一种3D打印用覆膜砂材料及制备、成型方法与流程

本发明涉及铸造领域，更具体地，涉及一种3D打印用覆膜砂材料及其制备、成型方法。

背景技术：

铸造业属于劳动密集型、高能耗、高污染行业，铸造行业需重点研究与采用、推广先进铸造技术和引入其他先进技术，寻求与先进技术结合点从而改变铸造行业现状，实现铸造行业向低能耗、低污染、高质量方向发展。

3D打印是一种无模具的快速成型方法，目前用于生产铸造铸型已公知的3D打印方法多种多样，但材料较为单一化，公开的有克洛宁方法，此方法为激光烧结3D成型方法，实现了无模具生产，所用材料为热固化类有机类树脂，铸型由涂覆有有机树脂的颗粒材料逐层的构造而成，单个松散的颗粒材料由激光射线选择性地加热而实现有机树脂固化而粘结，覆膜材料为有机树脂。实践中发现，此类材料存在效率低、初强度低、最终凝固需要充足的热量，施加热量后收缩变形严重。

在CN104999031A中公开了一种喷射固化型砂的快速制造方法，在该方法中通过喷头向预先经过混有固化剂的型砂喷射经稀释处理的树脂，被喷射树脂的型砂固化、粘结成型，在此方法中粘结剂的喷射由打印头控制，对粘接剂性能要求高，打印过程需确保加入足够量粘结剂从而控制强度，所以需多组打印头同时工作，打印效率低，设备制作成本高，打印头易堵塞，使用成本高，且粘结剂为有机材料环境污染大，硬化缓慢。

在其他公知的方法中或是初强度低，或是无经济效益，或是粘结剂主要为有机材料环境污染大。

技术实现要素：

针对相关技术中的问题，本发明提出一种3D打印用覆膜砂材料及其制备、成型方法，解决了现有方法中的环境污染大、成型件性能差的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种3D打印用覆膜砂材料，按质量份数，包括95～99.5份基体材料、0.5～5份覆膜材料以及1～5份粘结剂。

在上述3D打印用覆膜砂材料中，基体材料包括石英砂、镁橄榄石砂、莫来石陶粒、铬铁矿砂、宝珠砂、陶粒砂、锆石砂、耐火黏土、玻璃珠中的一种或多种组合。

在上述3D打印用覆膜砂材料中，覆膜材料包括硅酸盐、氟氯酸盐、无水硫铝酸盐、石膏中的一种或多种组合。

在上述3D打印用覆膜砂材料中，基体材料的粒径在40～300目的范围内。

在上述3D打印用覆膜砂材料中，覆膜材料的粒径在500～2000目的范围内。

在上述3D打印用覆膜砂材料中，所述粘结剂包括乙酸乙酯、4-氧代环己甲酸乙酯、乙醇、乙二醇、异丁醇、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或多种组合。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种上述3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料，按质量份数，包括，80-99份上述3D打印用覆膜砂材料、0.5-5份蒸馏水、0.05-0.5份溶剂、0.001-0.08份表面活性剂、纳米级粉体材料1-8份、0.001-0.05份分散剂、0.001-0.05份PH调节剂、0.001-0.08粘度调节剂、0.002-0.08份助溶剂、0.002-0.08份保湿剂。

根据本发明的又一方面，还提供了一种制备上述3D打印用覆膜砂材料的方法，包括：将所述覆膜材料混合均匀；将所述基体材料加入混合均匀的所述覆膜材料中，使所述基体材料与所述覆膜材料充分混合均匀；在混合均匀的所述覆膜材料与所述基体材料中加入粘结剂，使得所述覆膜材料粘附于所述基体材料上，形成包覆膜，制得颗粒材料；将所述颗粒材料进行球磨；将球磨后的所述颗粒材料进行干燥，筛分，制得3D打印用覆膜砂材料。

根据本发明的又另一方面，还提供了一种上述3D打印用覆膜砂材料的成型方法，包括：步骤a:在3D喷墨打印机的铺砂装置铺一层所述3D打印用覆膜砂材料；步骤b:使所述3D喷墨打印机的打印头向所述步骤a中的所述3D打印用覆膜砂材料选择性地喷射所述3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料；步骤c:重复步骤a和步骤b至少一次；步骤d:结束打印，砂芯/型硬化后，抽出干砂，形成砂芯。

