CN117620097A - 一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，包括以下步骤：将至少两种树脂单体进行混合，配置得到树脂预混液；向所述树脂预混液中添加光引发剂以及增塑剂，搅拌均匀，得到光敏树脂；将所述光敏树脂与水溶性型芯粉体混合均匀，得到水溶性型芯浆料；采用光固化打印工艺，将所述水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯；将所述水溶性型芯打印素坯依次进行脱脂以及烧结工序，得到水溶性型芯。本发明具备简化工艺流程、生产周期短和高效率等特点，且相比于微挤出，熔融沉积等增材制造工艺具有更高的表面质量以及无需支撑等优势，进一步降低了脱芯难度，可以实现复杂铸件定制化精密铸造。
Description
技术领域
本发明属于快速精密铸造技术领域，具体涉及一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法。
背景技术
航空航天、国防军工等高端制造领域的快速发展对定制化、高性能和轻量化零部件及其制造技术提出了更高的需求。为减轻重量同时提高性能，通常需要设计复杂的内腔结构，并通过预先设计型芯进行铸造，同时型芯需要在铸件成形后脱除。这就需要提高铸造型芯的性能，同时探究新的制备和后处理方法。
为了清理铸件内部中残留的型芯，传统的铸造型芯材料，如树脂砂芯、氧化硅和氧化铝基陶瓷型芯等，通常需要采用混合碱法、碱溶液法、压力脱芯法和氢氟酸法等方法去除。在这一过程中会腐蚀铸件同时可能产生有毒物质造成污染，此外，一些结构设计需要内腔几乎封闭，此时清理存在困难。
水溶性型芯在水中即可溶解，通过冲洗与浸泡，能够将型芯较为容易地清理出来，然而该技术存在工艺复杂，制造周期长，成本高等缺点，因此推广受限。传统方法通过熔融浇注或压制烧结方式制造型芯，步骤繁琐同时需要提前设计模具，成功率低且成本较高。针对这种情况，目前国内外科研机构在尝试利用增材制造技术研制可溶性型芯的快速成型，专利CN115533036A基于激光选区熔化成型工艺制造了水溶性支撑型芯，实现了异种金属封闭流道的快速高质量增材制造。但激光选区熔化成型设备造价高昂，同时制造的零件表面较为粗糙。专利CN115583831A利用微挤出3D打印技术，通过微挤出层层堆积的3D打印成形原理无模制备陶瓷型芯坯体，然而该方法打印效率低，成型速度较慢。专利CN112427604A通过粘接剂喷射打印方法实现水溶性型芯模具的打印，通过将粉末材料粘结成型，最终制成高质量的盐芯模具型胚，然而相比其他增材制造方法，通过粉体堆积的零件强度以及精度较低。专利CN115533036A采用直写光固化同步成型，得到多材料一体化叶片坯体，铸型型壳采用结构稳定性好的陶瓷浆料直写成型，型芯采用易溶失化学稳定性强的陶瓷浆料光固化成型，再保证铸型精度的同时，大大减小了脱芯难度。但是工艺复杂，且激光器光固化成型效率低，易于过曝光导致精度下降。
总体来说，传统方法借助模具制备出具有一定形状和强度的水溶性型芯，人工成本和材料成本较高，另外难以快速定制化设计复杂的内部结构，迭代成本极高，难以适应复杂结构零件更新换代日益加快的需求，而现有水溶性型芯增材制造技术虽然能够实现复杂结构的设计，但是成型步骤复杂，同时表面质量以及精度较低。因此，研发新型水溶性型芯的无模快速成形技术，对航空航天、国防军工等高新技术领域的发展具有深远的意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将至少两种树脂单体进行混合，配置得到树脂预混液；
步骤2，向所述树脂预混液中添加光引发剂以及增塑剂，搅拌均匀，得到光敏树脂；
步骤3，将所述光敏树脂与水溶性型芯粉体混合均匀，得到水溶性型芯浆料；
步骤4，采用光固化打印工艺，将所述水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯；
步骤5，将所述水溶性型芯打印素坯依次进行脱脂以及烧结工序，得到水溶性型芯。
优选的，步骤1中，所述树脂单体包括环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯，丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯和乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
优选的，所述环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯，所述丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯和所述乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的重量配比为：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯20～60重量份、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯20～60重量份、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20～60重量份。
优选的，步骤2中，所述光引发剂为二酰基磷化氢；所述增塑剂为聚乙二醇、聚丙二醇和邻苯二甲酸酯的一种或多种。
优选的，按质量分数计，所述光引发剂的添加量为所述树脂预混液的0.5-2.5％，所述增塑剂的添加量为所述树脂预混液的10～30％。
优选的，步骤3中，所述水溶性型芯粉体包括氧化铝粉体和食盐，其重量配比为：氧化铝粉体7～14重量份，食盐60～70重量份。
优选的，所述水溶性型芯粉体的粒径为1～25μm；步骤3中，所述水溶性型芯浆料的固相含量为70～80％。
优选的，步骤1的混合方式为：利用磁力搅拌仪均匀混合1～3h；步骤3的混合方式为行星球磨，行星搅拌和均质的一种或多种。
优选的，步骤4中，所述光固化打印条件为：打印层厚25～100μm，刮刀速度为4～6mm/s，曝光量为70～90mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm。
