CN117282915A - 一种铝合金3d打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其成分按重量份数表示包括：28％～37％的耐火骨料；20％～25％的悬浮稳定剂；0.2％～0.5％的粘结剂；＜0.2％的助剂；7％～15％的硅溶胶；余量为载液。本发明采用刚玉、高岭土和硅溶胶作为主要成分，提高了涂料的耐火性、抗渗透性和抗裂性，有效防止了涂料在高温下被铝合金液浸渗或开裂，本发明采用膨润土作为悬浮稳定剂，增加了涂料的流变性和附着力，便于涂料在低压下均匀地喷涂在光敏树脂模型上，本发明采用聚乙烯醇作为粘结剂，提高了涂料的干燥速度和强度，减少了涂料在干燥过程中的收缩变形，本发明采用水作为载液，降低了涂料的成本和环境污染，可以快速地制备出适用于铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造的涂料。

Description

一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方

技术领域

本发明涉及铝合金3D打印光敏树脂熔模铸造涂料技术领域，具体为一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方。

背景技术

铝合金是一种广泛应用于航空航天、汽车、机械等领域的轻质高强度金属材料，具有良好的可塑性、导电性、导热性和耐腐蚀性。铝合金的成型方法有多种，其中一种是熔模铸造法，即利用可熔性材料制作出模型，将其埋入耐火涂料中，经过加热使模型熔化或气化而脱出，从而形成空腔，再将铝合金液注入空腔中，经过冷却固化后得到铸件。熔模铸造法可以制作出复杂的铝合金零件，具有高精度、高表面质量和低成本的优点。

近年来，随着3D打印技术的发展，光敏树脂成为了一种常用的可熔性材料，可以通过光固化的方式快速制作出精细的模型。然而，光敏树脂模型在熔模铸造过程中会遇到一些问题，如模型的热稳定性不足、热膨胀系数与涂料不匹配、热分解产物对涂料造成污染等。这些问题会影响到铸件的质量和尺寸精度，甚至导致涂料开裂或爆破。因此，针对光敏树脂模型的特点，需要开发一种适用于铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造的涂料配方。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，以解决上述背景技术中提出的现有的光敏树脂存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其成分按重量份数表示包括：

28％～37％的耐火骨料；

20％～25％的悬浮稳定剂；

0.2％～0.5％的粘结剂；

＜0.2％的助剂；

7％～15％的硅溶胶；

余量为载液。

优选的，所述的耐火骨料按重量分数表示为：

20％～25％的刚玉；

8％～12％的高岭土。

优选的，所述的悬浮稳定剂为膨润土。

优选的，所述的粘结剂为聚乙烯醇(聚合度为1750±50)。

优选的，所述的载液为水。

优选的，所述的助剂为消泡剂、湿润剂和分散剂，其用量分别为涂料总重量的0.05％～0.1％、0.1％～0.2％和0.05％～0.1％。

优选的，所述的刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为80～120目。

优选的，所述的膨润土的含水量为10％～15％。

优选的，所述的铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其制备方法为：

S1、将预制的刚玉、石英和高岭土的混料、膨润土、聚乙烯醇的水溶液、硅溶胶和助剂按照试验设定比例依次加入容器中，其中刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为80～120目，膨润土的含水量为10％～15％，聚乙烯醇的水溶液的浓度为5％～10％，硅溶胶的固含量为20％～30％，助剂包括消泡剂、湿润剂和分散剂，其用量分别为涂料总重量的0.05％～0.1％、0.1％～0.2％和0.05％～0.1％；

S2、用高速剪切机分散1h，得到所需涂料，其中高速剪切机的转速为3000～5000r/min，分散过程中控制温度在25～35℃之间，以防止涂料过热或凝固；

S3、将分散均匀的涂料与水按照1∶50的比例稀释后，加入到高压涂料喷枪中，其中高压涂料喷枪的压力为0.5～1MPa，喷嘴直径为1～2mm；

S4、对高压涂料喷枪中的混合液震荡后制成可现场使用的3D打印光敏树脂熔模铸造涂料，其中震荡时间为5～10min，震荡频率为50～100Hz，以保证涂料的均匀性和流动性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用刚玉、高岭土和硅溶胶作为主要成分，提高了涂料的耐火性、抗渗透性和抗裂性，有效防止了涂料在高温下被铝合金液浸渗或开裂；

