TWI378130B - - Google Patents

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六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種快速製造鑄造模具之組合物，特 別是指一種製造耐高溫鑄造模具之組合物。 【先前技術】 目前可淹鑄金屬之快速模具的製程，均須透過淋砂沾 漿的繁複過程來翻製模具，不僅費時又相當費工，且造價 亦不便宜，當然亦有部份之快速原型機台可以直接製成快 速模具（Rapid Tooling，rt )，例如由DTM公司所開發之

RapidT〇〇lTM技術，利用選擇性雷射燒結（以丨[“以

Sintering，SLS )機器直接生產塑膠射出成型用的金屬模具 ，此模具能夠直接安裝在傳統之射出成形機上直接生產最 ，·冬產时，且可將原本需要6〜12週製作時間的複雜模具，縮 短至2週完成，且完成後的模具，其生產壽命約可達數萬 件以上。 另外，以三維印刷製造程序為基礎之Pr〇MetalTM快速 模具系統，此系統能生產鋼製之I件，這些鋼件能應用於 塑膠射出成形、預形成型與真空成型等的模造。此技術摩 用靜電式水性喷頭將移黏劑選擇性的喷覆於欲成型區域之 粉末上使其硬化，接著會在其上均句地鋪上下—層粉末， 並重複上述步驟直至工件完成。此工件接著會與第二種低 =點之金屬粉末混合放入高溫爐中，進行熔渗以增加密 上述各項直接成型硬模之技術雖可縮短製作時間與節 省人力之付出’但機A盥甘 /、其相關耗材之造價均相當昂貴， 一般中小型之公司戋鉍 Ά

，較不具規模之研發部門，恐難以負擔 年刀置成本及後續昂貴t g 4 2 H ^%^^ 貝之耗材及維護費。且目前市面上以粉 末堆方式成型之所有梏 機态中，所採用之膠黏劑（binder)大 多為有機類之膠水，右的) L , 力250〜300°C時，即會燃燒殆盡，如 此將影響模具内外已局部縫社上、士 局部鍵結粉末之強度，導致模具之耐 溫性能無法提升，且曰义l、>他 月’J上述機器透過粉末堆疊所成型之 模具，通f還得要留置在機器中肖i小時以上，等待材料 熟化程度較完純才能取件，相#耗時。雖然申請人先前 即已開發出-種可縮短熟化時間之粉末材料與膠黏劑祖合 物、’如證魏㈣咖167號，然其所成型之鑄造模具，也 僅適用於賴低溫（炫點約3⑻。〇以下）的金屬合金材料， 如氣錫合金等’對於直接濟鑄炫點較高的銅合金（炫點約 980°C)時，即無法達成。 、 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種可用以直接製造 耐问溫鑄造模具之複合粉末與膠黏劑組合物。 