[发明专利]激光烧结砂及其制备方法和砂芯及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光烧结砂及其制备方法及砂芯及其制备方法，尤其涉及一种不用模具的激光烧结砂及其制备方法及砂芯及其制备方法。

背景技术

对于复杂砂型铸件的生产，砂芯又称砂型的制造是必不可少的环节。传统的砂芯制作是通过制造模具、射芯和组芯等工艺完成的。使用模具生产的优点是一旦试制合格，便可以大批量投入生产。但是对于单件小批量或是交货期要求非常短的复杂铸件，模具的制造周期和成本费用就成为突出的问题。在现代产品竞争的激烈环境中，对新产品的开发周期要求越来越短，同时个性化小批量的产品需求不断增多。在产品的开发阶段，往往需要制作测试样机进行性能测试，以便对产品设计进行评估和修改。这样的过程，通常需要反复几个周期，如果在产品的设计阶段就开模具，不仅周期长，费用高，而且可能由于设计的更改而造成整个模具的报废。

通常制作砂芯的原料是一种在耐高温砂粒外包覆了热固性树脂的砂料，称为树脂覆膜砂。热固性树脂的主要成分通常是线性酚醛树脂和固化剂。这种覆膜砂在常温呈松散流动状态，在树脂的软化点以上砂粒外的树脂熔化，砂粒彼此产生粘结，在一定的温度和时间条件下，树脂分子间产生交联固化从而将砂粒紧密地粘接起来成为砂芯。

激光制芯是一种直接通过3D CAD数据驱动制作复杂砂芯的方法。它的最大特点是砂芯的成型过程与复杂程度无关，不用制作模具，制造周期短，特别适合于单件小批量复杂铸件的生产和新产品的试制。

激光制芯工艺是采用红外激光作为热源来烧结树脂砂，并以逐层堆积方式成形砂芯的一种快速制芯技术。其基本思想是基于离散抓堆积成形的制造方法，实现从三维CAD模型到实体砂芯的转变。其基本过程包括：

步骤一、在计算机上实现零件模型的离散过程。首先利用CAD技术构建被加工砂芯的三维实体模型，然后利用分层软件将三维CAD模型分解成具有一系列厚度的薄片，再用扫描轨迹生成软件将分层的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。

步骤二、在制芯机上实现零件的层面制造抓堆积成形过程。首先，在成型缸内将树脂砂铺平，预热之后，在控制系统控制下，激光束以一定功率和扫描速度在铺好的树脂砂层上扫描。被激光扫描过的区域内，树脂砂表面的树脂熔化和反应固化，将树脂砂烧结成具有一定厚度的实体结构，激光未扫描区域仍是松散的树脂砂，可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去除，这样得到砂芯的第一层。当一层截面烧结完成后，供粉活塞下移一定距离，通过铺粉操作，铺上一层新的树脂砂，继续下一层的激光扫描烧结，新的烧结层与前面已成形的部分连接在一起。如此逐层地添加树脂砂，有选择地烧结堆积，最终生成三维实体砂芯。

步骤三、全部烧结完成后，要进行一些后处理工作，如清砂、加热固化等，处理完成后即可获得直接使用的砂芯。

激光烧结的原理和工艺过程在美国专利US5,376,580，US5,132,143，US4,863,538和US5,597,589中已有详述。

用激光烧结方法制造树脂砂芯和砂型的最大优点是不用制造模具，同时也不用考虑砂芯的复杂程度，还可以把多个砂芯组合制造，减少组芯误差。但是，激光制芯方法目前还存在以下不足：

第一、用激光制芯方法制作的砂芯强度相对于用模具法制作的砂芯强度偏低。特别地，经过激光烧结而未经过二次加热固化的初始砂型(Green Part)强度更低，在砂型从设备取出或清理周围浮砂的过程中就很容易损坏，对于长径比较大和自重大的悬臂结构的芯尤其严重。

第二、为了易于取件和清件操作，需要加一些体支撑(Volume Support)结构以防止砂芯的损坏。这不仅增加了激光成型的时间，而且支撑的去除也不易。

第三、为了提高强度，最简单易行的方法是增加树脂的含量，但这必然造成砂型发气量的提高，易造成铸造缺陷。

激光烧结树脂砂的上述缺点，是由成型工艺过程决定的。首先，与射芯方法比较，激光制芯的过程树脂砂原料是逐层堆砌的，由于没有压力，砂粒只能在重力的作用下形成松散的堆积，这样，树脂砂颗粒之间不仅相互接触的点少，而且接触面也少。而铸造型壳或型芯的强度正是由接触面的树脂粘接强度提供的，砂粒的堆积密度低，就必然导致强度低。其次，树脂砂在受热固化前，砂粒外包裹的是一层低聚合度的线性酚醛树脂，其强度很低，激光烧结时，由于激光的扫描速度通常达到2m/s～4m/s，对树脂的加热时间远远小于酚醛树脂的凝胶时间，树脂的线性分子间来不及发生交联反应或只有少量的分子之间发生交联，这样，仅由激光烧结得到的砂型，实际上只是由酚醛树脂受热熔化或形成部分交联将砂粒粘接起来，强度只能达到二次加热固化后强度的1/10～1/5，很容易损坏。

发明内容