优选的，步骤5中，所述脱脂以及烧结工序为：以5～15℃/h的速率从室温升至400～500℃，保温2～4h；以10～20℃/h的速率升温至600～650℃，保温2～4h，以40～60℃/h升温至750～800℃，保温5～10h；随炉冷却至室温。
本发明提供的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法具有以下优点：本发明具备简化工艺流程、生产周期短和高效率等特点，且相比于微挤出，熔融沉积等增材制造工艺具有更高的表面质量以及无需支撑等优势，进一步降低了脱芯难度，可以实现复杂铸件定制化精密铸造。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1中水溶性型芯3D模型图；
图3是本发明实施例1中水溶性型芯实物图；
图4是本发明实施例1中扫描电镜图，其中(a)为水溶性型芯粉体扫描电镜，(b)为水溶性型芯打印坯体扫描电镜，(c)为经过脱脂烧结后的水溶性型芯扫描电镜。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了克服传统方法定制化制造水溶性型芯时由于结构复杂，需要开模，从而导致生产效率低，以及结构迭代优化成本高等问题，本发明采用数字光处理3D打印的方法，无需模具直接完成形状复杂的水溶性型芯成型，同时相比现有水溶性型芯增材制造方法具有更高的表面质量以及无需支撑等优势。采用水溶性型芯粉体和光敏树脂为原料，经三维打印、脱脂烧结等步骤，实现了致密、高精度水溶性型芯的快速定制化制造。
参考图1，本发明提供一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将至少两种树脂单体进行混合，配置得到树脂预混液；
其中，所述树脂单体包括环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯，丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯和乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。所述环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯，所述丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯和所述乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的重量配比为：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯20～60重量份、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯20～60重量份、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20～60重量份。
本步骤中，混合方式为：利用磁力搅拌仪均匀混合1～3h。
步骤2，向所述树脂预混液中添加光引发剂以及增塑剂，搅拌均匀，得到光敏树脂；
其中，所述光引发剂为二酰基磷化氢；所述增塑剂为聚乙二醇、聚丙二醇和邻苯二甲酸酯的一种或多种。按质量分数计，所述光引发剂的添加量为所述树脂预混液的0.5-2.5％，所述增塑剂的添加量为所述树脂预混液的10～30％。
步骤3，将所述光敏树脂与水溶性型芯粉体混合均匀，得到固化效果好，固相含量高以及粘度低的水溶性型芯浆料；
其中，所述水溶性型芯粉体包括氧化铝粉体和食盐，其重量配比为：氧化铝粉体7～14重量份，食盐60～70重量份。所述水溶性型芯粉体的粒径为1～25μm；所述水溶性型芯浆料的固相含量为70～80％。
本步骤中，混合方式为行星球磨，行星搅拌和均质的一种或多种。
步骤4，采用光固化打印工艺，将所述水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯；
具体方式为：将设计的三维模型进行逐层切片得到每层的投影图片，同时设置合适的光固化打印条件，将水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯。
其中，所述光固化打印条件为：打印层厚25～100μm，刮刀速度为4～6mm/s，曝光量为70～90mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm。
步骤5，将所述水溶性型芯打印素坯依次进行脱脂以及烧结工序，得到高表面质量和精度的水溶性型芯。
其中，所述脱脂以及烧结工序为：以5～15℃/h的速率从室温升至400～500℃，保温2～4h；以10～20℃/h的速率升温至600～650℃，保温2～4h，以40～60℃/h升温至750～800℃，保温5～10h；随炉冷却至室温。
本发明所采用的技术方案：一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特点是包括下述步骤：
(1)将各树脂单体按重量百分比包括：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯20～60％、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯20～60％、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20～60％进行混合，配置成树脂预混液，添加树脂预混液质量分数0.5～2.5％的二酰基磷化氢作为光引发剂，并加入树脂预混液质量分数10～30％的增塑剂聚乙二醇，利用磁力搅拌仪均匀混合1～3h得到光敏树脂；
(2)将光敏树脂与食盐含量为60～70重量份，氧化铝粉体含量为7～14重量份的水溶性型芯粉体按照固相含量为70～80％，混合搅拌均匀得到固化效果好，固相含量高以及粘度低的水溶性型芯浆料；
