CN102850808B - 一种激光烧结用复合蜡粉成型材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种激光烧结用复合蜡粉成型材料，由双组份蜡粉材料、气相二氧化硅、有机膨润土、二苯甲酮类光吸收剂和非离子型抗静电剂混合组成，其中的双组份蜡粉材料由环球软化点80～100℃的中分子量聚乙烯蜡与环球软化点为60～80℃的低分子量聚乙烯蜡混合后，经真空干燥预收缩和液氮淬冷后制成。本发明激光烧结用复合蜡粉成型材料在激光烧结过程中的收缩、翘曲变形等问题得以改善，烧结件尺寸精度得到提升，制成的蜡粉成型件线收缩率仅为0.3～0.6%，尺寸稳定，可以满足高精度、大尺寸蜡型和蜡模的制作。

Description

一种激光烧结用复合蜡粉成型材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种蜡粉成型材料，特别是涉及一种用于激光烧结的复合蜡粉成型材料，以及该复合蜡粉成型材料的制备方法。

背景技术

蜡型制造是熔模精密铸造的重要工序。目前蜡型的制造方法主要有两种：一是采用模具翻模，二是采用聚苯乙烯粉末或蜡粉通过快速成型工艺制造。

模具翻模工艺过程复杂，模具设计和制造周期长。例如一套柴油机用增压器压气机叶轮模具的设计和制造需要几个月的时间，当叶轮结构需要改变时，原模具将白白浪费。模具的设计和制造及工艺定型成为加快新产品研制进程的一大制约。

由于聚苯乙烯熔点较高，在熔模铸造过程中必须采用高温焙烧，这样会产生大量刺激性有毒气体，对环境污染较大；另外，在焙烧过程中，由于薄壁处灰分难以清除，经常造成零件不完整或表面质量下降。

传统的快速成型用蜡粉原材料均为单一组分，在激光烧结过程中存在收缩变形大，制作的蜡模尺寸精度差等缺点，蜡粉成型件的线收缩率达到1～3%，致使蜡粉材料无法在激光烧结快速成型领域体现它的优良性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光烧结用复合蜡粉成型材料，该成型材料在激光烧结过程中收缩变形小。

本发明的目的还在于提供一种该激光烧结用复合蜡粉成型材料的制备方法。

本发明的激光烧结用复合蜡粉成型材料是由下述重量份数的原料组份混合得到的：

双组份蜡粉材料　　　　　1000～2000

气相二氧化硅　　　　　　1～10

有机膨润土　　　　　　　5～20

二苯甲酮类光吸收剂　　　5～30

非离子型抗静电剂　　　　1～10

其中，所述的双组份蜡粉材料是由环球软化点为80～100℃的中分子量聚乙烯蜡与环球软化点为60～80℃的低分子量聚乙烯蜡按照1000：300～1000的重量比混合，经真空干燥预收缩和液氮淬冷后制成的蜡粉材料。

本发明的双组份蜡粉材料中，低分子量聚乙烯蜡充当了中分子量聚乙烯蜡的粘结剂，在相同的激光能量密度下，中分子量聚乙烯蜡的熔融粘度高于低分子量聚乙烯蜡，所以中分子量聚乙烯蜡的收缩率远小于低分子量聚乙烯蜡，经过激光烧结后，整体零件的收缩率大大减小。

进一步地，上述双组份蜡粉材料中，优选以平均粒径5～20微米的中分子量聚乙烯蜡和低分子量聚乙烯蜡作为原料。

上述复合蜡粉成型材料中，所述的二苯甲酮类光吸收剂为2,4-二羟基二苯酮、2-羟基-4-甲氧基二苯酮或2-羟基-4-辛氧基二苯酮。传统的蜡粉材料在激光烧结过程中的光吸收效果不好，并导致烧结深度不够，本发明加入光吸收剂后，则可以明显改善上述状况。

本发明还在复合蜡粉成型材料中添加有抗静电剂。本发明加入的抗静电剂为非离子型抗静电剂，如环烷酸甘油酯、甘露糖醇酯或山梨糖醇酯等中的一种或几种。抗电剂的加入可以显著降低塑料制品的表面电阻，抗静电高效、持久，与树脂相容性适宜。

本发明中加入的气相二氧化硅和有机膨润土作为表面活性剂，可以提高混合材料的流动性，使得铺粉密度提高，从而提高了最终成型件的表面精度。

本发明激光烧结用复合蜡粉成型材料的制备方法包括以下步骤：

a)、将中分子量聚乙烯蜡与低分子量聚乙烯蜡分别于-150～-200℃低温粉碎成平均粒径5～20微米的蜡粉材料；

b)、按照中分子量聚乙烯蜡与低分子量聚乙烯蜡为1000：300～1000的重量比将两种蜡粉材料在混合机中混合得到混合料，所述混合机的转速为100～500r/min；

c)、将所述混合料于真空干燥箱中进行预收缩处理，真空干燥箱温度50～65℃，真空度不低于10^-3Pa；

d)、预收缩处理后的混合料从真空干燥箱中取出后迅速以液氮进行淬冷；

e)、淬冷后的混合料通过100～160目筛，得到双组份蜡粉材料；

f)、按照1000～2000重量份双组份蜡粉材料、1～10重量份气相二氧化硅、5～20重量份有机膨润土、5～30重量份二苯甲酮类光吸收剂、1～10重量份非离子型抗静电剂的比例，将上述各原料组分混合，于混合机中分散混合均匀，制得激光烧结用复合蜡粉成型材料。

