3D打印用耐高温覆膜砂型壳的制造方法与流程

3d打印用耐高温覆膜砂型壳的制造方法
技术领域
1.本发明涉及铸造领域，具体是覆膜砂型壳铸造技术。


背景技术：

2.随着航空航天技术的快速发展，铸件开始向复杂薄壁、外观设计各异以及多油路管道集成的方向发展，产品更新换代频率明显加快。核心装备的整体化与轻量化依赖于关键零部件的高性能和复杂化，采用传统的砂型铸造生产方式已不能满足现代铸造的发展需要。但是3d打印在定制化、小批量、结构复杂的制作方面有着得天独厚的优势，是未来工业发展的重要方向。针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低成本的、耐高温3d打印覆膜砂及打印工艺，极大缩短成型时间、提高铸件表面质量的型/芯成型方法。
3.（1）铸造过程中因型/芯制作周期较长，不仅增加铸造成本并严重影响铸件的生产周期，而且砂型的尺寸精度低，对结构复杂的铸件造型困难，模具的制作也会相应的受到限制，不能使铸件达到真正意义上的近净成形。
4.（2）覆膜砂：砂粒表面在造型前即覆有一层固体树脂膜的型砂或芯砂。有冷法和热法两种覆膜工艺：冷法用乙醇将树脂溶解,并在混砂过程中加入乌洛托品，使二者包覆在砂粒表面，乙醇挥发，得覆膜砂；热法把砂预热到一定温度，加树脂使其熔融,搅拌使树脂包覆在砂粒表面，加乌洛托品水溶液及润滑剂，冷却、破碎、筛分得覆膜砂。用于铸钢件、铸铁件。但是常见的覆膜砂型壳成品在铸造过程中，铸件内部会产生大量气孔等缺陷，造成耐用度不够高的问题。
5.（3）专利技术（2021113749032）采用分层喷射成型进行砂型制备，采用不同砂粒，过程复杂，专利技术（2021107993157）虽采用较为简便的3d打印成型技术，但所使用覆膜砂的制备过程太过复杂，制备难度较高。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种3d打印用耐高温覆膜砂型壳的制造方法。
7.本发明是3d打印用耐高温覆膜砂型壳的制造方法，覆膜砂原砂分为硅砂、锆英砂和陶粒砂，选用质量分数配比为3:7的硅砂和陶粒砂混合，其步骤为：步骤（1）覆膜砂制备：在覆膜前，将原砂通过分筛、球磨改变其粒度及角型系数；将原砂中目数小于30的粗砂筛除，然后通过球磨机进行研磨；角型系数通过计算公式：e=sw/sth，sw为实际比表面，单位：cm2/g， sth为理论比表面，单位：cm2/g，选择角型系数在1.10~1.30；步骤（2）配料：取处理好的原砂100份、粘结剂为磷硅酸铝，占砂的2.0%~5.0%；六亚甲基四胺，占磷硅酸铝13%左右；硬脂酸钙，占磷硅酸铝10%；纳米二氧化硅改性硅树脂，占砂5%；氧化铁，占砂3%~4%；二氧化硅，占砂5%；添加剂，占砂的0.3%；步骤（3）混砂及筛分：利用混砂机对覆膜砂进行强烈搅拌3~5分钟，转动速度为
1700r/min；根据粒度对覆膜砂进行筛分，分为粗粒砂，目数：40~80目；中粒砂，目数：80~120目；细粒砂，目数：120~160目；步骤（4）喷涂：在模型表面喷涂一层磷硅酸铝粘结剂，喷涂温度为70~ 80℃；在粘结层上方喷涂细粒砂，细粒砂层厚度约0.5mm左右，然后加热烘干，使砂粒充分粘结；步骤（5）重复上一步骤，使得细粒砂层厚度达到3~6mm；按照铸件重量及型壳对透气性的要求，喷涂3~6mm厚的细粒砂足以保证铸件表面的光滑度及尺寸精度要求；步骤（6）预热：对覆膜砂进行预热，预热温度至65~70℃，防止覆膜砂在打印过程中由于突然受热后过度膨胀，以保证打印型壳时满足尺寸精度要求；步骤（7）3d型/芯打印：细粒砂喷涂完毕后，利用选区激光烧结进行型壳的打印；设备功率设定为20~25w，能量密度为0.25j/mm2，扫描速度为1500mm/s，厚度0.2mm，光斑直径为0.3~0.5mm；确定参数后，进行型壳的逐层打印。