(3)将设计的三维模型进行逐层切片得到每层的投影图片，同时设置合适的光固化打印条件，其中打印层厚25～100μm，刮刀速度为4～6mm/s，曝光量为70～90mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm，将水溶性型芯浆料加入数字光处理3D打印机(Cerastation 160)进行打印，得到水溶性型芯打印素坯；
(4)将水溶性型芯打印素坯进行脱脂以及烧结工序，以5～15℃/h的速率从室温升至400～500℃，保温2～4h；以10～20℃/h的速率升温至600～650℃，保温2～4h，以40～60℃/h升温至750～800℃，保温5～10h；随炉冷却至室温；最终得到高表面质量和精度的水溶性型芯。
本发明的制备方法利用光敏树脂和水溶性型芯粉体制备得到高固相含量，固化效果好的水溶性型芯浆料，再通过优化数字光处理打印机的工艺参数得到具有高精度的水溶性型芯打印素坯，最后将所述素坯进行后处理得到水溶性型芯。与传统工艺相比，本发明具备简化工艺流程、生产周期短和高效率等特点，且相比于微挤出，熔融沉积等增材制造工艺具有更高的表面质量以及无需支撑等优势，进一步降低了脱芯难度，可以实现复杂铸件定制化精密铸造。
下面结合实施实例对本发明作进一步详细说明：
实施例1
(1)如图1所示，将各单体组分按重量百分比包括：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯20％、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯20％、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯60％进行混合，配置成树脂预混液，添加树脂预混液0.5％的二酰基磷化氢作为光引发剂，并加入树脂预混液10％的增塑剂聚乙二醇，利用磁力搅拌仪均匀混合1h得到光敏树脂。
(2)将光敏树脂与食盐含量为60％，氧化铝粉体含量为7％的水溶性型芯粉体按照固相含量为70％，通过均质机搅拌均匀得到固化效果好，固相含量高以及粘度低的水溶性型芯浆料。
(3)将设计的三维模型(如图2所示)进行逐层切片得到每层的投影图片，同时设置合适的光固化打印条件，其中打印层厚25μm，刮刀速度为4mm/s，曝光量为70mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm；利用水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯。
(4)将水溶性型芯打印素坯进行脱脂以及烧结工序，以5℃/h的速率从室温升至400℃，保温2h；以10℃/h的速率升温至600℃，保温2h，以40℃/h升温至750℃，保温5h；随炉冷却至室温，得到水溶性型芯。
本实例制备得到的水溶性型芯实物如图3所示，水溶性型芯表面形貌扫描电镜照片如图4所示。从图3和图4可以看到，本发明制备得到的水溶性型芯具有较高的精度以及表面质量。
实施例2
(1)将各单体组分按重量百分比包括：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯20％、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯60％、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20％进行混合，配置成树脂预混液，添加树脂预混液1％的二酰基磷化氢作为光引发剂，并加入树脂预混液20％的增塑剂聚乙二醇，利用磁力搅拌仪均匀混合1h得到光敏树脂。
(2)将光敏树脂与食盐含量为63％，氧化铝粉体含量为9％水溶性型芯粉体按照固相含量为75％，通过行星球磨机搅拌均匀得到固化效果好，固相含量高以及粘度低的水溶性型芯浆料。
(3)将设计的三维模型进行逐层切片得到每层的投影图片，同时设置合适的光固化打印条件，其中打印层厚50μm，刮刀速度为4mm/s，曝光量为75mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm；利用水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯。
(4)将水溶性型芯打印素坯进行脱脂以及烧结工序，以7℃/h的速率从室温升至420℃，保温3h；以12℃/h的速率升温至600℃，保温3h，以45℃/h升温至760℃，保温7h；随炉冷却至室温；得到水溶性型芯。
实施例3
(1)将各单体组分按重量百分比包括：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯60％、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯20％、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20％进行混合，配置成树脂预混液，添加树脂预混液2％的二酰基磷化氢作为光引发剂，并加入树脂预混液25％的增塑剂聚乙二醇，利用磁力搅拌仪均匀混合2h得到光敏树脂。
(2)将光敏树脂与食盐含量为68％，氧化铝粉体含量为10％的水溶性型芯粉体按照固相含量为78％，通过均质机搅拌均匀得到固化效果好，固相含量高以及粘度低的水溶性型芯浆料。
(3)将设计的三维模型进行逐层切片得到每层的投影图片，同时设置合适的光固化打印条件，其中打印层厚75μm，刮刀速度为5mm/s，曝光量为80mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm；利用水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯。
(4)将水溶性型芯打印素坯进行脱脂以及烧结工序，以9℃/h的速率从室温升至450℃，保温3h；以18℃/h的速率升温至620℃，保温3h，以55℃/h升温至780℃，保温9h；随炉冷却至室温；得到水溶性型芯。
实施例4
(1)将各单体组分按重量百分比包括：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯40％、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯40％、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20％进行混合，配置成树脂预混液，添加树脂预混液2.5％的二酰基磷化氢作为光引发剂，并加入树脂预混液30％的增塑剂聚乙二醇，利用磁力搅拌仪均匀混合3h得到光敏树脂。