2、本发明采用膨润土作为悬浮稳定剂，增加了涂料的流变性和附着力，便于涂料在低压下均匀地喷涂在光敏树脂模型上；

3、本发明采用聚乙烯醇作为粘结剂，提高了涂料的干燥速度和强度，减少了涂料在干燥过程中的收缩变形；

4、本发明采用水作为载液，降低了涂料的成本和环境污染；

5、本发明提供了一种简单易行的制备方法，可以快速地制备出适用于铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造的涂料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其成分按重量份数表示包括：

28％～37％的耐火骨料；

20％～25％的悬浮稳定剂；

0.2％～0.5％的粘结剂；

＜0.2％的助剂；

7％～15％的硅溶胶；

余量为载液。

所述的耐火骨料按重量分数表示为：

20％～25％的刚玉；

8％～12％的高岭土。

具体的，本发明采用刚玉、石英和高岭土的混料作为耐火骨料，且控制其粒度在80～120目之间，可以增加涂料的填充度和抗磨性，减少涂料的收缩率和热膨胀系数，提高涂料与光敏树脂模型的匹配度和铸件的尺寸精度。

悬浮稳定剂为膨润土。具体的，本发明采用膨润土作为悬浮稳定剂，且控制其含水量在10％～15％之间，可以调节涂料的流变性和附着力，使涂料在低压下能够均匀地喷涂在光敏树脂模型上，同时也方便了涂料的储存和运输。

粘结剂为聚乙烯醇(聚合度为1750±50)。具体的，本发明采用聚乙烯醇作为粘结剂，且控制其浓度在5％～10％之间，可以提高涂料的干燥速度和强度，减少涂料在干燥过程中的收缩变形，粘结剂为使颗粒粉料能够粘结成具有一定强度的涂料层，须在体系中加入粘结剂，涂层所在的工作环境非常苛刻，要在600℃以上的高温金属液冲刷下保持很好的粘附性，还要保证涂层不能开裂和产生积碳的问题，采用聚乙烯醇作为粘结剂，可保证涂层在高温下具有一定的强度。

载液为水。具体的，本发明采用水作为载液，可以降低涂料的成本和环境污染，载液既是耐火骨料的分散介质也是其他组分的溶剂，也是喷涂的稀释剂，水和有机溶剂是最常用的载液，以水为载液的涂料称为水基涂料，使用有机溶剂作为载液时，涂料成本较高而且往往具有刺激性气味，因此，采用来源广泛而价格低廉的水作为载液，其作业安全且无毒无味。

助剂为消泡剂、湿润剂和分散剂，其用量分别为涂料总重量的0.05％～0.1％、0.1％～0.2％和0.05％～0.1％。具体的，本发明采用消泡剂、湿润剂和分散剂作为助剂，可以有效地消除涂料中的气泡，提高涂料的润湿性和分散性，防止涂料在喷涂过程中出现结块或沉淀现象，保证涂料的均匀性和稳定性。

刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为80～120目。具体的，本发明采用刚玉、石英和高岭土的混料作为耐火骨料，且控制其粒度在80～120目之间，可以增加涂料的填充度和抗磨性，减少涂料的收缩率和热膨胀系数，提高涂料与光敏树脂模型的匹配度和铸件的尺寸精度。

膨润土的含水量为10％～15％。具体的，本发明采用膨润土作为悬浮稳定剂，且控制其含水量在10％～15％之间，可以调节涂料的流变性和附着力，使涂料在低压下能够均匀地喷涂在光敏树脂模型上，同时也方便了涂料的储存和运输。

一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其制备方法为：

S1、将预制的刚玉、石英和高岭土的混料、膨润土、聚乙烯醇的水溶液、硅溶胶和助剂按照试验设定比例依次加入容器中，其中刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为80～120目，膨润土的含水量为10％～15％，聚乙烯醇的水溶液的浓度为5％～10％，硅溶胶的固含量为20％～30％，助剂包括消泡剂、湿润剂和分散剂，其用量分别为涂料总重量的0.05％～0.1％、0.1％～0.2％和0.05％～0.1％；

S2、用高速剪切机分散1h，得到所需涂料，其中高速剪切机的转速为3000～5000r/min，分散过程中控制温度在25～35℃之间，以防止涂料过热或凝固；

S3、将分散均匀的涂料与水按照1∶50的比例稀释后，加入到高压涂料喷枪中，其中高压涂料喷枪的压力为0.5～1MPa，喷嘴直径为1～2mm；

S4、对高压涂料喷枪中的混合液震荡后制成可现场使用的3D打印光敏树脂熔模铸造涂料，其中震荡时间为5～10min，震荡频率为50～100Hz，以保证涂料的均匀性和流动性。