8.本发明的有益之处是：1.在覆膜砂的制备过程中，由于添加了疏水材料
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纳米二氧化硅改性硅树脂，避免了常规覆膜砂因吸收空气中水分而受潮失效的缺点，使得新型覆膜砂可以适应南方潮湿的气候，降低保存成本；在覆膜砂制备过程中，无机粘结剂磷硅酸铝替换了传统的酚醛树脂，改善了铸造过程中树脂因受热产生大量有害气体的现象，生产环境得到极大改善，同时降低铸件表面产生气孔的几率；2.由于对原始砂粒进行了分级处理，使得细砂粒和粗砂粒的利用率得以极大的提升，极大地降低传统铸造时只使用中等砂粒而造成的材料浪费问题。
9.3.由于在型壳里层喷涂厚度为2-3mm的细粒覆膜砂，细砂紧致的结合性能可以有效减少铸件表面的毛刺和气孔，提高铸件表面质量以及有助于铸件的近净成型；其次砂型只有里层喷涂细粒砂，型壳中间以及外侧使用的覆膜砂砂粒直径逐渐增大，所打印的型壳具有较好的透气性能。
10.4.在模型表面经过预热的粘结剂，在型壳表层喷涂细粒砂，砂粒受热均匀，快速粘接，其次在覆膜砂中添加的氧化铁以及二氧化硅使得覆膜砂具有良好的耐热性，使得型壳里层具有良好的平整性和较高的强度及耐持久性。
11.5.在现实生产中对于铸件的形状、壁厚、结构等要求越来越高，传统铸造技术并不能很好地满足先进结构件的铸造要求，但3d打印技术将三维结构件巧妙地转变成二维平面图形，就能够很好的解决这一问题，3d打印是按照既定轨道，逐层铺粉，不会产生多余浪费，生产周期极大缩短，极大提升资源利用率，一般3d打印资源利用率可达到90%以上。
12.6.因为3d打印对于三维复杂结构的巧妙转化，对于小批量、随机定制且结构复杂的结构件（尤其以航空航天、医疗领域为代表），可以节约绝大部分成本，3d打印不需要传统铸造中所使用的很多机械，打印过程简便快捷，精准安全，后期机加工过程大大缩短甚至可以省略，工程周期可以缩短80%-90%。
具体实施方式
13.本发明是3d打印用耐高温覆膜砂型壳的制造方法，覆膜砂原砂分为硅砂、锆英砂和陶粒砂，选用质量分数配比为3:7的硅砂和陶粒砂混合，其步骤为：步骤（1）覆膜砂制备：在覆膜前，将原砂通过分筛、球磨改变其粒度及角型系数；将
原砂中目数小于30的粗砂筛除，然后通过球磨机进行研磨；角型系数通过计算公式：e=sw/sth，sw为实际比表面，单位：cm2/g， sth为理论比表面，单位：cm2/g，选择角型系数在1.10~1.30；步骤（2）配料：取处理好的原砂100份、粘结剂为磷硅酸铝，占砂的2.0%~5.0%；六亚甲基四胺，占磷硅酸铝13%左右；硬脂酸钙，占磷硅酸铝10%；纳米二氧化硅改性硅树脂，占砂5%；氧化铁，占砂3%~4%；二氧化硅，占砂5%；添加剂，占砂的0.3%；步骤（3）混砂及筛分：利用混砂机对覆膜砂进行强烈搅拌3~5分钟，转动速度为1700r/min；根据粒度对覆膜砂进行筛分，分为粗粒砂，目数：40~80目；中粒砂，目数：80~120目；细粒砂，目数：120~160目；步骤（4）喷涂：在模型表面喷涂一层磷硅酸铝粘结剂，喷涂温度为70~ 80℃；在粘结层上方喷涂细粒砂，细粒砂层厚度约0.5mm左右，然后加热烘干，使砂粒充分粘结；步骤（5）重复上一步骤，使得细粒砂层厚度达到3~6mm；按照铸件重量及型壳对透气性的要求，喷涂3~6mm厚的细粒砂足以保证铸件表面的光滑度及尺寸精度要求；步骤（6）预热：对覆膜砂进行预热，预热温度至65~70℃，防止覆膜砂在打印过程中由于突然受热后过度膨胀，以保证打印型壳时满足尺寸精度要求；步骤（7）3d型/芯打印：细粒砂喷涂完毕后，利用选区激光烧结进行型壳的打印；设备功率设定为20~25w，能量密度为0.25j/mm2，扫描速度为1500mm/s，厚度0.2mm，光斑直径为0.3~0.5mm；确定参数后，进行型壳的逐层打印。