(2)将光敏树脂与食盐含量为70％，氧化铝粉体含量为14％的水溶性型芯粉体按照固相含量为80％，通过行星搅拌机搅拌均匀得到固化效果好，固相含量高以及粘度低的水溶性型芯浆料。
(3)将设计的三维模型进行逐层切片得到每层的投影图片，同时设置合适的光固化打印条件，其中打印层厚100μm，刮刀速度为6mm/s，曝光量为90mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm；利用水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯。
(4)将水溶性型芯打印素坯进行脱脂以及烧结工序，以15℃/h的速率从室温升至500℃，保温4h；以20℃/h的速率升温至650℃，保温4h，以60℃/h升温至800℃，保温10h；随炉冷却至室温；得到水溶性型芯。
经检测，实施例2、实施例3和实施例4制备得到的水溶性型芯，与实施例1制备得到的水溶性型芯相似，同样具有较高的精度以及表面质量。
本发明的有益效益是：
(1)可促进水溶性型芯在精密铸造领域的进一步推广，是一种制备水溶性型芯的新型方法；
(2)采用数字光处理3D打印方法制备水溶性型芯，可以通过逐层固化直接完成构件的成型，无需模具即可以成型形状复杂的构件，从而满足工业设计多样化的需求；
(3)降低了定制化设计复杂结构的型芯以及结构迭代优化的成本；
(4)工艺过程简单、可重复性好；
(5)简化了成型以及后处理的步骤，进一步提高了生产效率；
(6)制备的水溶性型芯具有较高的精度以及表面质量，同时易于清除。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将至少两种树脂单体进行混合，配置得到树脂预混液；
步骤2，向所述树脂预混液中添加光引发剂以及增塑剂，搅拌均匀，得到光敏树脂；
步骤3，将所述光敏树脂与水溶性型芯粉体混合均匀，得到水溶性型芯浆料；
步骤4，采用光固化打印工艺，将所述水溶性型芯浆料进行数字光处理3D打印，得到水溶性型芯打印素坯；
步骤5，将所述水溶性型芯打印素坯依次进行脱脂以及烧结工序，得到水溶性型芯。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，步骤1中，所述树脂单体包括环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯，丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯和乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，所述环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯，所述丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯和所述乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯的重量配比为：环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯20～60重量份、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯20～60重量份、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯20～60重量份。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，步骤2中，所述光引发剂为二酰基磷化氢；所述增塑剂为聚乙二醇、聚丙二醇和邻苯二甲酸酯的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，按质量分数计，所述光引发剂的添加量为所述树脂预混液的0.5-2.5％，所述增塑剂的添加量为所述树脂预混液的10～30％。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，步骤3中，所述水溶性型芯粉体包括氧化铝粉体和食盐，其重量配比为：氧化铝粉体7～14重量份，食盐60～70重量份。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，所述水溶性型芯粉体的粒径为1～25μm；步骤3中，所述水溶性型芯浆料的固相含量为70～80％。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，步骤1的混合方式为：利用磁力搅拌仪均匀混合1～3h；步骤3的混合方式为行星球磨，行星搅拌和均质的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，步骤4中，所述光固化打印条件为：打印层厚25～100μm，刮刀速度为4～6mm/s，曝光量为70～90mJ/cm2，光源波长为405nm，平面分辨率为62.5μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法，其特征在于，步骤5中，所述脱脂以及烧结工序为：以5～15℃/h的速率从室温升至400～500℃，保温2～4h；以10～20℃/h的速率升温至600～650℃，保温2～4h，以40～60℃/h升温至750～800℃，保温5～10h；随炉冷却至室温。
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| CN202311622986.1A CN117620097A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种基于数字光处理技术的水溶性型芯快速制备方法 |
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