於疋，本發明製造耐两溫鑄造模具之複合粉末與膠黏 幻、及&物，包含複合粉末，及和該複合粉末進行膠合作用 之膠黏劑，該複合粉末之成份係由具不同特性之充填劑、 穩疋劑、強化劑及特殊黏劑粉末組配而成，而該膠黏劑則 以水為主要溶劑原料’並搭配膠料、流動促進劑、凝固促 進劑及輔助黏著劑混合構成。 本發明之功效：透過複合粉末與膠黏劑的組成設計， 使得該組合物可用於快速成型模型^了可縮短快速成型 件之固化時間以達到快速取件之目的外，更甚而可達到直 接逢鑄高溫金屬模具之製造，免去傳統工法需要淋砂沾聚 之繁複過程。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之_個較佳實施例的詳細說明中將可 清楚·的呈現β 本發明製造对高溫鑄造模具之複合粉末與膠黏劑組合 物之較佳實施例，可搭配以粉末堆疊方式成型模具之成型 裝置與噴墨式印表機使用，而用以製造耐高溫之鑄造模具 與工件。 、八 本發明組合物主要是由複合粉末與膠黏劑所構成，主 要是利用複合粉末與膠黏劑間所形成之膠合作用及多元促 進黏結、凝固及強化等作用，來成型預定之鑄造模具與工 件。在原理上，膠黏劑之目的即在使複合粉末之粉體間產 生膠合作用，使粉體彼此產生較強之凡得瓦鍵（Van der Waals bond)，甚至可能產生若千之化學反應，如產生離子 鍵（Ionic bond )或共價鍵（c〇vaient bond)，促使鍵結更為 強化，並使膠合成型後之複合粉末更快乾涸定型，縮短成 型件之固化置放時間。 在本發明中，複合粉末顆粒之大小（簡稱粒度），為複合 粉末之重要特性之一，會影響製程及最終產品的性質，粉 末粒度太小（< 1 M m)，則在成型裝置上鋪粉時，容易造成 1378130 揚塵之現象’進而會影響模具之成型品質，況且，複合粉 末的行為特性，諸如流動速率（Fi〇w Rate)，視密度 (Apparent Density)和壓縮性（Compressibility)等都可能受到 粒度的嚴重影響，因此，在選用配製複合粉末之組成時， 此特性就應被審慎地考量。 粉末之粒度分佈範圍關係著視密度及孔隙率二值之大 小，在本發明中是採用粒度分佈範圍相當廣之「優良級配 J的複合粉末，此「優良級配」的成堆複合粉末内有大大 小小粒度不一之粉末顆粒，此種粒度分佈設計，會使得大 顆粒粉末間之縫隙有巾顆粒粉末填充，巾顆粒粉末間之縫 隙又會有小顆粒粉末或更細之粉末顆粒填充，如此自然堆 疊之複合粉末結構’其孔隙率小、視密度大且緻密性佳， 而可用以提高鑄造模型之品質。 本發明之複合粉末是由多種不同粒度之粉末顆粒混合 構成’ Μ種粉末㈣依據絲度大小，心卿 劑(主要成份)、穩定劑(次要成份)、用以充 …充真 穩定劑《而使複合粉末堆疊結構更為緻密的強化巧1 可和膠黏劑作用而呈黏性溶融狀的特殊黏劑粉末二二 =述複合粉末之組成設計，開發出三種可行之配方二據 合粉末之組成粉末種類與適當組配比例分複 示，而配製成之複合粉末的整 & 1〜表3所 。 正體粒度分佈圖則如圖2所示 [S] 6 1378130

