CN103143676A - 一种sls烧结覆膜砂工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SLS烧结覆膜砂工艺，选用100%的宝珠砂作为覆膜砂，选定的覆膜砂的粒度为过140~70号筛，采用热模板壳型覆膜方法，壳型用覆膜砂的树脂加入量为质量分数0.2%~2.3%；烧结工艺如下：激光功率为30W，预热温度为65℃来烧制砂芯，选用0.3mm的铺粉厚度，选用2000mm/s的扫描速度和0.15mm的扫描线间距；减少由于热集效应导致的复杂砂芯难以清理的问题，提高砂芯的精度。

Description

一种SLS烧结覆膜砂工艺

技术领域

本发明涉及铸造领域，尤其是一种SLS烧结覆膜砂工艺。

背景技术

选择性激光烧结快速成形***——SLS（Selected Laser Sintering），首先将CAD三维模型转化为STS文件，按照一定的厚度进行切片，得到切片的截面轮廓。然后控制激光束对模型实心部分的粉末进行扫描，使粉末颗粒熔化而互相粘结，逐步得到该层的轮廓。完成一层扫描后，工作台下降一层截面高度，再进行下一层的铺粉和烧结，最终形成三维模型。

利用STS设备直接烧结覆膜砂，因覆膜砂的溃散性好，所以特别适用于制作复杂砂芯，已在生产中得到了一定的运用。

发明内容

本发明提出了一种SLS烧结覆膜砂工艺，采用合理的铺粉机构，可有效减少铺粉过程对已烧结工件的扰动，明显降低烧结时的预热温度，从而减少由于热集效应导致的复杂砂芯难以清理的问题，提高砂芯的精度。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：选用100%的宝珠砂作为覆膜砂，选定的覆膜砂的粒度为过140~70号筛，采用热模板壳型覆膜方法，壳型用覆膜砂的树脂加入量为质量分数0.2%~2.3%；烧结工艺如下：激光功率为30W，预热温度为65℃来烧制砂芯，选用0.3mm的铺粉厚度，选用2000mm/s的扫描速度和0.15mm的扫描线间距。

所述的SLS烧结覆膜砂工艺，其特征是铺粉时采用斗式铺粉方法。

本发明的有益效果是合理的选择铺粉方式，选用合适的覆膜砂原料，解决了复杂砂芯难以清理的问题，提高砂芯的精度。

具体实施方式

 下面结合具体实施例做进一步说明。

酚醛树脂覆膜砂具有砂型强度高、发气性低、透气性好、表面光洁等特点。在激光扫描烧结时，覆膜砂温度达到酚醛树脂熔点，树脂发生交联反应将型砂粘结在一起而获得一定的初强度，称为烧结强度。由于激光扫描烧结后铸型（芯）的强度较低，不能直接用于浇注铸件，必须对激光烧结的铸型（芯）进行再加热保温处理，获得更高的砂型强度，称之为固化强度。烧结强度要经受住浮砂清除、搬运等过程中所受的作用力；固化强度要经受住浇注时金属液的静压力和热作用力等。两者的大小主要与覆膜砂的性能、激光的扫描烧结工艺参数等有关。

1 覆膜砂的选择

影响覆膜砂性能的主要参数有：覆膜砂的配制方法、粒度、粒度分布、熔点、流动性、热膨胀率、灼烧减量、发气量、砂型（芯）的后固化温度等。砂型（芯）的烧结强度与原砂的选取、树脂用量有密切关系，而表面质量由砂的粒度及其分布决定。

1.1 原砂的选取

SLS烧结覆膜砂时，由于砂子摩擦力大，铺砂时容易推动成型缸中的制件，因而SLS用覆膜砂尽量选用流动性好，形状近似球形的宝珠砂。宝珠砂还具有热膨胀系数小、透气性好、耐火度高等特点。用宝珠砂原砂配成的覆膜砂，在树脂加入量一定时，覆膜砂的强度是硅砂及其再生砂的1.3~1.7倍。因此，在同样强度时，可减少树脂加入量，进而减少气孔缺陷；该覆膜砂浇注后的残留强度极低，仅通过振动，碳化后的树脂就非常容易从砂粒表面剥离。因而选用100%的宝珠砂。

1.2覆膜砂的粒度

SLS烧结成形是一种叠加成形方法，容易在曲面上产生台阶效应，成形中应尽量选择较小的层厚，而砂粒越细可允许选择的烧结层厚越小，因此所选覆膜砂的粒度越细，激光烧结后的砂型（芯）的表面质量越高。但是，覆膜砂所用原砂粒度越细，单位体积的比表面积越大，需要的树脂加入量也越大，发气量也越大；同时粒度越细，透气性越低。但粒度太粗会引起铸件表面粘砂。同时，SLS烧结成形是一种无压力成形，砂的堆积相对疏松，同样粒度的覆膜砂用SLS成形的砂型（芯）的透气性，要比用传统热模板覆膜成形的砂型（芯）好。综合考虑以上因素，最终选定的覆膜砂的粒度为过140~70号筛。

1.3 树脂含量

由于ＳＬＳ烧结成形时的激光能量较高，部分树脂在成形过程中会分解，因此，激光烧结法所使用的覆膜砂的树脂量可比传统的成形方法中树脂含量稍高些。用热模板壳型覆膜方法的壳型（芯）用覆膜砂的树脂加入量（质量分数）为0.2%~2.3%。为了确定合适的树脂加入量，做了一组试验。覆膜砂生产厂商按要求用同一批宝珠砂加入a、b、c3种不同量树脂制成覆膜砂，再利用相同的烧结参数和后固化工艺分别制作４组“８”字样件，测量不同树脂加入量覆膜砂的抗拉强度和发气量。测量结果见表1。表1　“8”字形试样抗拉强度和1000℃的发气量

