CN113211601A - 一种陶瓷芯及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种陶瓷芯及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：根据三维模型提取陶瓷芯骨架数据模型；对陶瓷芯骨架数据模型进行网格化处理，获得网格化的陶瓷芯骨架数据模型；以高分子材料为原料，以网格化的陶瓷芯骨架数据模型为模型，3D打印网格化的陶瓷芯骨架原型；对网格化的陶瓷芯骨架原型进行挂陶瓷浆处理，获得陶瓷芯坯；对陶瓷芯坯进行脱蜡、高温烧结，去除陶瓷芯坯的高分子骨架，得到陶瓷芯。本发明的陶瓷芯可以用于熔模铸造工艺中，该陶瓷芯后期能够采用机械方式或碱性溶液去除，而且型壳强度高、成品率高。

Description

一种陶瓷芯及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种陶瓷芯的制备方法，尤其涉及一种基于3D打印技术的陶瓷芯的制备方法，属于陶瓷芯制备技术领域。
背景技术
铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并注入砂型、金属型、陶瓷型的型腔内，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，减少机加工量的同时节约了制造成本，是现代制造业的基础之一。
熔模铸造又称"失蜡铸造"。熔模铸造是指将易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方法。由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。
陶瓷芯是熔模铸造工艺中使用的一种陶瓷型芯的简称，作为形成铸件复杂内腔的转接体，其作用是：形成铸件的内腔结构，与外型模及模壳共同保证铸件对空腔的尺寸精度要求。
陶瓷芯的常规制作方法为：第一步、粉料的混合；第二步、制备浆料；第三步、压制成型；第四步、烧结。
陶瓷芯的常规制作方法存在如下问题：对于复杂陶瓷芯模具发杂，费用高，造型困难；压制成型后陶瓷芯易变形；烧结过程中容易开裂、变形，合格率低。
3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP(Three-DimensionalPrinting)喷射成型技术、FDM(Fused Deposition Modeling)熔融层积成型技术、SLA(Stereo Lithography Apparatus)立体光固化成型技术、SLS(Selective LaserSintering)选区激光烧结、DLP(Digital Light Processing)激光成型技术等。
3D打印是以三维CAD模型为基础，通过逐层堆叠的方式制造实物的技术。具有如下优势：增材制造，材料利用率高、种类多；相比传统工艺小批量生产周期大大缩短；根据CAD三维模型，复杂形状一体成型；周期短，流程简单；无需集中车间，可分散管理。
近年出现了不少3D打印在熔模铸造中的应用，主要是采用3D打印制造低灰分类蜡模型，常用材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，制造过程如下：(1)3D打印PMMA模型；(2)浸蜡表面处理，光滑表面；(3)在经过浸蜡处理后的模型进行浸陶瓷浆料，撒砂干燥，重复多次后获得一定强度的型壳；(4)对型壳进行焙烧处理，使得PMMA模型完全烧净，同时获得一定强度的型壳；(5)将金属溶液浇铸进型壳中，冷却后去除型壳获得金属铸件。
但是对于复杂铸件的内部腔体，流道等，仍然必须采用陶瓷芯的方法才能制造，3D打印类蜡模型采用挂浆制壳的方法制成的型壳在内部空腔、流道部分很难挂浆形成有效形状型壳或烧结后的型壳强度弱，无法对金属液冲击形成足够支撑，无法成型。
因此，提供一种能够利用3D打印技术快速制造陶瓷芯，同时又能解决传统制芯合格率低的制造方法是目前市场的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种制造快速且型壳强度高、合格率高的陶瓷芯的制备方法。
为了实现上述技术目的，本发明首先提供了一种陶瓷芯的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