其中，所述步骤b)中，两种蜡粉材料在混合机中的混合时间不少于30min。优选地，本发明将两种蜡粉材料在混合机中以间歇混合的方式进行混合，且每次混合的时间为5～20min。

所述步骤c)中，将混合料在真空干燥箱温度到达50～65℃后保温处理5～20min，期间真空度不低于10^-3Pa，以防止蜡粉氧化而没有烧结活性。

所述步骤d)中将混合料从真空干燥箱取出后迅速用液氮淬冷的目的一是防止蜡粉氧化，二是通过淬冷使蜡粉进一步收缩。淬冷后的混合蜡粉筛分通过100～160目筛，部分已粘结的物料应再次进行低温粉碎并通过100～160目筛。

最终在混合机中以100～500r/min的转速将原料组份分散混合均匀，制备得到复合蜡粉成型材料。

本发明的激光烧结用复合蜡粉成型材料以双组份蜡粉材料为主要原料，该双组份蜡粉材料以适当比例的中分子量聚乙烯蜡和低分子量聚乙烯蜡混合制成，并进行了预收缩和淬冷处理。预收缩的目的是通过提前热作用，使低软化点蜡包裹在高软化点蜡表面，以形成核壳结构，在激光烧结成型过程中，同样的预热温度和激光功率密度下，只有壳层的低软化点蜡料熔化，核层的高软化点蜡料相互之间通过熔化的低软化点蜡连接，几乎不熔化，体积几乎不变，导致成型零件的收缩率大大减小。淬冷的目的则是通过强制降温的手段，使双组份蜡粉材料的体积提前收缩，这样，由于已经提前收缩了，在激光烧结时，成型件的收缩率就会很小。

通过采取上述措施，使得本发明的激光烧结用复合蜡粉成型材料较好的改善了普通蜡粉在激光烧结过程中产生的收缩、翘曲变形等问题，并且在烧结件的尺寸精度方面得到了很大的改善。使用本发明复合蜡粉成型材料制成的蜡粉成型件，线收缩率仅为0.3～0.6%，尺寸稳定，可以满足高精度、大尺寸蜡型和蜡模的制作。同时，在熔模铸造过程中，具有灰分少、易脱蜡、无污染等特点，铸造工艺与传统工艺更为接近，在制作高精度蜡型、铸造用蜡模方面应用广泛。

具体实施方式

实施例1

将环球软化点80～100℃的中分子量聚乙烯蜡和环球软化点60～80℃的低分子量聚乙烯蜡分别在低温冷冻粉碎设备中-150℃粉碎，过500目筛。取粉碎好的中分子量聚乙烯蜡1Kg，低分子量聚乙烯蜡300g，放入混合机中，以100r/min的转速低速混合20min，停机5min后，再以300r/min的转速高速混合15min。将混合料装入真空干燥箱中，抽真空至10^-4Pa，升温至50℃，保温20min。从真空干燥箱中取出混合料，迅速用液氮淬冷。将淬冷后的物料过160目标准筛，制得双组分蜡粉材料。

在上述双组分蜡粉材料中添加气相二氧化硅3g、有机膨润土5g、2,4-二羟基二苯酮5g、环烷酸甘油酯1g，在混合机内以200r/min的转速混合均匀，过160目标准筛，制成激光烧结用复合蜡粉成型材料。

实施例2

将环球软化点80～100℃的中分子量聚乙烯蜡和环球软化点60～80℃的低分子量聚乙烯蜡分别在低温冷冻粉碎设备中-200℃粉碎，过500目筛。取粉碎好的中分子量聚乙烯蜡1Kg，低分子量聚乙烯蜡500g，放入混合机中，以300r/min的转速混合20min，停机5min，再以300r/min的转速混合20min。将混合料装入真空干燥箱中，抽真空至10^-4Pa，升温至55℃，保温15min。从真空干燥箱中取出混合料，迅速用液氮淬冷。将淬冷后的物料过160目标准筛，制得双组分蜡粉材料。

在上述双组分蜡粉材料中添加气相二氧化硅5g、有机膨润土10g、2-羟基-4-辛氧基二苯酮10g、环烷酸甘油酯3g，在混合机内以250r/min的转速混合均匀，过160目标准筛，制成激光烧结用复合蜡粉成型材料。