在上述成型方法中，所述3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料中的硫含量小于0.5wt％。

本发明的3D打印用覆膜砂材料是无机环保型材料，可解决铸造行业高污染等问题，以及可用3D喷墨打印方式打印成型体，拓宽3D打印应用领域，且成型体强度好，以及各项性能参数满足金属铸造铸型技术要求，故此成型体可以替代铸造铸型，促使铸造行业向“绿色铸造”方向发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明优选实施例的3D打印用覆膜砂材料中的覆膜材料和基体材料的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种3D打印用覆膜砂材料，按质量份数，包括95～99.5份基体材料和0.5～5份覆膜材料，覆膜材料01均匀地包覆基体材料02如图1所示。

其中，基体材料包括石英砂、镁橄榄石砂、莫来石陶粒、铬铁矿砂、宝珠砂、陶粒砂、锆石砂、耐火黏土、玻璃珠中的一种或多种组合，以及基体材料的粒径在40～300目的范围内，优选地，基体材料材料粒度范围可选200-300目、100-200目、70-140目、50-100目、40-70目。覆膜材料包括硅酸盐、氟氯酸盐、无水硫铝酸盐、石膏的一种或多种组合，优选地，硅酸盐是由石灰石、黏土、矾土、萤石为原料经特殊加工而形成的硅酸三钙(Ca3SiO5)，氟氯酸盐是氟氯酸钙(11CaO·7Al2O3·CaF2)，无水硫铝酸盐是硫铝酸钙(3CaO·3Al2O3·CaSO4)等具有活性的粉体材料中的一种或多种组合，以及覆膜材料的粒径在500～2000目的范围内。优选地，该3D打印用覆膜砂材料还包括0.1～5份的粘结剂，此粘结剂主要是确保覆膜材料覆着于基体材料之上，不改变覆膜材料性能，且粘结剂选用本领域常用的粘结剂，可以包括酯类、醇类、高分子聚合物、淀粉中的一种或多种组合，例如，粘结剂包括乙酸乙酯、4-氧代环己甲酸乙酯、乙醇、乙二醇、异丁醇、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或多种组合。

本发明提供的3D打印用覆膜砂材料，基体材料与覆膜材料之间的粘附一方面依靠粘结剂，另一方面依靠颗粒之间粒径差距实现机械化学法进行粘附，粒径较大的基体材料与粒径较小的覆膜材料之间的相互吸附与粘结，粒径较小覆膜材料附着于粒径较大基体材料表层，形成覆盖层，当粒径较小的覆膜材料完全覆盖粒径较大基体材料表层后形成均匀的覆膜层。

上述3D打印用覆膜砂材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将覆膜材料混合均匀。在该步骤中，可以通过高速搅拌混合方式进行充分混合。

步骤2：将基体材料加入混合均匀的覆膜材料中，使基体材料与覆膜材料充分混合均匀。

步骤3：在混合均匀的覆膜材料与基体材料中加入粘结剂，使得覆膜材料粘附于基体材料上，形成包覆膜，制得颗粒材料。在该步骤中，将粘结剂中的酯类有机物充分搅拌均匀，使得覆膜材料在溶液的作用下粘附于基体材料之上，形成包覆膜。

步骤4：将颗粒材料进行球磨。颗粒在球磨破碎后在溶液作用下形成的块状物。

步骤5：将球磨后的颗粒材料进行干燥，筛分，制得D打印用覆膜砂材料。在干燥过程中，采用喷雾干燥类方式进行干燥，使易挥发物挥发并且将挥发后的有溶剂进行冷却回收二次利用。

上述3D打印用覆膜砂材料的成型方法，包括：步骤a:在3D喷墨打印机的铺砂装置铺一层3D打印用覆膜砂材料；步骤b:使3D喷墨打印机的打印头向步骤a中的3D打印用覆膜砂材料选择性地喷射3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料；步骤c:重复步骤a和步骤b至少一次；步骤d:结束打印，砂芯/型硬化后，抽出干砂，形成砂芯。在步骤b中，当无机覆膜砂材料和液体配方型材料接触后，附着在基体材料上的覆膜材料与液体配方型材料中的蒸馏水发生凝胶与结晶反应，晶体、胶体相互交错成网状，晶体起主要的承力骨架作用，胶体起胶结作用，二者共同生长，紧密结合，最终随着游离水的减少形成以基体材料为主要填充的坚固致密的成型体，即砂芯。