根据三维模型提取陶瓷芯骨架数据模型；
对陶瓷芯骨架数据模型进行网格化处理，获得网格化的陶瓷芯骨架数据模型；
以高分子材料为原料，以网格化的陶瓷芯骨架数据模型为模型，3D打印网格化的陶瓷芯骨架原型；
对网格化的陶瓷芯骨架原型进行挂陶瓷浆处理，获得陶瓷芯坯；
对陶瓷芯坯进行脱蜡、高温烧结，去除陶瓷芯坯的高分子骨架，得到陶瓷芯。
本发明的陶瓷芯的制备方法能够缩短陶瓷芯的制备时间，并可以无模具制造，降低陶瓷芯制备过程中的变形以及开裂现象，提高陶瓷芯的合格率，适合规模化工业应用。
本发明的制备方法包括根据三维模型提取陶瓷芯骨架数据模型的步骤。
在本发明的一具体实施方式中，根据三维模型提取陶瓷芯骨架数据模型，按照以下步骤进行：
根据需要铸造三维模型的内部腔体、流道，通过工程软件反向建模，提取出空腔、流道等结构形成的实体数据模型，该实体数据模型即为陶瓷芯骨架数据模型。
其中，采用的三维模型可以为CAD三维模型，三维模型可以由不同工程软件提供，例如pro/e、catia、solidedge、SolidWorks等。
本发明的制备方法包括对陶瓷芯骨架数据模型进行网格化处理，获得网格化的陶瓷芯骨架数据模型的步骤。
在本发明的一具体实施方式中，网格化陶瓷芯骨架数据模型，网格化过程通过程序(比如，magics软件自带的网格化模块)进行智能化自适应批处理，可以采用四面体、六面体、蜂窝等空心结构填充模型。根据模型数据自动判断空心结构的大小，可以有效复制模型形状，同时此形状能够匹配浆料，实现挂浆。
本发明的制备方法包括3D打印网格化的陶瓷芯骨架原型的步骤。
在本发明的一具体实施方式中，采用的高分子材料为1000℃-1200℃下高温汽化的高分子材料；比如，在1000℃、1120℃、1150℃、1200℃温度下骨架原型材料能够完全汽化；高分子材料的残留灰分小于等于2％。
具体地，采用的高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚乳酸、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯、聚碳酸酪、聚酰胺、聚讽、聚苯醚、氯化聚醚中的一种或几种的组合；
具体地，采用的高分子材料为UV树脂材料，例如UV不饱和聚酯、UV环氧丙烯酸酯、UV聚氨酯丙烯酸酯、UV聚酯丙烯酸酯、UV聚醚丙烯酯、UV纯丙烯酸树脂、UV环氧树脂、UV有机硅低聚物中的一种或几种的组合。
在本发明的一具体实施方式中，3D打印可以采用的设备为：3DP喷射成型设备、FDM熔融层积成型设备、SLA成型设备、SLS选区激光烧结设备或DLP成型设备。
本发明的制备方法包括对网格化的陶瓷芯骨架原型进行挂陶瓷浆处理，获得陶瓷芯坯的步骤。
在本发明的一具体实施方式中，挂陶瓷浆处理按照以下步骤进行：
上浆时从粘度低至粘度高依次上浆，每上一层浆料静至该层干燥，再上下一层浆料，直至填满网格化的陶瓷芯骨架原型。
在本发明的一具体实施方式中，挂陶瓷浆处理采用的浆料为石英玻璃、氧化铝(刚玉)、氧化镁、氧化钙、锆砂、氧化锆中的一种或几种的组合；采用的浆料中含有增塑剂、高聚物(用于提高配体的强度)、表面活性剂中的一种或几种的组合；以浆料的总质量为100％计，添加剂的添加质量分数为0.5％-1.0％；采用的增塑剂为石蜡、蜂蜡、硬脂酸中的一种或几种的组合；采用的表面活性剂为油酸和/或脂肪醇。
本发明的制备方法包括对陶瓷芯坯进行脱蜡、高温烧结，去除陶瓷芯坯的高分子骨架，得到陶瓷芯的步骤。
在本发明的一具体实施方式中，脱蜡按照以下步骤进行：
在含氧气体气氛(比如，纯氧气体或空气)下，室温升温至120℃-180℃保温1h-2h，升温至500℃-650℃保温1h-2h，升温至800℃-950℃保温1h-3h。
在本发明的一具体实施方式中，将脱蜡后的陶瓷芯坯埋在硅粒中，真空进行高温烧结；高温烧结按照以下步骤进行：
室温升温至200℃-400℃保温2h-4h，升温至600℃-700℃保温3h-5h，升温至1000℃-1700℃(优选为1000℃、1120℃、1150℃、1200℃、1600℃或1700℃)高温烧结24h-48h。
本发明还提供了一种陶瓷芯，该陶瓷芯是通过本发明的陶瓷芯的制备方法制备得到的，该陶瓷芯具有足够强度、内部具有多孔结构，该陶瓷芯的强度为20MPa以上、内部孔隙率为60％以上。同时该陶瓷芯后期能够采用机械方式或碱性溶液去除。
本发明的上述陶瓷芯的可以用于熔模铸造工艺中；尤其用于成型内部空心结构。