实施例一

本实施例采用以下配方制备铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料：

耐火骨料：30％(其中刚玉：22％，高岭土：8％)；

悬浮稳定剂：22％(膨润土)；

粘结剂：0.3％(聚乙烯醇，聚合度为1800)；

助剂：0.15％(其中消泡剂：0.08％，湿润剂：0.15％，分散剂：0.07％)；

硅溶胶：10％(固含量为25％)；

载液：37.55％(水)。

制备方法如下：

S1、将预制的刚玉、石英和高岭土的混料、膨润土、聚乙烯醇的水溶液、硅溶胶和助剂按照上述比例依次加入容器中，其中刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为100目，膨润土的含水量为12％，聚乙烯醇的水溶液的浓度为8％；

S2、用高速剪切机分散1h，得到所需涂料，其中高速剪切机的转速为4000r/min，分散过程中控制温度在30℃之间；

S3、将分散均匀的涂料与水按照1∶50的比例稀释后，加入到高压涂料喷枪中，其中高压涂料喷枪的压力为0.8MPa，喷嘴直径为1.5mm；

S4、对高压涂料喷枪中的混合液震荡后制成可现场使用的3D打印光敏树脂熔模铸造涂料，其中震荡时间为8min，震荡频率为75Hz。

本实施例所得到的涂料具有良好的耐火性、抗渗透性和抗裂性，可以有效地保护光敏树脂模型在高温下不被铝合金液浸渗或开裂，同时也具有良好的流变性和附着力，可以在低压下均匀地喷涂在光敏树脂模型上，且干燥速度快，强度高，收缩变形小，与光敏树脂模型匹配度高，铸件尺寸精度高。

实施例二

本实施例采用以下配方制备铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料：

耐火骨料：35％(其中刚玉：25％，高岭土：10％)；

悬浮稳定剂：23％(膨润土)；

粘结剂：0.4％(聚乙烯醇，聚合度为1700)；

助剂：0.2％(其中消泡剂：0.1％，湿润剂：0.2％，分散剂：0.1％)；

硅溶胶：12％(固含量为28％)；

载液：29.4％(水)。

制备方法如下：

S1、将预制的刚玉、石英和高岭土的混料、膨润土、聚乙烯醇的水溶液、硅溶胶和助剂按照上述比例依次加入容器中，其中刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为90目，膨润土的含水量为13％，聚乙烯醇的水溶液的浓度为7％；

S2、用高速剪切机分散1h，得到所需涂料，其中高速剪切机的转速为4500r/min，分散过程中控制温度在28℃之间；

S3、将分散均匀的涂料与水按照1∶50的比例稀释后，加入到高压涂料喷枪中，其中高压涂料喷枪的压力为0.7MPa，喷嘴直径为1.2mm；

S4、对高压涂料喷枪中的混合液震荡后制成可现场使用的3D打印光敏树脂熔模铸造涂料，其中震荡时间为6min，震荡频率为80Hz。

本实施例所得到的涂料具有良好的耐火性、抗渗透性和抗裂性，可以有效地保护光敏树脂模型在高温下不被铝合金液浸渗或开裂，同时也具有良好的流变性和附着力，可以在低压下均匀地喷涂在光敏树脂模型上，且干燥速度快，强度高，收缩变形小，与光敏树脂模型匹配度高，铸件尺寸精度高。

在进行实施例前，对铝铜合金、铸钢、铸铁及镁合金的部分性能进行测定，如下

检测例一

由上表可以看出，采用铝镁类合金铸件浇注温度比其它合金要低的多，对涂层的静压力作用比铸铁、铸钢的小，铝铜合金消失模铸造涂料要具备比镁合金要求更高的强度和耐热性，因此要尽可能合适的提高涂料骨料的耐火度。

除此之外，由于铝镁合金的浇注温度较前两种铸件低，模样裂解产物中的气态产物较少、液态产物较多，所以铝合金3D打印光敏树脂熔模铸造涂料的透气能力可以不需太高，但是要提高涂料的吸附能力。

