CN112218750A - 具有保护涂层的砂型铸造模具的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有保护涂层的砂型铸造模具的制作方法，用于通过利用聚合物材料填充磨具腔制成的绝缘部件和产品的反应模具的多个过程，聚合物材料包括复合材料，特别是基于环氧树脂或基于纤维素材料的复合材料，该方法的特征在于，模具结构的浸润过程通过利用化学固化材料或热固化材料浸透未加工模具结构(1)被化学地执行。在砂型铸造模具的外表面上的保护层(3)的施加借助于任意喷涂、浸泡或沉积方法被完成，而具有抗粘附特性的材料被用于以有机化学固化、热固化、光固化材料为形式的或以包括金属的无机材料为形式的保护涂层。

Description

具有保护涂层的砂型铸造模具的制备方法

技术领域

本发明的主题是具有保护涂层的砂型铸造模具的制备方法，被指定用于绝缘部件和产品的反应模具的多个过程，绝缘部件和产品利用聚合物材料通过填充磨具腔制成，聚合物材料包括复合材料，特别是基于环氧树脂或基于纤维素材料的复合材料。

背景技术

在制造不同产品的过程中，特别是在电气技术工程中，诸如变压器、衬套、铸杆，这些产品的主体由热固化材料制成，施加通常由不锈钢但是也由铝制成的金属模具。用于套管几何形状复杂产品的制作模具的过程成本高，耗时长，而且非常频繁，尤其是在小批量生产的情况下，时间和成本两者都是至关重要的。这就是为什么如今，通过使用增材制造技术(3D打印)，模具经常由聚合物材料和金属粉末两者制成。

已知有一些基于借助于粘结剂(粘结剂喷射)的粉末状材料(例如石膏、砂子、金属)的选择性粘结技术的模具的方法，该模具利用3D打印技术、由以石英砂为形式的矿物材料制作，用于包围树脂产品模具。这是最快、最便宜的增材方法，该方法可以使得大型物体(长达数米)的打印成为可能；这就是为什么该方法可以用来制作用于大型树脂铸造的模具。该技术经常被用于制作施加在金属铸造中的砂型铸造模具。在这种情况下，模具只能使用一次，因为在用液态金属铸造并且结晶后，在生产铸造产品时会损坏模具。

与这种方法有关的不便之处在于，砂打印后得到的表面和结构是非常多孔的，以及在与环氧树脂接触的情况下，表面和结构创设永久的粘结，这使表面和结构无法再次使用。

从美国813760号专利说明书中可知在增材制造技术中用于汽车工业的砂型铸造模具的制作方法。所提出的方法包括模具制造和使用用于制造铸造件或元件的模具的方式。砂型铸造模具性能的方法包括以下步骤：在3D技术中利用活化剂混合物的多个铸造砂层的打印；针对胶粘树脂的每个砂层进行叠印，以铸造基体。而在印刷最后的基质层之后，根据已知的硬化技术，对渗透性树脂进行真空吸附，使其穿过深度超过1毫米的砂层，并且在将渗透性树脂吸收到基质中之后对其进行硬化，而砂层硬化的过程与基体浸润的时间一样长。铸造部件或元件的制造方法包括使用基质，该基质是通过依次施加由砂混合物和活化剂制成的层而制成的，并且进行树脂打印以形成各层以形成底壁、在底壁上的侧壁和也位于底壁上的图案以形成模具腔；接下来，在底壁、侧壁和图案上形成由硬化树脂制成的涂层，并且将以此方式制成的磨具腔用于制造成品部件或元件。

提出的已知解决方案不足以确保树脂或纤维素产品的合适的铸造过程，因为其不能针对多个元件模制提供方便的模具和足够的阻力，尤其是在大型物品的情况下。此外，该解决方案使用真空技术用于磨具腔渗透，这使过程变得复杂。

发明内容

根据本发明的具有保护涂层的砂型铸造模具的制作方法的本质是，模具结构的浸润被化学地完成，避免浸润树脂通过铸造砂层与活化剂混合物的真空吸附，以及浸润过程包括使用模具的外层中的表面方法和使用贯穿模具结构的体积的体积方法，用化学固化材料或热固化材料对未加工(raw)模具结构浸透。在砂型铸造模具的外表面上借助于任意喷涂、浸泡或沉积方法施加保护层，而具有抗粘附特性的材料被用于以有机化学固化、热固化、光固化材料为形式或以无机材料(包括金属)为形式的保护涂层。执行外部保护涂层的施加的操作，直到在表面模具层的结构中完全封闭孔的情况下获得均匀连续的涂层为止。

