一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方及其使用方法组成比例

本发明专利技术公开了一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方及其使用方法,所述水粘结剂包含以下组分：5%

A water binder formula for frozen sand mold additive manufacturing and its application method

【技术实现步骤摘要】
一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方及其使用方法


[0001]本专利技术属于增材制造、能够实现冷冻砂型低温打印
；尤其涉及一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方及其使用方法。

技术介绍

[0002]冷冻砂型3DP技术是采用水基溶液做粘结剂，型砂材料（硅砂、锆英砂和铬铁矿砂）作为耐火骨料，基于微滴喷射原理在低温环境下对每层砂层上选择性喷射液滴，使其快速冷冻粘结型砂，浇注获得合格铸件的一种绿色铸造成形方法。
[0003]在3DP打印工艺过程中，一般要求用于喷射的粘合剂具有适当的表面张力、粘度、电导率，PH值等参数，以便满足打印头沉积，充分润湿粉末床以实现适当的渗透，并且要求粘合剂有足够的粘合强度，提供打印生坯足够的结构完整性。因此，用于3DP的粘合剂配方设计非常重要。此外，打印分辨率也取决于粘合剂的配方。传统的冷冻砂型翻模造型以纯水为粘接剂，依赖水在低温下的相变来粘结型砂成形。但纯水的表面张力过大（73.5mN/m左右）、粘度过小（1mpa
·
s左右），目前市面上尚没有成熟稳定的能够打印纯水的工业级阵列喷头。
[0004]针对上述问题，需要在纯水中加入一定量的改性添加剂来调节粘结剂溶液性能；但过大剂量添加剂的加入，可能会增大冷冻砂型铸造对环境危害，背离绿色环保的研究初衷。因此有必要开发少、无危害冷冻砂型打印用水基粘接剂，满足微滴喷射成形工艺需要和冷冻砂型环保性要求。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了冷冻砂型增材制用水粘结剂配方及其使用方法，通过调粘改张的方法使得水基粘结剂表面张力在30
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50mN/m，粘度在2
‑
4.5mpa
·
s，电导率在2000μS/cm以下，PH值适中，获得满足工业阵列喷头的打印专用水粘结剂配方。
[0006]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，其特征在于：所述配方包含质量占比5%
‑
30%的亲水性小分子类溶剂、0%
‑
5%金属纳米颗粒和65%
‑
90%水基粘剂。
[0007]进一步优选，所述配方包含质量占比5%
‑
30%的亲水性小分子类溶剂、1%
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5%金属纳米颗粒和69%
‑
90%水基粘剂。
[0008]所述亲水性小分子溶剂选自异丙醇、2
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甲基
‑
1,3丙二醇、聚乙二醇400、2
‑
吡咯烷酮中的一种或多种；所述小分子溶剂密度为0.7～1.2g/ml。
[0009]所述异丙醇质量占比1.7%
‑
63.2%、2
‑
甲基
‑
1,3丙二醇质量占比1.3%
‑
73.5%、聚乙二醇400质量占比3.7%
‑
60.3%、2
‑
吡咯烷酮质量占比1.9%
‑
69.6%。
[0010]优选的，所述金属纳米颗粒包括银纳米颗粒、金纳米颗粒和铜纳米颗粒中的一种或多种，用于调节水基粘剂的电导率在2000μS/cm以下。
[0011]优选的，所述水基粘剂包括纯水、去离子水、盐水中的一种。
[0012]其中本专利技术最优选的水基粘剂是纯水。水基粘结剂在降低生产成本的同时，更加环保。
[0013]优选的，所述亲水小分子溶剂多种溶剂配合使用，其中至少包含一种高挥发性溶剂和一种低挥发性溶剂；其主要作用是降低粘结剂溶液的表面张力，提高粘结剂粘度，同时提高粘合剂组合对粉末的润湿和渗透性，便于阵列喷头快速打印，同时提高打印层与层之间的粘结。
[0014]进一步地，水粘结剂中导电相含量（质量分数）为 0～5%，金属纳米颗粒的直径约50～200nm。
[0015]本专利技术还提供了一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方使用方法，具体实施步骤为：S1、将5%
‑
30%质量占比的亲水性小分子类溶剂、金属纳米颗粒和水基粘剂（70%以上）在15～25℃下均匀混合，得到水基粘结剂溶液。其中，所述小分子类溶剂为异丙醇、2
‑
甲基
‑
1,3丙二醇、聚乙二醇400、2
‑
吡咯烷酮中的一种或多种，密度在0.7～1.2g/ml之间。
