[發明專利]一種提高3D打印砂型/砂芯的高溫強度的方法

在審

• 申請號: 201710319726.5
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN106984771A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 姚山;王祥宇;張雪;趙樞明;姚平坤;童強
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B22C9/02
• 分類號: B22C9/02;B22C9/12;B33Y40/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 李曉亮,潘迅

技術領域

本發明屬于3D打印領域，涉及一種提高3D打印砂型或砂芯的高溫強度的方法，尤其涉及鑄造行業中強化砂型或砂芯高溫強度的方法，適用于復雜形狀、結構細小的3D打印砂型/芯。

背景技術

3D打印無模制造技術完全突破了傳統鑄型成型方法，實現功能與形狀的復合體。任意形狀和結構的鑄型都可以由3D打印成型機完成，但是極端高溫的環境下3D打印砂芯面臨強度下降結構潰斷的危險，直接決定鑄件結構完整性，3D打印的復雜形狀、結構細小的潛力難以發揮。

傳統鑄造造型過程中，一些特殊功能和性能的鑄件往往形狀復雜、結構細小，單一常規造型砂造型，即便能成型，也很難有足夠的性能保證充型的完整性，常規做法是用金屬或陶瓷做芯骨，能獲得很好效果，砂芯的直徑能夠很細，但是結構復雜時芯骨添加比較困難，限制了芯骨的應用。

3D打印技術實現了任意形狀和結構的無模成型，成型材料材質單一，目前在砂型打印過程中很難做到砂型不同部位材質和性能定制化，后續也不能在砂型需要部位添加提高性能的芯骨，相對厚實簡單部位可以手工打眼加芯骨，但是細小結構就不能實現芯骨的添加。

發明內容

為了解決3D打印砂型或砂芯細、薄以及復雜形狀結構的高溫失效、潰斷的問題，本發明提出一種提高3D打印砂型/砂芯的高溫強度的方法，該方法工藝簡單、成本低、操控性好，可有效提高3D打印復雜砂型或砂芯的中、高溫抗沖擊強度，減少砂型砂芯中水汽含量，降低鑄造難度；提高砂型和砂芯結構的精巧度和復雜度，充分發揮3D打印的造型優勢。

為了達到上述目的，本發明的技術方案為：

一種提高3D打印砂型/砂芯的高溫強度的方法，包括以下步驟：

(1)3D打印砂型和砂芯

打印結構分析，設計打印工藝，用3D打印機打印粉體材料，得到3D打印砂型和砂芯清理固化并脫模。

(2)配兌粘結劑

將粘結劑和耐火材料按1:(0～1)的質量比混合攪拌均勻后，加入水配置波美度為1～60的粘結劑稀釋液，根據實際工藝需求配置相應波美度的稀釋液，不同波美度粘結劑將制得不同高溫強度以及潰散性能的砂型和砂芯。

所述的粘結劑為模數為1.5-3.5的水玻璃，所述的耐火材料為氣相二氧化硅粉，耐火材料粒徑為7nm～1mm。

(3)真空浸滲

將步驟(1)3D打印砂型和砂芯完全浸入步驟(2)配兌好的粘結劑稀釋液中1～5分鐘，置于真空箱內進行負壓排氣處理，在10～80℃溫度條件下，到達并保持真空狀態10分鐘，待砂型、砂芯和液體中氣體完全排出并上浮后，打開氣閥增壓，增壓的過程中粘結劑在外部壓力和粘結劑稀釋液密封的環境下完全滲入或部分滲入3D打印砂型和砂芯，達到同時提高常溫和高溫強度的目的。所述的粘結劑溫度為10～50℃。

真空環境下排盡砂型/芯和粘結劑中的氣體，增壓的過程中，難潤濕、粘度大等難以浸入鑄型內部的粘結劑在外部壓力和液體密封的環境下完全滲入或有一定滲層厚度，達到同時提高常溫和高溫強度的目的；控制滲層的厚度能兼顧較好的潰散性和高溫強度；溫度10～80攝氏度下能更好的改善粘度和排氣性，降低真空和增壓作業時間。

(4)清洗固化

經過步驟(3)真空浸滲后的砂型和砂芯的表面覆蓋有一層涂層，為不影響砂型和砂芯原有尺寸精度，砂型和砂芯的表面進行清洗，還原砂型和砂芯原有的尺寸精度，不改變常規涂料涂敷工藝的同時強化常溫和高溫強度；再進行脫水、固化處理，最后進行常規涂料涂掛、烘烤澆鑄、超聲波脫模。所述的清洗為常規清洗或采用超聲波清洗儀清洗；所述的固化方式為自然固化、加熱爐固化或微波烘箱固化，微波采用家用微波爐或工業微波烘箱。

本發明的有益效果是：

3D打印砂型/芯的常溫強度和高溫強度得到有效提升，壁厚4mm的砂芯完成了1400攝氏度高溫的鐵水澆鑄，超聲波清洗有效的使砂型潰散，同時微波處理能有效排出鑄型的水汽，大大降低了鑄造工藝難度，使薄壁、復雜砂型澆鑄變得簡單。任何造型的砂型和砂芯，包括形狀復雜、細小單薄結構，懸臂易斷結構均可以采用此方法進行強化。

本發明能夠解決3D打印砂型或砂芯細、薄以及復雜形狀結構的高溫失效、潰斷的問題，提高3D打印復雜砂型或砂芯的中、高溫抗沖擊強度，保證鑄件充型的完整性和3D打印在鑄造應用中優勢的充分發揮。本發明方法工藝簡單、成本低、操控性好，通過調配粘結劑可以適應各種溫度澆鑄的砂型和砂芯，加以適當的技術方法能保持良好的潰散性；減少砂型砂芯中水汽含量；提高砂型和砂芯結構的精巧度和復雜度，充分發揮3D打印的造型優勢。

附圖說明