本发明的陶瓷芯的制备方法省去了传统制陶瓷芯的模具费用，大大缩短陶瓷芯的制作周期，具有多孔结构，避免陶瓷芯变形以及开裂，大大提高了成品率，适合小批量具有复杂型腔的金属铸件的生产。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施方案的工艺流程图。
图2为本发明的一较佳实施方案的制造流程中间实物图。
具体实施方式
本实施例提供了一种陶瓷芯，其是通过以下步骤制备得到的，具体工艺流程和对应实物如图1和图2所示。
(1)根据CAD三维模型提取陶瓷芯数据模型。
首先根据需要铸造三维模型的内部腔体、流道，利用pro/e、catia、solidedge、SolidWorks、UG反向构建出其空腔、流道实体数据模型，并将其存储为stl格式文件。
(2)对陶瓷芯数据模型进行网格化处理。
本实施例中可以采用的网格化处理方式包括：自编程序处理软件(充分考虑结构强度以及表面拟合度)、magics软件、二次开发软件UG/Open Grip等，优选地，使用magics软件进行处理，将(1)中的stl格式模型导入magics中，利用magics软件中“结构”模块，采用自主设计的边长3毫米的六面体作为扩散单元，自适应构建网格化陶瓷芯模型，存储为stl格式文件。
(3)利用3D打印设备打印制做可高温汽化消失的高分子类网格化陶瓷芯骨架原型。
本实施例中可以采用的3D打印技术包括：3DP(Three-Dimensional Printing)喷射成型技术、FDM(Fused Deposition Modeling)熔融层积成型技术、SLA(StereoLithography Apparatus)立体光固化成型技术、SLS(Selective Laser Sintering)选区激光烧结、DLP(Digital Light Processing)激光成型技术，优选地，使用的3D打印技术为SLA立体光固化成型技术、FDM熔融层积成型技术其中的一种，最优选地，使用SLA立体光固化成型技术。
本实例打印前需首先采用magics进行分层切割处理，分层参数为：层厚：0.1mm、光斑补偿0.07mm、缝隙填充：最大值5mm，循环次数5次。切片后存储好切片后的文件，格式为.cli。
本实例中使用SLA立体光固化成型设备将magics切片后的格式为.cli文件导入进设备软件即可进行打印。打印完成，后处理后获得陶瓷芯骨架原型。
本实例中SLA立体光固化成型技术所用的打印材料包括如下一种或多种uv树脂材料：uv不饱和聚酯、uv环氧丙烯酸酯、uv聚氨酯丙烯酸酯、uv聚酯丙烯酸酯、uv聚醚丙烯酯、uv纯丙烯酸树脂、uv环氧树脂、uv有机硅低聚物。优选地，打印材料为uv聚酯丙烯酸酯，比如DSM公司的Somos EvoLVe 128是一款比较合适的材料。
(4)挂陶瓷浆处理获得陶瓷芯坯
本实施例中，陶瓷浆机体材料为以下一种或多种的混合物：石英玻璃、氧化铝(刚玉)、氧化镁、氧化钙、锆砂、氧化锆。优选地，可以为石英玻璃、氧化铝(刚玉)为基体质量含量为99％-99.5％，石蜡、蜂蜡、硬脂酸作为增塑剂质量含量为0.5％-1％。更优选地，采用石英玻璃作为集体材料，石蜡作为增塑剂。
本实施例中，浆料分为两种：一种水基低粘度浆料，粘度为3.5-5mp.s作为面浆，用来提供足够的强度以及表面形状的高精度复制；一种为水基高粘度浆料，粘度为6-10mp.s作为填充浆料。
本实施例中，将步骤(3)中打印的陶瓷芯骨架原型，首先在低粘度浆料中沾浆，然后再60℃下干燥30min，然后再次在低粘度浆料中沾浆，再60℃下干燥30min，然后在高粘度浆料中沾浆，获得坯，80℃下干燥1h，从而获得干燥素坯。从而获得陶瓷芯坯。
(5)高温烧结去除高分子骨架，获得足有足够强度、内部多孔结构的陶瓷芯。
本实施例中，干燥后的陶瓷芯坯进行脱蜡。脱蜡温度曲线为：通氧的情况下，从室温升温至160℃保温1h，然后升温至600℃保温1h，接着升温至850℃保温2h；
本实施例中，最后一步是烧结，将脱蜡后的陶瓷芯坯埋在硅粒中，真空进行反应烧结；烧结温度曲线为：从室温升温至300℃保温3h，然后升温至600℃保温4h，接着升温至1150℃保温24h，烧结完成，得到陶瓷芯。
该陶瓷芯制备方法省去了传统制陶瓷芯的模具费用，大大缩短陶瓷芯的制作周期，具有多孔结构，孔隙率可以达到60％以上(78％)，节约了陶瓷芯材料的同时又避免了陶瓷芯变形以及开裂，强度为25MPa，大大提高了成品率，相比较传统陶瓷芯成品率可以提高30％，适合小批量具有复杂型腔的金属铸件的生产。