实施例3

将环球软化点80～100℃的中分子量聚乙烯蜡和环球软化点60～80℃的低分子量聚乙烯蜡分别在低温冷冻粉碎设备中-200℃粉碎，过500目筛。取粉碎好的中分子量聚乙烯蜡1Kg，低分子量聚乙烯蜡700g，放入混合机中，以500r/min的转速混合10min，停机3min，再以200r/min的转速混合20min。将混合料装入真空干燥箱中，抽真空至10^-4Pa，升温至60℃，保温10min。从真空干燥箱中取出混合料，迅速用液氮淬冷。将淬冷后的物料过160目标准筛，制得双组分蜡粉材料。

在上述双组分蜡粉材料中添加气相二氧化硅8g、有机膨润土15g、2,4-二羟基二苯酮15g、甘露糖醇酯5g，在混合机内以300r/min的转速混合均匀，过160目标准筛，制成激光烧结用复合蜡粉成型材料。

实施例4

将环球软化点80～100℃的中分子量聚乙烯蜡和环球软化点60～80℃的低分子量聚乙烯蜡分别在低温冷冻粉碎设备中-150℃粉碎，过500目筛。取粉碎好的中分子量聚乙烯蜡1Kg，低分子量聚乙烯蜡900g，放入混合机中，以400r/min的转速混合4次，每次10min，期间间歇5min。将混合料装入真空干燥箱中，抽真空至10^-4Pa，升温至65℃，保温8min。从真空干燥箱中取出混合料，迅速用液氮淬冷。将淬冷后的物料过160目标准筛，制得双组分蜡粉材料。

在上述双组分蜡粉材料中添加气相二氧化硅10g、有机膨润土20g、2-羟基-4-甲氧基二苯酮30g、山梨糖醇酯10g，在混合机内以150r/min的转速混合均匀，过160目标准筛，制成激光烧结用复合蜡粉成型材料。

Claims (9)

1.一种激光烧结用复合蜡粉成型材料，是由下述重量份数的原料组份混合得到：

双组份蜡粉材料　　　　1000～2000

气相二氧化硅　　　　　1～10

有机膨润土　　　　　　5～20

二苯甲酮类光吸收剂　　5～30

非离子型抗静电剂　　　1～10

其中，所述的双组份蜡粉材料是由环球软化点为80～100℃的中分子量聚乙烯蜡与环球软化点为60～80℃的低分子量聚乙烯蜡按照1000：300～1000的重量比混合，经50～65℃真空干燥预收缩和液氮淬冷后制成的蜡粉材料。

2.根据权利要求1所述的复合蜡粉成型材料，其特征是所述中分子量聚乙烯蜡和低分子量聚乙烯蜡的平均粒径均为5～20微米。

3.根据权利要求1所述的复合蜡粉成型材料，其特征是所述的二苯甲酮类光吸收剂为2,4-二羟基二苯酮、2-羟基-4-甲氧基二苯酮或2-羟基-4-辛氧基二苯酮。

4.根据权利要求1所述的复合蜡粉成型材料，其特征是所述的的非离子型抗静电剂为环烷酸甘油酯、甘露糖醇酯或山梨糖醇酯中的一种或几种。

5.一种激光烧结用复合蜡粉成型材料的制备方法，包括以下步骤：

a)、将中分子量聚乙烯蜡与低分子量聚乙烯蜡分别于-150～-200℃低温粉碎成平均粒径5～20微米的蜡粉材料；

b)、按照中分子量聚乙烯蜡与低分子量聚乙烯蜡为1000：300～1000的重量比将两种蜡粉材料在混合机中混合得到混合料，所述混合机的转速为100～500r/min；

c)、将所述混合料于真空干燥箱中进行预收缩处理，真空干燥箱温度50～65℃，真空度不低于10^-3Pa；

d)、预收缩处理后的混合料从真空干燥箱中取出后迅速以液氮进行淬冷；

e)、淬冷后的混合料通过100～160目筛，得到双组份蜡粉材料；

f)、按照1000～2000重量份双组份蜡粉材料、1～10重量份气相二氧化硅、5～20重量份有机膨润土、5～30重量份二苯甲酮类光吸收剂、1～10重量份非离子型抗静电剂的比例，将上述各原料组分混合，于混合机中分散混合均匀，制得激光烧结用复合蜡粉成型材料。

6.根据权利要求5所述的复合蜡粉成型材料的制备方法，其特征是所述步骤b)中，所述两种蜡粉材料在混合机中的混合时间不少于30min。

7.根据权利要求6所述的复合蜡粉成型材料的制备方法，其特征是将所述两种蜡粉材料在混合机中进行间歇混合，每次混合时间5～20min。

8.根据权利要求5所述的复合蜡粉成型材料的制备方法，其特征是所述步骤c)中，将所述混合料在真空干燥箱中保温处理5～20min。

9.根据权利要求5所述的复合蜡粉成型材料的制备方法，其特征是所述步骤f)中，混合机转速为100～500r/min。