[0016]S2、设计配方均匀设计表，基于设计表调配各水粘结剂样品，并分别使用旋转粘度计、表面张力仪、酸度计，电导率仪测定样品的动力粘度、表面张力、PH值和电导率。
[0017]S3、将步骤S3配置的水粘结剂转移到冷冻砂型打印专用设备喷射装置进行打印测试，打印完成后，转移砂箱置于
‑
60～0℃可调工业冰箱中下过冷处理3~12小时，获得强度、硬度满足浇注要求的冷冻砂型。
[0018]优选的，步骤S1中的水基粘剂包括纯水、去离子水、盐水中的一种。所述水粘结剂中导电相含量（质量分数）为 1%～5%，金属纳米颗粒的直径约50～200nm。
[0019]优选的，步骤S3中所述砂型材质为石英砂、锆英砂、铬铁矿砂一种或多种。考虑到打印过程中，型砂颗粒的形状和尺寸对水粘结剂液滴的渗透的影响。所述型砂颗粒级配优选为70
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140目数，但不限于这一尺寸范围。
[0020]本专利技术的有益效果：（1）该一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方采用水作为粘接剂，来源广泛，价格低廉，不使用有机树脂和其他粘接剂，可避免浇注中发气量大、废砂回收再利用困难的问题；（2）绿色无污染，型砂直接回收率达到90%以上，细化晶粒；铸件性能得到显著的提高；（3）通过调粘改张的方法实现水粘结剂表面张力在30
‑
50mN/m，粘度在2
‑
4.5mpa
·
s，电导率在2000μS/cm以下，PH值适中，满足锐发工业阵列喷头的稳定喷射要求。
具体实施方式
[0021]下面结合具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0022]实施例1一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，所述配方包含质量占比20%的亲水性小
分子类溶剂、1%金属纳米颗粒和79%纯水溶剂。所述亲水性小分子溶剂选自0.34%质量分数的异丙醇，密度0.79 g/ml、5.08%质量分数的2
‑
甲基
‑
1,3丙二醇，密度1.02g/ml、5.1%质量分数的聚乙二醇400，密度1.12g/ml、9.48%质量分数的2
‑
吡咯烷酮，密度1.12g/ml。
[0023]一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方使用方法，具体实施步骤为：S1、将20%质量占比的亲水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，其特征在于：所述配方包含质量占比5%
‑
30%的亲水性小分子类溶剂、0%
‑
5%金属纳米颗粒和65%
‑
90%水基粘剂。2.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，其特征在于：所述配方包含质量占比5%
‑
30%的亲水性小分子类溶剂、1%
‑
5%金属纳米颗粒和69%
‑
90%水基粘剂。3.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，其特征在于：所述亲水性小分子溶剂选自异丙醇、2
‑
甲基
‑
1,3丙二醇、聚乙二醇400、2
‑
吡咯烷酮中的一种或多种；所述小分子溶剂密度为0.7～1.2g/ml。4.据权利要求3所述的一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，其特征在于：所述异丙醇质量占比1.7%
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63.2%、2
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甲基
‑
1,3丙二醇质量占比1.3%
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73.5%、聚乙二醇400质量占比3.7%
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60.3%、2
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吡咯烷酮质量占比1.9%
‑
69.6%。5.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，其特征在于：所述金属纳米颗粒包括银纳米颗粒、金纳米颗粒和铜纳米颗粒中的一种或多种，用于调节水基粘剂的电导率在2000μS/cm以下。6.根据权利要求1所述的一种冷冻砂型增材制造用水粘结剂配方，其特征在于：所述水基粘剂包括纯水、去离子水...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩秦，单忠德，施建培，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：