表1 複合粉末组成 原料功能 粉末原料 可接受範圍 實施範例 充填劑 硫酸鈣 50 〜70% 44% 穩定劑 氧化#5 - 15-30% 24% 強化劑 白水泥 1-5% 2.0% 特殊黏劑 砂糖 10-40% 30% 膠黏劑組成 主溶劑 水 70-95% 85% 膠料 水玻璃 1-5% 5% 流動促進劑 工業用丙酮 1-10% 2% 凝固促進劑 動物膠 1-10% 3% 輔助黏著劑 醋 1〜90/〇 5% 表2 複合粉末組成 原料功能 粉末原料 可接受範圍 實施範例 充填劑 石膏粉 40-80% 50% 穩定劑 二氧化矽 15 〜45% 40% 強化劑 氧化锆 2〜12% 7% 特殊黏劑 玻璃粉 1〜5% 3% 膠黏劑組成 主溶劑 水 80-95% 92% 膠料 聚乙烯醇 0.1-1% 0.3% 流動促進劑 酒精 1-8% 3% 凝固促進劑 動物膠 1〜8% 3% 輔助黏著劑 蛋黃素 0.5 〜3% 1.5% — .... 隹合粉末組成 原料功能 ——----表 2 i Γ—___ 可接受範圍 比例舉例 充填劑 ---向嶺土 40 〜70% 40% 穩定劑 __氧化銘 20 〜40% 30% _ 強化劑 5-15% 12% 特殊點劑 矽酸鈉 5-20% 18% 膠黏劑組成 主溶劑 75-95% 89% 膠料 ^拉伯膠 0.1-2% 0.5% 一流動促進劑 —-酒精 1-10% 5% 凝固促進劑 1-10% 5% 輔助黏著劑 性血清 0.1-3% 0.5% 在膠黏劑方面，如上所述，膠黏劑主要目的在於與複 合粉末進行膠合作用，使複合粉末之組成粉末間產生結合 作用，由於上述表列之三種複合粉末的組成粉末種類不同 ，為能有效與各複合粉末進行膠合作用，以便製造出耐高 酿工件與模具，本發明亦針對三種複合粉末研發出三種相 對應之膠黏劑，每一種膠黏劑是由主溶劑、膠料、流動促 進劑、凝固輔助劑與輔助黏著劑混合組成。 其中，主溶劑為水，該膠料為無機材料，其水溶液會 產生黏性’在噴印於複合粉末上並乾喊，除了可輔助物 件膠合成型外，更有助於提昇所成龍具之耐溫性與结構 強度。流動促進劑的添加可提高配製成之膠點劑的流動性 ’其主要功用在於調整整體耀黏劑之流動性，使用 膝黏劑之喷頭不致因流純不佳而造成堵塞， s 之使用壽命。 資頭 1378130 凝固促進劑之主要功能為加速熟化時程，使得勝點劑 和複合粉末膠合構成之模具能於短時間内乾涸至可供取件 狀態’不致須-直估用機器，進而可大幅地縮短每一模具 批次之製作時間。辅助黏著劑則是用來增進複合粉末與踢 黏劑之結合能力，以提高成型工件或模組之強度除了可 使工件或模組可用於作物件外型評估外，亦能進一步增加 工件和模組之製造尺寸精確性和執行組裝與功能測試，曰使 工件和模組能轉動或在受力條件下仍不致損壞。 2圖1所示，本發明複合粉末與膠黏劑組合物用以製 造耐高溫鎢造模具時，是搭配成型裝置1〇〇與喷墨式印表 機之喷頭200使用，其中，複合粉末3是容置於成型裝置 100的供粉槽中’而膠黏劑（圖未示）是充填於喷頭細中 ，对高溫鑄造模具之製造大致包含以下步驟: 乂驟（一）舖置複合粉末3。透過成型裝置1〇〇之一鋪 粉益102於-建構區平台1〇1上將鋪置一預定厚度的鋪粉 層 301 〇 步驟（二）喷塗膠黏劑。依據預定成型之模具400外 ，圖樣’親使喷頭200朝建構區平台1〇1之鋪粉層3〇ι預 /定區域噴塗膠黏劑，使膠黏劑與該預定區域之複合粉末進 行膠&作用，而構成一膠合區塊302。 步驟（三）重複步驟（-）與步驟（二)。透過建構區 平D 101下降移動，並重複鋪上新的鋪粉層， 並喷膠後之鋪粉層训膠合後，使新形成之上層膠合區塊 3〇2和下層膠合區塊3〇2進行膠合。藉由重複上述循環步驟 1378130 ，便可使複合粉末3經逐層堆疊與分層膠合方式，逐漸於 建構區平台101上建構出預定模具400。 步驟（四）取件。當模具400建構完成且完全乾酒後 ，自成型裝置中取出模具，並除去沾黏於模具4〇〇周圍之 多餘複合粉末3，即完成耐高溫之模具400製造。在本實施 例中，模具400建構完成後，完全乾涸至可取件所需時間 僅需約為30分鐘’可大幅縮短約5〇%的等待時間。

