[发明专利]一种内部和表面同步增强增韧的3D打印砂型的制备方法

说明书

本发明公开了一种内部和表面同步增强增韧的3D打印砂型的制备方法，采用砂型内部和表面同步增强增韧工艺，有效消除了3D打印砂型的各向异性。该方法经过混沙操作，在打印阶段将增强增韧聚合物粉末均匀引入到多孔砂型骨架中，在后续热处理过程中，粉末状聚合物熔融成液态，并在砂型孔洞中流动、融合，堵塞孔隙，有效解决3D打印砂型孔隙率高的问题，同时在降温过程中固化形成贯穿砂型的聚合物网，在砂型内部构筑了增强增韧网络。利用液态混合物浸润砂型表面，随后经高温后处理，使液态混合物于砂型表面一定厚度范围内固化为三维交联聚合物网，在砂型表面构筑了增强增韧网络，表面颗粒脱落问题得以解决。

技术领域

本发明涉及3D打印砂型领域，具体为一种内部和表面同步增强增韧的3D打印砂型的制备方法。

背景技术

3D打印为快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属、聚合物以及无机非金属材料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术与设备的发展，将细砂一层一层堆叠，再利用特殊设计的喷头按照零件截面的形状喷射特殊粘合剂，就可以将砂子粘结在一起，通过反复铺砂-选择性喷射粘结用粘合剂的操作，就可制备几何结构极为复杂的砂型。

3D打印砂型最早的应用领域为铸造领域，将3D打印砂型运用在铸造中，大大改观了传统铸造工艺繁复、自动化程度低、制造精度低的问题。3D打印砂型省去了制作砂型模具的时间和费用，大大缩短了新产品的开发周期和成本，不需要考虑脱模的因素，无拔模斜度；3D技术可以将零散的小砂型打印为一个整体，避免了手工制芯、造型中组芯过程造成的累积误差，提高了砂型的尺寸精度，避免了因砂型尺寸不符造成铸件尺寸超差的缺陷，且节省了部分组芯工序；3D工艺以数字模型文件为基础打印砂型，可灵活、及时修改设计方案，且可以完成手工造型无法完成的复杂型腔结构的打印，降低了生产难度；3D打印技术还大幅改善了铸造现场的环境，降低了操作人员的劳动强度，用3D打印机替代了人工制芯、造型，节省了人力成本，同时实现了铸造业的智能生产、绿色生产；3D打印砂型无需制模、反模等复杂的过程，就可以制作出非常复杂的铸件，成功摆脱了工艺方法对铸件形状的约束；3D打印砂型使单件大型铸件或者小批量生产的大型铸件的生产周期缩短，从而使得生产成本降低。因此，3D打印砂型技术已为铸造行业的快速发展注入了新的动力。除在铸造领域的应用，3D打印砂型亦可应用于其他领域，如在装饰品、普通艺术品、彩绘艺术品、建筑以及户外文创等方面的应用，同时还可作为模具在特种聚合物以及异型塑料件、异型耐火材料件成型中发挥作用，且随打印材料、设备、工艺的不断发展，3D打印砂型的应用领域不断扩大。

尽管3D打印砂型在多个领域获得应用，但受3D打印机铺沙机构、喷头结构、喷头材质、粘合剂流变特性与固化方式以及砂子质量的限制，设计的3D打印机通常只适用于特定的粘合剂体系以及特定粒径的砂子，不具普适性，再加上3D打印成形原理是使用粘结剂将粉末颗粒逐层粘结固化，其特殊的成形原理使得砂型的孔隙率较高，且打印的砂型在X、Y、Z三个方向上存在各向异性，这样打印的砂型在面对新应用时就会在强度与韧性方面显现出不足与差异。因此，需要对其进行额外的加固与增韧处理。文献《Sivarupan T，El MansoriM，Coniglio N，Dargusch M，Effect of process parameters on flexure strength andgas permeability of3D printed sand molds，JOURNAL OF MANUFACTURING PROCESSES，2020，54：420-437.》中通过调节铺沙速度、打印分辨率等来优化砂型的强度以及抑制各向异性，该方法虽在一定程度上降低了3D打印砂型的孔隙率，并在一定程度上抑制了3D打印砂型的各向异性，但孔隙率以及各向异性问题依然存在，强度提升幅度不大，仍旧制约着3D打印砂型的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种内部和表面同步增强增韧的3D打印砂型的制备方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种内部和表面同步增强增韧的3D打印砂型的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：