其中，3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料由上述3D打印用覆膜砂材料80-99份、蒸馏水0.5-5份、溶剂0.05-0.5份、表面活性剂0.001-0.08份、纳米级粉体材料1-8份、分散剂0.001-0.05份、PH调节剂0.001-0.05份、粘度调节剂0.001-0.08、助溶剂0.002-0.08份、保湿剂0.002-0.08份等组成。优选地，3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料由上述3D打印用覆膜砂材料、多糖、硫酸钙、异丙酮、聚丙烯酸钠、乙二醇、丙二醇、三乙醇胺、纳米级二氧化硅、纳米级三氧化二铝按比例配置而成。且3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料中的硫含量小于0.5wt％。

本发明的3D打印用覆膜砂材料是无机环保型材料，可解决铸造行业高污染等问题，以及可用3D喷墨打印方式打印成型体，拓宽3D打印应用领域，且成型体强度好，以及各项性能参数满足金属铸造铸型技术要求，故此成型体可以替代铸造铸型，促使铸造行业向“绿色铸造”方向发展。

实施例1

将0.5份的由氟氯酸钙和硅酸三钙组成的覆膜材料通过高速搅拌混合方式，混合均匀。将99.5份的由石英砂和镁橄榄石砂组成的基体材料加入混合均匀的覆膜材料中，使基体材料与覆膜材料充分混合均匀。在混合均匀的覆膜材料与基体材料中加入1份包括聚乙烯醇制得的粘结剂，使得覆膜材料粘附于基体材料上，形成包覆膜，制得颗粒材料。将颗粒材料进行球磨。将球磨后的颗粒材料采用喷雾干燥类方式进行干燥，筛分，制得3D打印用覆膜砂材料。

将99份上述3D打印用覆膜砂材料以及5份蒸馏水、0.5份溶剂、0.08份表面活性剂、纳米级粉体材料8份、0.05份分散剂、0.05份PH调节剂、0.08粘度调节剂、0.08份助溶剂、0.08份保湿剂制得，3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料。

实施例2

将5份的由氟氯酸钙和硫铝酸钙组成的覆膜材料通过高速搅拌混合方式，混合均匀。将95份的由铬铁矿砂组成的基体材料加入混合均匀的覆膜材料中，使基体材料与覆膜材料充分混合均匀。在混合均匀的覆膜材料与基体材料中加入5份由异丙酮和乙醇制得的粘结剂，使得覆膜材料粘附于基体材料上，形成包覆膜，制得颗粒材料。将颗粒材料进行球磨。将球磨后的颗粒材料采用喷雾干燥类方式进行干燥，筛分，制得3D打印用覆膜砂材料。

将80份上述3D打印用覆膜砂材料以及0.5份蒸馏水、0.05份溶剂、0.001份表面活性剂、纳米级粉体材料1份、0.001份分散剂、0.001份PH调节剂、0.001粘度调节剂、0.002份助溶剂、0.002份保湿剂制得，3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料。

实施例3

将3份的包括氟氯酸钙的覆膜材料通过高速搅拌混合方式，混合均匀。将99份的由铬铁矿砂组成的基体材料加入混合均匀的覆膜材料中，使基体材料与覆膜材料充分混合均匀。在混合均匀的覆膜材料与基体材料中加入3份由异丙酮制得的粘结剂，使得覆膜材料粘附于基体材料上，形成包覆膜，制得颗粒材料。将颗粒材料进行球磨。将球磨后的颗粒材料采用喷雾干燥类方式进行干燥，筛分，制得3D打印用覆膜砂材料，待用。

将90份上述3D打印用覆膜砂材料以及4份蒸馏水、0.4份溶剂、0.001份表面活性剂、纳米级粉体材料5份、0.03份分散剂、0.04份PH调节剂、0.001粘度调节剂、0.05份助溶剂、0.01份保湿剂制得，3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料。

使上述实施例1～3制得的3D打印用覆膜砂材料成型，包括：步骤a:在3D喷墨打印机的铺砂装置铺一层所述3D打印用覆膜砂材料；步骤b:使所述3D喷墨打印机的打印头向所述步骤a中的所述3D打印用覆膜砂材料选择性地喷射所述3D打印用覆膜砂材料的液体配方型材料；步骤c:重复步骤a和步骤b至少一次；步骤d:结束打印，砂芯/型硬化后，抽出干砂，形成砂芯。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。