因此，关于耐火基材的选定：耐火骨料耐火骨料是Al-Mg合金3D打印光敏树脂熔模铸造涂料的主要组成部分，它在涂料中比例高达40％～80％，具有隔离、绝热和调节表面粗糙度等作用。耐火骨料对涂层耐火度和热化学稳定性影响尤为明显。同时，选用粉料时还应综合考虑其他因素，如粒度、密度、热膨胀系数、热导率、发气量、来源及价格和对人体与环境的危害等。耐火骨料的选择由合金的种类决定，Al-Mg合金铸件多采用刚玉、石英和高岭土等混合骨料。

关于悬浮稳定剂的选定：悬浮稳定剂悬浮稳定剂是使固体粉末原料稳定悬浮在载液中的物质，使涂料具有一定的流变性能。它通过自身在载液中的扩散力、吸附力和载荷力等，使高密度耐火骨料悬浮在载液中，并保持均匀的状态。膨润土、凹凸棒土和累托石常用作无机悬浮剂。

关于粘结剂的选定：粘结剂为使颗粒粉料能够粘结成具有一定强度的涂料层，须在体系中加入粘结剂。涂层所在的工作环境非常苛刻，要在600℃以上的高温金属液冲刷下保持很好的粘附性，还要保证涂层不能开裂和产生积碳的问题。采用聚乙烯醇作为粘结剂，可保证涂层在高温下具有一定的强度。

对实施例一、二制得的涂料进行外观、气味、粘附性、稳定性和耐腐蚀性检测，如下

检测例二

检测项目	检测方法	本涂料	某进口涂料	某国内涂料
					外观	目测	白色	白色	土黄色
气味	闻	无	无	刺激性
					粘附性	划痕法	好	好	一般
稳定性	离心静置	好	较好	一般
					对铝合金的腐蚀	浸泡法	无	无	无

通过检测可知，通过实施例一、二得到的涂料，从外观、气味、粘附性、稳定性和耐腐蚀性能上优于现有技术的涂料。

对实施例一、二制得的涂料进行其它理化指标的检测，如下

检测例三

从上表的理化指标可以说明以下几点：

1、本发明的涂料配方具有较高的耐火性，可以在高温下保持涂料的完整性和稳定性，不会因为铝合金液的浸渗或热应力而开裂或脱落；

2、本发明的涂料配方具有较高的抗渗透性和抗裂性，可以有效地阻止铝合金液对光敏树脂模型的侵蚀或破坏，保护模型的形状和结构，提高铸件的质量和表面质量；

3、本发明的涂料配方具有较好的流变性和附着力，可以在低压下均匀地喷涂在光敏树脂模型上，形成一层均匀、紧密、无气泡的涂层，增加涂层与模型之间的粘接强度和耐剥离性；

4、本发明的涂料配方具有较快的干燥速度和较高的强度，可以在短时间内使涂层干燥硬化，提高涂层的抗压强度和抗弯强度，增加涂层的耐磨性和耐冲击性；

5、本发明的涂料配方具有较小的收缩变形和较高的匹配度，可以减少涂层在干燥过程中的收缩率和热膨胀系数，降低涂层与模型之间的应力集中和变形误差，提高涂层与模型之间的尺寸一致性和形状相似性；

6、本发明的涂料配方具有较高的尺寸精度，可以保证铸件与模型之间的尺寸偏差在可接受范围内，满足铝合金零件的精密成型要求。

关于本发明相关配方的说明：

1)耐火骨料

耐火骨料是金属型铸造涂料的主体，具有隔离、绝热和降低低铸件表面粗糙度等作用。金属型涂料早期用的耐火骨料有白垩粉、漂珠、氧化锌、石棉粉、石英粉等，其中白垩粉涂料的绝热性能差；石棉涂料的强度低、涂敷工艺差，而且对人体有致癌作用；氧化锌涂料悬浮性差、强度低、润滑性差；石英粉涂料的悬浮性差。目前占主流的骨料是铝矾土、石墨粉、错英粉、硅藻土、滑石粉、高岭土等，或是这几种骨料的组合

2)载体(溶剂)

载体的作用是使耐火粉料分散和悬浮，并制成浆料。载体在金属液浇注到铸型之前应全部消失，否则会影响铸件质量。常用的载体通常分为水和有机溶剂两类。水做载体的优点是易使涂料获得良好的悬浮性、涂刷性、渗透性和流变性，廉价、来源广、安全环保，缺点是干燥慢，有时需要烘干。生产中最好使用软水，因为硬水中的溶盐可能与粘结剂和悬浮剂发生化学反应，引起涂料变质。