本實施例各組合物配方所製成之模具，在高達7〇〇<>c高 溫洗鑄環境下依然可維持很好強度，所以在高溫澆鑄作業 時，可大幅縮小模具與待澆鑄之高溫（98〇。〇 )金屬溶液的 溫度梯差，以免高溫之金屬熔液在遇到較低溫之模具時， 所有之熱量將大部份為模具所吸附，而造成金屬熔液凝固 過快，無法順利流至模具之任一欲成型之角落内，如此將 導致產出品質不良之繞鑄成型件。 在本實施例十，是以喷頭進行膠黏劑之噴塗作業，伸

實施時，因膠黏劑之喷塗方式並非本發明之創作重點，戶: 以不以上述方式為限。 综上所述，透過上述表列之各組複合粉末與膠黏劑的 組成材料配製’使得該等複合粉末與相對應膠黏 組合物’可快速《產出能夠直接_高溫金屬之模 工件’可免去傳統工法需要淋砂沾毁之繁複過程，除 有乾酒快速而縮短成型件之養護置放時間，達纟[“ 之目的外’還可有效地提昇製成之工件與模具的結構： ’使工件與模具較*受天候濕度影響而發线曲變形，^ ί S3 10 1378130 · 玎達到具執行組裝及功能測試且不易損壞之狀態。再者， 因各種複合粉末之組成粉末均為完全無毒、無害並絕對環 保之國產粉末致如國外進口粉末之某些添加劑可能: 危害人體，所以是-種無毒、環保且成本低之組合物並 可大幅降低耐高溫鑄造模具之製作成本，故確實能達成本 發明之目的。 _、

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，合不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發对^利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾:皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 立圍圖1是本發明組合物製造耐高溫鑄造模具時的流程示 思圖；及 佈曲線圖 圖2是本發明組合物之複合粉末的粒度分

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[SJ 1378130 【主要元件符號說明】 100… •…成型裝置 3…… •…複合粉末 101… •…建構區平台 301 ··· •…鋪粉層 102… …·鋪粉器 302… …·膠合區塊 200… …·噴頭 400… …·模具

Claims (1)

1. 申號第98102525號替換頁 101.8. 七、申請專利範圍： 1. 一種製造耐高溫鑄造模具之複合粉末與膠黏劑組合物， 包含複合粉末，及和該複合粉末進行膠合作用之膠點劑 ，該複合粉末之成份係由具不同特性之充填劑、穩定劑 、強化劑及特殊黏劑粉末組配而成，該充填劑是選自於 由硫酸鈣、石膏粉及高嶺土所組成的群體，該穩定劑是 選自於由氧化鈣、二氧化矽及氧化鋁所組成的群體，該 強化劑是選自於由白水泥、氧化鍅及爐石粉所組成的群 體，而該膠黏劑則以水為主要溶劑原料，並搭配膠料、 抓動促進劑、凝固促進劑及輔助黏著劑混合構成。 依據申明專利範圍第〗項所述之製造耐高溫鑄造模具之 複合粉末與膠黏劑組合物，其中，該複合粉末之充填劑 為硫酸鈣粉’其重量分率介於5〇7〇%，穩定劑為氧化 鈣叙’其重量分率介於15，％ ’強化劑為白水泥其 重量分率介於’特殊黏劑為砂糖，其重量分率介 ' 0/及膠黏劑之主溶劑的重量分率介於70-95% ，膠料為水玻璃，复重 ^重置刀率介於1-5%，流動促進劑 動：：用ΓΓ其重量分率介於Μ，凝固促進劑為 重曰〔:、重量分率介於卜_，輔助黏著劑為醋，其 堇I分率介於1-9%。 3.依據申請專利範圍第 補人 項所述之製造耐高溫鑄造模具之 硬合粉末與膠黏劑組入 為石膏粉，其重量分；/其中’複合該粉末之充填劑 砂粉，其重量分=:4〇-8〇%，穩定劑為二氧化 ;1 5-45% ’強化劑為氧化锆粉， 13 丄378130 申請案號第9_525號替換頁 1〇18 . ^量分率介於2·哪，特殊點劑為玻璃粉， 率介於該膠黏劑之主溶劑的重 二: 95%，膠料為聚乙稀醇，其重量分率介於cunt 促進劑為酒精，其重量分率介於…，凝固促進：為 動物膠，其重量分率介於“％，輔助黏著劑為蛋黃素 ，其重量分率介於0.5-3%。

   4.依據申請專利範圍第丨項所述之製造耐高溫鑄造模具之 複合粉末與膠黏劑組合物’其中，該複合粉末之充填劑 為高嶺土，其重量分率介於40-70%，穩定劑為氧化铭 粉’其重量分率介於20-40%，強化劑為爐石粉，其重 量分率介於5-15%，特殊黏劑為矽酸鈉粉，其重量分率 介於5-20%，該膠黏劑之主溶劑的重量分率介於75_95

   % ’膠料為阿拉伯膠，其重量分率介於0.1-2%，流動促 進劑為酒精，其重量分率介於卜10% ’凝固促進劑為甘 油，其重量分率介於1_1〇%，輔助黏著劑為溶解性企清 ’其重量分率介於0.1-3%。 14