优选地，施加于砂型铸造模具结构浸润的材料是化学固化或热固化材料，化学固化或热固化材料在20℃的温度处测量具有范围从1×10^-4Pa s至10Pa s的粘度和具有范围从10mN/m(或达因/cm)至200mN/m(或达因/cm)的关于空气的表面张力，并且所述化学固化材料或热固化材料关于用于磨具打印的砂的粒度以如下的方式被选择：在所述模具结构中利用毛细机制的同时，确保砂型铸造模具结构的自发渗透。

优选地，借助于沉积方法在砂型铸造模具的外表面上的保护层的施加的操作是借助于从气相的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)实现的。

优选地，砂型铸造模具结构的浸润的过程和保护涂层的施加的过程是借助于喷涂或浸泡方法被手动地或自动地执行。

优选地，在砂型铸造模具结构树脂材料的浸润的过程中，树脂材料、特别是丙烯酸树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂被用作化学固化材料。

优选地，在砂型铸造模具结构的浸润的过程中，硅烷、硅酸盐、硅氧烷和包含这些材料的混合物的混合***被用作热固化材料。

优选地，在保护涂层施加过程中，在砂型铸造模具的外表面，PTFE基(聚四氟乙烯)含氟聚合物材料、PFA(全氟烷氧基烷烃)、FEP(氟化乙烯丙烯)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)被用作有机材料。

优选地，在保护涂层施加过程中，在砂型铸造模具的外表面上，金属材料和类金刚石碳(DLC)涂层被用作无机材料。

根据本发明的方法的优点是实现了砂型铸造模具结构的机械强化，并且在由纤维素铸造由聚合物材料或模制元件制成的产品时避免了树脂或纤维素渗透到模具中。用这种方法制作的模具可以被多次使用，这大大降低了成品制造的成本。该方法使得能够在模具上获得外部保护涂层，该外部保护涂层具有耐磨损性以及确保关于用于成品的模制的材料具有足够的抗粘附特性。此外，该解决方案不使用真空技术进行模具腔渗透，因为该解决方案无需任意支持模具浸润和抗粘保护涂层的施加的技术施加即可执行，从而简化了过程。

附图说明

根据本发明的方法基于其性能进行了详细说明，其中基于：

图1示出了方法性能的三个阶段的框图A、B和C；

图2示出了在完成根据本发明的方法性能的第一阶段A之后的未加工状态的砂型铸造模具1；

图3显示了在制造模具2a的第一种方法中，在根据本发明的方法性能的第二阶段B完成之后的砂型铸造模具；

图4示出了在模具性能2b中的第二种方法中，在根据本发明的方法性能的第二阶段B完成之后的砂型铸造模具；

图5示出了针对模具性能2a的第一方法、在根据本发明的方法性能的第三阶段C完成之后的具有保护涂层3的砂型铸造模具，以及

图6示出了用于模具性能2b的第二种方法的在根据本发明的方法性能完成第三阶段C之后的具有保护涂层3的砂型铸造模具。

具体实施方式

具有保护涂层的砂型铸造模具的制作方法涉及三个生产阶段：A、B和C，在每个阶段完成后进行。

第一阶段A包括已知的3D打印技术的施加，以获得指定用于铸造成品的未加工的砂铸造模具1。第一阶段A涉及在3D技术中利用活化剂混合物的多个铸造砂层的施加，同时在每一层上使用树脂叠印，以增强在此方法下生产的未加工模具的结构内部。