3)悬浮剂

悬浮剂用来防止耐火骨料的沉淀，还可以使涂料具有所要求的流变学性能。涂料中使用的耐火骨料一般都比载液(水或者酒精)的密度大得多，故涂料中必须使用悬浮剂才能使耐火骨料悬浮在载液中并保持均匀的弥散状态。水基涂料的悬浮剂主要是钠基膨润土、累托石，其次还有高分子化合物如羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙烯醇等，高分子化合物可以与膨润土同时使用。

4)粘结剂

粘结剂的作用是使粉料颗粒之间相互粘合并使涂层牢固地粘附在铸型(型芯)表面。水基涂料用的常温粘结剂有:膨润土、披甲基纤维素钠(CMC)、水溶性酚醛树脂、聚醋酸乙烯等，加入这些粘结剂的涂料干燥后都有较高的表面强度。高温粘结剂有:硅溶胶、水玻璃、粘土、磷酸盐等。根据所铸金属浇注温度的高低来选择不同的粘结剂或高低温混合粘结剂，常温下有机粘结剂和无机粘结剂共同支承强度，在高温浇注时，有机粘结剂被烧化，增加涂层的空隙率，此时的强度要依靠无机粘结剂。对粘结剂的选择应考虑以下几个方面:减少高温发气性；提高涂料模样的附着力；提高涂层的强度和刚度，不侵蚀模样。

5)添加剂

为了改善涂料的使用性能和工艺性能，需要在涂料中加入一些附加物，包括：①表面活性剂，为了改善涂料对铸型(型芯)表面的润湿性和渗透性，需要在涂料中添加微量的表面活性剂，如JFC(脂肪醇聚氧乙烯醚，非离子型)，OP-10(烷.基酚与环氧乙烷缩合物，非离子型)等；②消泡剂，用以消除水基涂料在制作过程中产生的泡沫。如正辛醇、SPA-202消泡剂(聚醚消泡剂)等；③防腐剂，如甲醛、五氯苯酚、五氯酚钠、苯甲酸钠等。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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 (9)

1.一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于，其成分按重量份数表示包括：

28％～37％的耐火骨料；

20％～25％的悬浮稳定剂；

0.2％～0.5％的粘结剂；

＜0.2％的助剂；

7％～15％的硅溶胶；

余量为载液。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于，

所述的耐火骨料按重量分数表示为：

20％～25％的刚玉；

8％～12％的高岭土。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于：所述的悬浮稳定剂为膨润土。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于：所述的粘结剂为聚乙烯醇(聚合度为1750±50)。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于：所述的载液为水。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于，所述的助剂为消泡剂、湿润剂和分散剂，其用量分别为涂料总重量的0.05％～0.1％、0.1％～0.2％和0.05％～0.1％。

7.根据权利要求1所述的一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于，所述的刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为80～120目。

8.根据权利要求1所述的一种铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其特征在于，所述的膨润土的含水量为10％～15％。

9.根据权利要求1-8任一项所述的铝合金3D打印光敏树脂成模熔模铸造涂料配方，其制备方法为：

S1、将预制的刚玉、石英和高岭土的混料、膨润土、聚乙烯醇的水溶液、硅溶胶和助剂按照试验设定比例依次加入容器中，其中刚玉、石英和高岭土的混料的粒度为80～120目，膨润土的含水量为10％～15％，聚乙烯醇的水溶液的浓度为5％～10％，硅溶胶的固含量为20％～30％，助剂包括消泡剂、湿润剂和分散剂，其用量分别为涂料总重量的0.05％～0.1％、0.1％～0.2％和0.05％～0.1％；

S2、用高速剪切机分散1h，得到所需涂料，其中高速剪切机的转速为3000～5000r/min，分散过程中控制温度在25～35℃之间，以防止涂料过热或凝固；

S3、将分散均匀的涂料与水按照1∶50的比例稀释后，加入到高压涂料喷枪中，其中高压涂料喷枪的压力为0.5～1MPa，喷嘴直径为1～2mm；

S4、对高压涂料喷枪中的混合液震荡后制成可现场使用的3D打印光敏树脂熔模铸造涂料，其中震荡时间为5～10min，震荡频率为50～100Hz，以保证涂料的均匀性和流动性。