[發(fā)明專利]激光燒結砂及其制備方法和砂芯及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910301013.1
• 申請日: 2009-03-20
• 公開（公告）號: CN101837427A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發(fā)明（設計）人: 馮濤;孫建民;趙紅;柳國峰
• 申請（專利權）人: 北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司
• 主分類號: B22C1/00
• 分類號: B22C1/00;B22C1/02;B22C1/22;B22C9/10;C08L61/06;C08L23/08;C08L33/02;C08L77/00;C08L71/08
• 代理公司: 北京輕創(chuàng)知識產(chǎn)權代理有限公司 11212
• 代理人: 楊立

技術領域

本發(fā)明涉及一種激光燒結砂及其制備方法及砂芯及其制備方法，尤其涉及一種不用模具的激光燒結砂及其制備方法及砂芯及其制備方法。

背景技術

對于復雜砂型鑄件的生產(chǎn)，砂芯又稱砂型的制造是必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的砂芯制作是通過制造模具、射芯和組芯等工藝完成的。使用模具生產(chǎn)的優(yōu)點是一旦試制合格，便可以大批量投入生產(chǎn)。但是對于單件小批量或是交貨期要求非常短的復雜鑄件，模具的制造周期和成本費用就成為突出的問題。在現(xiàn)代產(chǎn)品競爭的激烈環(huán)境中，對新產(chǎn)品的開發(fā)周期要求越來越短，同時個性化小批量的產(chǎn)品需求不斷增多。在產(chǎn)品的開發(fā)階段，往往需要制作測試樣機進行性能測試，以便對產(chǎn)品設計進行評估和修改。這樣的過程，通常需要反復幾個周期，如果在產(chǎn)品的設計階段就開模具，不僅周期長，費用高，而且可能由于設計的更改而造成整個模具的報廢。

通常制作砂芯的原料是一種在耐高溫砂粒外包覆了熱固性樹脂的砂料，稱為樹脂覆膜砂。熱固性樹脂的主要成分通常是線性酚醛樹脂和固化劑。這種覆膜砂在常溫呈松散流動狀態(tài)，在樹脂的軟化點以上砂粒外的樹脂熔化，砂粒彼此產(chǎn)生粘結，在一定的溫度和時間條件下，樹脂分子間產(chǎn)生交聯(lián)固化從而將砂粒緊密地粘接起來成為砂芯。

激光制芯是一種直接通過3D?CAD數(shù)據(jù)驅動制作復雜砂芯的方法。它的最大特點是砂芯的成型過程與復雜程度無關，不用制作模具，制造周期短，特別適合于單件小批量復雜鑄件的生產(chǎn)和新產(chǎn)品的試制。

激光制芯工藝是采用紅外激光作為熱源來燒結樹脂砂，并以逐層堆積方式成形砂芯的一種快速制芯技術。其基本思想是基于離散抓堆積成形的制造方法，實現(xiàn)從三維CAD模型到實體砂芯的轉變。其基本過程包括：

步驟一、在計算機上實現(xiàn)零件模型的離散過程。首先利用CAD技術構建被加工砂芯的三維實體模型，然后利用分層軟件將三維CAD模型分解成具有一系列厚度的薄片，再用掃描軌跡生成軟件將分層的輪廓信息轉化成激光的掃描軌跡信息。

步驟二、在制芯機上實現(xiàn)零件的層面制造抓堆積成形過程。首先，在成型缸內(nèi)將樹脂砂鋪平，預熱之后，在控制系統(tǒng)控制下，激光束以一定功率和掃描速度在鋪好的樹脂砂層上掃描。被激光掃描過的區(qū)域內(nèi)，樹脂砂表面的樹脂熔化和反應固化，將樹脂砂燒結成具有一定厚度的實體結構，激光未掃描區(qū)域仍是松散的樹脂砂，可以作為下一層的支撐并能在成形完成后去除，這樣得到砂芯的第一層。當一層截面燒結完成后，供粉活塞下移一定距離，通過鋪粉操作，鋪上一層新的樹脂砂，繼續(xù)下一層的激光掃描燒結，新的燒結層與前面已成形的部分連接在一起。如此逐層地添加樹脂砂，有選擇地燒結堆積，最終生成三維實體砂芯。

步驟三、全部燒結完成后，要進行一些后處理工作，如清砂、加熱固化等，處理完成后即可獲得直接使用的砂芯。

激光燒結的原理和工藝過程在美國專利US5,376,580，US5,132,143，US4,863,538和US5,597,589中已有詳述。

用激光燒結方法制造樹脂砂芯和砂型的最大優(yōu)點是不用制造模具，同時也不用考慮砂芯的復雜程度，還可以把多個砂芯組合制造，減少組芯誤差。但是，激光制芯方法目前還存在以下不足：

第一、用激光制芯方法制作的砂芯強度相對于用模具法制作的砂芯強度偏低。特別地，經(jīng)過激光燒結而未經(jīng)過二次加熱固化的初始砂型(Green?Part)強度更低，在砂型從設備取出或清理周圍浮砂的過程中就很容易損壞，對于長徑比較大和自重大的懸臂結構的芯尤其嚴重。

第二、為了易于取件和清件操作，需要加一些體支撐(Volume?Support)結構以防止砂芯的損壞。這不僅增加了激光成型的時間，而且支撐的去除也不易。

第三、為了提高強度，最簡單易行的方法是增加樹脂的含量，但這必然造成砂型發(fā)氣量的提高，易造成鑄造缺陷。

激光燒結樹脂砂的上述缺點，是由成型工藝過程決定的。首先，與射芯方法比較，激光制芯的過程樹脂砂原料是逐層堆砌的，由于沒有壓力，砂粒只能在重力的作用下形成松散的堆積，這樣，樹脂砂顆粒之間不僅相互接觸的點少，而且接觸面也少。而鑄造型殼或型芯的強度正是由接觸面的樹脂粘接強度提供的，砂粒的堆積密度低，就必然導致強度低。其次，樹脂砂在受熱固化前，砂粒外包裹的是一層低聚合度的線性酚醛樹脂，其強度很低，激光燒結時，由于激光的掃描速度通常達到2m/s～4m/s，對樹脂的加熱時間遠遠小于酚醛樹脂的凝膠時間，樹脂的線性分子間來不及發(fā)生交聯(lián)反應或只有少量的分子之間發(fā)生交聯(lián)，這樣，僅由激光燒結得到的砂型，實際上只是由酚醛樹脂受熱熔化或形成部分交聯(lián)將砂粒粘接起來，強度只能達到二次加熱固化后強度的1/10～1/5，很容易損壞。

發(fā)明內(nèi)容