璃粘结剂中的吸波剂，实现大部分能量都集中于水玻璃粘结剂固化膜的微波靶向固化；

步骤5、该层固化完毕后，停止微波靶向固化，降低工作台，喷嘴系统再按照三维打印软件设置的路径沿X、Y平面运动，实现下一层的挤出，微锤头4锤击，靶向微波固化；

步骤6、重复步骤2～5直到全部造型完毕，可直接从工作台中取出水玻璃砂型(芯)，如图2所示，无需清砂。

实施例1

利用本发明装置及方法成形一个增压涡轮叶片，叶片高度45mm，顶部最大外圈9mm，底部直径48mm,孔5mm，图2是本发明的实施例中水玻璃砂增压涡轮叶片砂型芯外形结构示意图。

具体过程如下：

1、根据待成形的水玻璃砂芯的外形轮廓尺寸，通过在终端上的操作，选中需要打印的零件图纸。

2、混合水玻璃粘结剂、抗吸湿剂、吸波剂和流动促进剂、砂粒组成混合浆料5。

3、将水玻璃粘结剂、抗吸湿剂、吸波剂和流动促进剂、砂粒组成的混合砂料通过橡胶喷嘴2挤出到工作台上，凹凸导柱3下端的微锤头4上下轻微锤击混合浆料5形成当前砂样层13的形状。

4、在外部微波隔离防护罩14内，由微波导线将微波激励腔中产生的微波能源传送到微型波导管，微型波导管将微波能量集中于水玻璃粘结剂中的吸波剂，实现大部分能量都集中于水玻璃粘结剂固化膜的微波靶向固化，使混合浆料5干燥固化成当前层砂样形状。在整个微波靶向固化启动的过程中，抽湿风扇7同步运行。

5、橡胶喷嘴2按照三维打印软件设置的路径沿X、Y平面运动，实现这一层全部混合浆料5的固化。

6、停止微波靶向固化，升降系统垂直方向下降，喷嘴系统再按照三维打印软件设置的路径沿X、Y平面运动，实现另外一层的固化。

7、重复步骤2～6直到水玻璃砂型成形。待步骤6完成后，也就是当全部造型完毕后，可直接从工作台中取出水玻璃砂型(芯)，获得水玻璃砂增压涡轮叶片砂芯。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化装置，其特征在于，包括xy两轴移动机构、喷嘴机构、微波发射机构、升降工作台，所述升降工作台上方设置有喷嘴机构和微波发射机构，所述喷嘴机构和微波发射机构均固定在xy两轴移动机构上，所述喷嘴机构包括壳体(1)、橡胶喷嘴(2)、升降机构、凹凸导柱(3)和梨形微锤头(4)，所述壳体(1)内设置有用于放置混合浆料(5)的空腔，空腔下方设置有出口通道，出口通道下端设置有橡胶喷嘴(2)，空腔内设置有凹凸导柱(3)，凹凸导柱(3)下方设置有微锤头(4)，微锤头(4)设置在橡胶喷嘴(2)内，凹凸导柱(3)固定在升降机构上，升降机构用于通过带动凹凸导柱(3)上下移动，将空腔内的混合浆料(5)由橡胶喷嘴(2)挤到升降工作台上，并通过带动凹凸导柱(3)带动微锤头(4)上下移动，对升降工作台上的混合浆料(5)进行锤击，微波发射机构用于向升降工作台上的混合浆料(5)发射微波，对混合浆料(5)进行靶向固化，xy两轴移动机构用于带动喷嘴机构和微波发射机构在水平面上沿X轴或Y轴移动。

2.根据权利要求1所述的水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化装置，其特征在于，所述xy两轴移动机构、喷嘴机构和微波发射机构均位于外部微波隔离防护罩(14)内。

3.一种水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、向水玻璃砂粒中添加水玻璃粘结剂和占砂粒重量的0.1-3％的外添加剂，得到混合浆料(5)；所述外添加剂包括、抗吸湿剂、吸波剂和流动促进剂；

步骤2、将混合浆料(5)注入三维打印机的喷嘴机构的空腔内，升降工作台移动到预设高度；

步骤3、喷嘴机构按照预设程序移动到相应位置，将混合浆料(5)挤出到工作台上；喷嘴机构内的凹凸导柱(3)带动微锤头(4)上下轻微锤击混合浆料(5)，形成当前砂样层形状；

步骤4、喷嘴机构带动微波发射机构按照预设路径路径沿X轴或Y轴在水平面上运动，微波发射机构对各个位置的砂样层进行微波靶向固化；

步骤5、当前砂样层微波靶向固化完毕后，升降工作台向下移动预设位置后，判断砂型三维打印是否完成，若是，则转入下一步，若否，则转入步骤3；

步骤7、三维打印完成，得到水玻璃砂型，无需清砂处理。

4.根据权利要求1所述的水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法，其特征在于，所述流动促进剂的添加量根据砂粒的流动性调整,抗吸湿剂和吸波剂的添加量根据水玻璃砂粘度和表面张力调整。

5.根据权利要求1所述的水玻璃砂挤出微锤三维打印微波固化方法，其特征在于，所述外添加剂采用硅烷偶联剂KH-602、硅烷偶联剂KH-570、钛酸酯偶剂CS-201、钛酸酯偶联剂CS-101、甲基纤维素、C9石油树脂、酚醛树脂、羟乙基甲基纤维素、纳米石墨烯、纳米磁粉、四硼酸锂、乙二胺四乙酸、建筑垃圾纳米晶核、油酸、聚季铵盐-7、四硼酸锂、蓖麻油酸钾、羟丙基甲基纤维素、钛酸酯偶联剂CS-101、铝酸酯偶联剂DL-411、C5石油树下、十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、银耳高分子异聚多糖7、15-冠醚-5、壳聚糖、C5石油树下脂、羟乙基甲基纤维素、聚季铵盐-10中的任意多种。

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