在第二阶段B，在无需使用用于未加工模具的真空浸润的情况下，未加工砂型模具借助于有机化学固化、热固化、光固化材料、无机材料或有机-无机混合材料经受化学浸润过程，以获得模具的均匀内部结构2。用于改善模具一致性的浸润物质以这样的方式被选择：在不需要施加作为装置支持渗透的真空技术的情况下，确保利用毛细机制的砂型铸造模具结构的自发渗透。浸润过程在表面方法2a上或贯穿体积2b进行，而在这两种情况下，浸渍过程都是多次执行的，并且只要获得足够的结构质量即可(即所需的孔的封闭被实现、表面是均匀的、以及粗糙度被减少并且表面光滑度被确保)。表面上的浸润过程包括仅在外模具表面2a上的浸润物质的施加。被贯穿体积执行的浸润过程包括浸润物质的施加，该物质彻底地浸透模具结构2b。未加工模具的浸润阶段b借助于喷涂、浸泡或任意其它方法实现，而浸润操作被自动地或半自动地执行。用于模具浸润的材料的示例包括化学固化或热固化材料，诸如丙烯酸、环氧或聚氨酯树脂、硅烷、硅酸盐(包括水玻璃)、硅氧烷和包含上述材料组合的混合***。用于未加工模具浸润的化学固化或热固化材料应该特征在于：在20℃的温度处测量，范围从1×10^-4Pa s至10Pa s的粘度和范围从10mN/m(或达因/cm)至200mN/m(或达因/cm)的关于空气的表面张力。

下一步，在第三阶段C，在浸润2之后，模具经受外部保护涂层的施加的过程，以及这个阶段一直执行直到获得具有连续层结构和具有所期望的足够的层厚的外部涂层3为止，其特征是关于用于成品的模制的材料的粘附特性。施加保护涂层的过程借助于喷涂、浸泡、粉末喷涂或任意其它施加涂层专业的方法被执行，例如，物理气相沉积(PVD)方法或化学气相沉积(CVD)方法，而施加操作被自动地或半自动地实现。借助于刷子或涂覆辊使用手动方式的涂层施加也是可能的。化学固化材料、热固化材料或光固化材料(诸如有机材料)，例如基于含氟聚合物材料：PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基烷烃)、FEP(氟化乙烯丙烯)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)、基于金属材料以及其他无机材料(例如类金刚石碳(DLC)涂层)，被作用于制作模具的外部保护涂层的物质。

Claims (8)

1.一种制作具有保护涂层的砂型铸造模具的方法，包括：在3D技术中砂型铸造模具的打印、砂型铸造模具结构的浸润、以及在砂型铸造模具的外表面上的保护层的施加，其特征在于：模具结构的浸润过程被化学地执行，因此避免浸润树脂通过铸造砂与活化剂混合物的真空吸附；而所述浸润过程通过用化学固化材料或热固化材料对未加工模具结构(1)的浸渍、由在模具的外层(2a)上的表面方法或借助于贯穿模具结构(2b)的体积的体积方法来实现；而在砂型铸造模具的外表面上的保护层(3)的所述施加通过任何喷涂、浸泡、粉末喷涂法或沉积方法被执行；而在金属中具有抗粘附特性的、以有机化学固化、热固化、光固化材料为形式或以无机材料为形式的材料被用作用于保护涂层的材料；以及执行外部保护涂层(3)的施加的操作，直到实现具有在表面模具层的结构中完全封闭的孔的均匀连续的涂层为止。

2.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，针对所述砂型铸造模具结构(1)的浸润，化学固化材料或热固化材料被使用，所述化学固化材料或热固化材料在20℃的温度处测量具有范围从1×10^-4Pa·s至10Pa·s的粘度和具有范围从10mN/m(或达因/cm)至200mN/m(或达因/cm)的关于空气的表面张力，并且所述化学固化材料或热固化材料关于用于磨具打印(1)的砂的粒度以如下方式被选择：在所述模具结构中利用毛细机制的同时，确保砂型铸造模具结构的自发渗透。

3.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，借助于沉积方法在砂型铸造模具的外表面上的保护层(3)的施加的操作是借助于从气相的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)实现的。

4.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，砂型铸造模具结构(1)的浸润的过程和保护涂层(3)的施加的过程借助于喷涂或浸泡方法被手动地或自动地执行。

5.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，在砂型铸造模具结构(1)的浸润的过程中，树脂材料、特别是丙烯酸树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂被用作化学固化材料。

6.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，在砂型铸造模具结构(1)的浸润的过程中，硅烷、硅酸盐、硅氧烷和包含所述上述材料的混合物的混合***被用作热固化材料。

7.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，在所述保护涂层施加过程(3)中，在砂型铸造模具的外表面上，PTFE基(聚四氟乙烯)含氟聚合物材料、PFA(全氟烷氧基烷烃)、FEP(氟化乙烯丙烯)和ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)被用作有机材料。

8.根据权利要求1的所述方法，其特征在于，在所述保护涂层施加过程中(3)，在砂型铸造模具的外表面上，金属的类金刚石碳(DLC)型材料被用作无机材料。

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