。

由表1可知，随着树脂含量的增加，试样的抗拉强度也适当增加，同时发气量也相应增加。考虑到液压阀体砂芯的复杂性，应选用强度适中，发气量合适的覆膜砂，因而选用树脂含量b作为本次试验用砂。

2 砂芯的烧结成形工艺

覆膜砂激光烧结成形的工艺参数有预热温度、铺粉厚度、扫描线间距、扫描速度和激光功率等，这些参数将直接影响到砂型（芯）的强度、精度以及最终铸件的质量。

目前，覆膜砂激光烧结成形工艺参数对砂型（芯）的强度、精度的影响以及如何提高强度的措施已经做了大量的研究工作。

（1）预热温度　预热温度一般控制在略低于树脂熔点，使砂层表面有轻微的粘连，可以减小铺粉辊铺砂对砂层表面的干扰，同时轻微地粘连对砂体也起到固定的作用，有利于降低成形砂芯的收缩，提高砂型（芯）的精度。过高的预热温度使得覆膜砂产生结块，不利于成形

后砂型（芯）的清理。

（2）铺粉厚度　较小的铺粉层厚有利于减小砂型（芯）曲面上的台阶效应，提高砂型（芯）的表面质量和精度。但过小的铺粉层厚降低了效率，同时容易引起砂型（芯）局部过烧，发生翘曲变形，制件被铺粉辊推动。

（3）激光功率、扫描速度和扫描线间距　上述3因素主要决定了覆膜砂表面的激光照射区的温度情况，从而决定了酚醛树脂交联固化的程度。一般来说烧结强度随激光功率的增加而增加，但激光功率增加到一定程度后，烧结强度随着功率的增加强度反而下降，这时覆膜砂表面已经部分碳化分解。

扫描速度决定了在相同时间内，激光对粉末的加热时间。一般情况下，扫描速度越低，表明激光对粉末加热的时间越长，烧结强度越高，但时间过长也存在过烧的问题。

扫描线间距与激光的光斑直径有关。扫描线间距不应大于激光的光斑直径。当扫描线间距过小时，能量的叠加效应明显，会引起局部温度过高，交联过度，发生翘曲／过烧等问题。

试验所用设备是自主开发的选择性激光烧结***HRPS554IV，成形尺寸为500mm×500mm×400mm，光斑直径为0.4mm。考虑到砂芯加工效率、精度以及试验中所选砂的最大直径，选用0.33mm的铺粉厚度较为合适；对于扫描速度和扫描线间距，选用2000mm/s的扫描速度和0.15mm 的扫描线间距；确定了铺粉厚度、扫描速度和扫描线间距后，通过烧制“8”字形试样的试验来确定激光功率和加工时的预热温度。通过表2和表3可以发现，可选用激光功率为30W，预热温度为75℃来烧制砂芯。

 3 改进措施

可以在加工到此处时加强设备通风，使激光传递给周围浮砂的能量能够迅速被冷空气带走。但由于设备是无人看守型，无法实现实时监控，即使用人力来加强空气的流通，工作量也比较大，此法不可取；也可以通过降低预热温度的方式来避免这种情况。烧结时预热的作用是使砂层表面有轻微的粘连，减小铺粉辊铺砂时对砂层表面的干扰，可通过降低铺粉辊铺砂对砂层表面干扰的方式来降低预热温度，从而避免结块现象发生。

通常SLS设备的铺粉方式是辊式铺粉方法。这种方式铺粉时，由于铺粉辊前面存在覆膜砂，砂子形状不完全是圆形，且密度大，因而对粉床的干扰大，底部已烧结部分需要较深的粘接程度才能抵抗住铺粉机的干扰。斗式铺粉法，铺粉时覆膜砂从粉斗中的口部均匀地铺在工作面上，对粉床的干扰有显著的降低效果，采用斗式铺粉，可适当降低预热温度。

按照上述工艺改进后的铺粉方式，在其他参数不变的情况下，降低预热温度到65℃后，成功烧结并清理出工件。

4结果

（1）利用选择性激光烧结***HRPS554IV，采取适当的后处理工艺，可以烧结出多通道液压阀体砂芯的复杂砂芯；

（2）通过采用过140~70号筛的细宝珠砂做原砂配制覆膜砂，加入酚醛树脂，采用合适的烧结成形工艺参数，可以烧制出高强度砂芯；

（3）采用合理的铺粉机构，可有效减少铺粉过程对已烧结工件的扰动，有效降低烧结时的预热温度，从而减少由于热集效应导致的复杂砂芯难以清理的问题，提高砂芯的精度。

Claims (2)

1.　一种SLS烧结覆膜砂工艺，其特征是选用100%的宝珠砂作为覆膜砂，选定的覆膜砂的粒度为过140~70号筛，采用热模板壳型覆膜方法，壳型用覆膜砂的树脂加入量为质量分数0.2%~2.3%；烧结工艺如下：激光功率为30W，预热温度为65℃来烧制砂芯，选用0.3mm的铺粉厚度，选用2000mm/s的扫描速度和0.15mm的扫描线间距。

2.根据权利要求1所述的一种SLS烧结覆膜砂工艺，其特征是铺粉时采用斗式铺粉方法。