而脱蜡温度曲线为：通氧的情况下，从室温升温至160℃保温1h，然后升温至300℃保温1h，接着升温至550℃保温2h；最后一步烧结，将脱蜡后的陶瓷芯坯埋在硅粒中，真空进行反应烧结；烧结温度曲线为：从室温升温至150℃保温3h，然后升温至500℃保温4h，接着升温至950℃保温24h，烧结完成，得到陶瓷芯。该陶瓷芯的孔隙率为30％，强度为12MPa。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种陶瓷芯的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
根据三维模型提取陶瓷芯骨架数据模型；
对所述陶瓷芯骨架数据模型进行网格化处理，获得网格化的陶瓷芯骨架数据模型；
以高分子材料为原料，以网格化的陶瓷芯骨架数据模型为模型，3D打印网格化的陶瓷芯骨架原型；
对所述网格化的陶瓷芯骨架原型进行挂陶瓷浆处理，获得陶瓷芯坯；
对所述陶瓷芯坯进行脱蜡、高温烧结，去除所述陶瓷芯坯的高分子骨架，得到所述陶瓷芯。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述脱蜡按照以下步骤进行：
在含氧气体气氛下，室温升温至120℃-180℃保温1h-2h，升温至500℃-650℃保温1h-2h，升温至800℃-950℃保温1h-3h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，将脱蜡后的陶瓷芯坯埋在硅粒中，真空进行高温烧结；
优选地，所述高温烧结按照以下步骤进行：
室温升温至200℃-400℃保温2h-4h，升温至600℃-700℃保温3h-5h，升温至1000℃-1700℃高温烧结24h-48h；
更优选地，高温烧结温度为1000℃、1120℃、1150℃、1200℃、1600℃或1700℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，根据三维模型提取陶瓷芯骨架数据模型，按照以下步骤进行：
根据需要铸造三维模型的内部腔体、流道，反向构建空腔、流道实体数据模型，得到所述陶瓷芯骨架数据模型。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述高分子材料为在1000℃-1200℃下高温汽化的高分子材料；
优选地，所述高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚乳酸、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯、聚碳酸酪、聚酰胺、聚讽、聚苯醚、氯化聚醚中的一种或几种的组合；
优选地，所述高分子材料为UV不饱和聚酯、UV环氧丙烯酸酯、UV聚氨酯丙烯酸酯、UV聚酯丙烯酸酯、UV聚醚丙烯酯、UV纯丙烯酸树脂、UV环氧树脂、UV有机硅低聚物中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述高分子材料的残留灰分小于等于2％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述挂陶瓷浆处理按照以下步骤进行：
上浆时从粘度低至粘度高依次上浆，每上一层浆料静至该层干燥，再上下一层浆料，直至填满网格化的陶瓷芯骨架原型。
8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其中，所述挂陶瓷浆处理采用的浆料为石英玻璃、氧化铝、氧化镁、氧化钙、锆砂、氧化锆中的一种或几种的组合；
优选地，采用的浆料中含有增塑剂、高聚物、表面活性剂中的一种或几种的组合；以所述浆料的总质量为100％计，添加剂的添加质量分数为0.5％-1.0％；
更优选地，所述增塑剂为石蜡、蜂蜡、硬脂酸中的一种或几种的组合；
所述表面活性剂为油酸和/或脂肪醇。
9.一种陶瓷芯，该陶瓷芯是通过权利要求1-8任一项所述的陶瓷芯的制备方法制备得到的，该陶瓷芯的强度为20MPa以上、内部孔隙率为60％以上。
10.权利要求9所述的陶瓷芯的应用，该陶瓷芯用于熔模铸造工艺中。
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