14.以上所述的3d打印用耐高温覆膜砂型壳制造方法，步骤（1）-（6）能够用于制备缓溃散耐高温铸钢用覆膜砂。
15.本发明的实施例为：3d打印用耐高温覆膜砂型壳的制造方法，其步骤为：（1）覆膜砂制备：覆膜砂原砂分为硅砂、锆英砂和陶粒砂，为了提高型壳的耐高温性能和持久性能，选用质量分数配比为3:7的硅砂和陶粒砂混合。陶粒砂较硅砂具有较好的抗压强度和较低的膨胀系数，覆膜砂的覆膜指数受到原砂特性的较大影响，在覆膜前，将原砂通过分筛、球磨改变其粒度及角型系数。初筛时，将原砂中目数小于40的粗砂筛除，然后通过ф1200
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3000型球磨机进行研磨，角型系数通过公式计算得到：e=sw/s
th
，通过相关实验及文献确定，角型系数在1.13左右，其粘结性能最好；（2）覆膜砂制备：取处理好的原砂100份、粘结剂为磷硅酸铝（占砂的2.0%-5.0%）、六亚甲基四胺（占磷硅酸铝13%左右）﹑硬脂酸钙(占磷硅酸铝10%左右)、纳米二氧化硅改性硅树脂（占砂5%左右）、氧化铁（占砂3%-4%）、二氧化硅（占砂5%左右）、添加剂（占砂的0.3%左右），使用混砂机对覆膜砂进行强烈搅拌至散砂状，时间3-5分钟，转动速度为1700r/min，这样制备的覆膜砂会具有较强的耐高温性和较高的粘结性；（3）覆膜砂筛分：根据不同粒度对覆膜砂进行筛分，分为粗粒砂（40-80目）、中粒砂（80-120目）和细粒砂（120-160目）；（4）采用表面热喷涂技术在模型表面喷涂一层粘结剂—-磷硅酸铝，喷涂温度为70℃
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80℃；（5）在粘结层上方利用表面喷涂技术喷涂细粒砂，细粒砂层厚度约0.5mm，然后加
热烘干，使砂粒充分粘结；（6）重复上一步骤，使得细粒砂层厚度达到2-3mm，（细砂层的作用：通过增加细砂层的厚度以保持型壳里层的强度、耐高温性和透气性）；（7）考虑到型壳对透气性的要求，细粒砂层的厚度以2-3mm为宜，由于细粒砂烧结性能优异，喷涂的细粒砂足以保证铸件表面的光滑度及尺寸精度要求；（8）对覆膜砂进行预热，预热温度至65-70℃，防止覆膜砂在打印过程中由于突然受热发生膨胀以及保证打印型壳时满足尺寸精度要求；（9）细粒砂喷涂完毕后，利用选区激光烧结技术，进行型壳的打印过程，（技术选用设备为hlp-500i，由于覆膜砂受到激光的穿透率和功率的影响，以及考虑后期型壳的强度，设备功率设定为20-25w，能量密度为0.25j/mm2，扫描速度为1500mm/s，厚度0.2mm，光斑直径为0.3-0.5mm，这样的参数搭配，不仅能够使砂粒间的固化反应正常进行，又可以避免覆膜砂吸收过多热量而影响砂型强度。确定参数后，进行型壳的逐层打印；（10）在打印结束后，由于激光的能量密度会随着半径的扩大而降低，又可能因为位置不同而使得砂粒的受热不均，会存在砂粒未粘结的现象，进而降低型壳强度，所以为了进一步保持型壳的强度，在打印结束后进行型壳整体烘干，烘干时间与烘干温度分别为30min与230℃（时间过长或者烘干温度过高，都会使得粘结剂熔化粘结效果降低）。