技术领域
[0001] 本
发明属于
铸造技术领域，具体来说是一种微波固化水溶型芯的快速成形方法。
背景技术
[0002] 在
汽车、
工程机械以及航空航天领域存在大量带有复杂内腔及弯曲孔道的
铝合金铸件。这些复杂的
铝合金铸件可采用内置金属芯、
树脂砂芯以及水溶型芯的方式生产。由于金属芯
制芯工艺复杂，且采用化学除芯易造成环境污染，这促使综合性能优异的有机树脂砂芯被大量应用于此类铸件的生产。然而随着工艺技术的发展，铝合金铸件的成型
温度降低，原本易溃散的有机树脂砂芯的溃散性能减弱，同时在浇铸过程中会产生有毒有害气体，且旧砂再生存在污水治理困难、能耗高或砂粒
破碎严重等问题。因此，具有高效水溶溃散性能和优异环境友好特性的水溶型芯在带有复杂内腔及弯曲孔道的铝合金铸件生产中有着广泛的应用前景。
[0003] 目前，水溶型芯的生产主要有压制
烧结法、流态浇注法等成形方法。压制烧结法主要是将制备型芯的原料进行混合后，在型芯模具中压制成形，然后在一定温度下进行
烘烤、烧结。
[0004] 经检索，发明创造名称为：一种用于制备精密器件的水溶芯模的制备方法(
申请号为：201611087546.0，申请日为：2016.12.01)，该申请案采用尿素、
氯化钠、
硫酸镁、玉米粒、饱和氯化钠溶液、聚乙烯醇、纳米二
氧化、
碳纤维等为原料，经
压制成型及二次加热获得抗弯性能强、
水溶性高的型芯，能应用于
铜壶工艺品的生产；但是该申请案的不足之处在于个性化水溶型芯产品成本极高，生产周期长，且新型水溶型芯产品的开发周期较长。
[0005] 此外，发明创造名称为：一种陶瓷型芯快速成形制造方法(申请号为：201010222794.8，申请日为：2010.07.12)，该方法将低温强化剂和陶瓷粉料混合均匀后进行SLS快速成形，再对得到陶瓷型芯生坯预处理，然后脱除陶瓷芯生坯中的低温强化剂，浸渗高温粘接剂，进行预烧和
脱脂；最后进行高温烧结，即获得最终的整体陶瓷芯产品。但该申请案的不足之处在于SLS成形设备昂贵，且不适宜与水溶型芯的快速成形。
发明内容
[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 本发明的目的在于解决现有水溶型芯的传统成形方法制备周期较长，个性化产品生产成本较高且现有微滴
喷射成形水溶型芯以无机盐溶液为喷射液，存在喷头容易
腐蚀，使用寿命较短，且型芯强度较低的问题。提供一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，能够缩短水溶型芯的制造周期，提升喷液装置的使用寿命。
[0008] 2.技术方案
[0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
[0010] 本发明的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0011] S100、配置喷射液，将水与添加剂混合均匀，配置成
粘度为1-10cps、pH值为7的的水溶液；
[0012] S200、微滴喷射成形，将
型砂平铺在升降
工作台上，喷液装置按型芯实
体模型生成的滴液路径喷射S100所配置的水溶液，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台下行0.01～1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
[0013] S300、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床取出，置于
微波炉中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
[0014] S400、浸润或喷淋无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，浸润或喷淋无机盐溶液，时间不超过5min；
[0015] S500、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
[0016] S600、烧结，将二次微波固化所得型芯置于烧结炉中进行烧结，烧
结温度在400-1000℃，烧结时间为1-4h。
[0017] 优选地，步骤S100的添加剂包括如下组分：水溶性高分子材料10％-20wt％、
有机酸0-5wt％、水溶性无机盐75-90wt％。
[0018] 优选地，步骤S200中型砂可以是
硅砂、
莫来石砂、锆砂、镁砂中的一种或几种，所述型砂的粒度为70～200目。
[0019] 优选地，步骤S400中无机盐饱和溶液中所用无机盐与步骤S100所述无机盐相同。
[0020] 优选地，所述步骤S600中的烧结温度为T，T＝590～690℃。
[0021] 优选地，水溶性高分子材料为
淀粉、
纤维素、聚乙二醇、
环氧树脂、聚丙烯酰胺等中的一种或几种；有机酸为
醋酸、
柠檬酸、
草酸、磺酸中的一种或几种；水溶性无机盐为氯化物、溴化物、碳酸盐、
硫酸盐、
磷酸盐、
硝酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物中的一种或几种。
[0022] 优选地，所述添加剂中的多种水溶性无机盐的阳离子一样。
[0023] 优选地，所述步骤S400中的无机盐溶液与步骤S100中无机盐溶液相同。
[0024] 优选地，所述方法采用如下装置进行，装置包括型砂
喷涂单元、型芯固化单元、型芯浸泡单元和型芯烧结单元，所述型砂喷涂单元包括配液仓、喷液装置和铺料装置，配液仓用于储存已配置的喷射液，铺料装置用于铺设型砂，喷液装置用于向铺设好的型砂喷射喷射液使得型砂聚集
凝结成待固化型芯；型芯固化单元用于对待固化型芯进行微波加热固
化成为固化型芯；型芯浸泡单元用于对成为固化型芯进行浸泡；型芯烧结单元用于将待烧结型芯进行烧结。
[0025] 优选地，所述型砂喷涂单元还包括混料装置、受料台、升降工作台和
控制器，所述受料台水平设置于升降工作台的上方，且受料台随着升降工作台的升降而上下移动，所述控制器用于控制喷液装置的喷射参数，所述喷液装置通过输液管连接配液仓，所述喷液装置滑动设置于移动
导轨上，该移动导轨水平设置于受料台的上方，喷液装置在移动导轨上水平滑动向下方受料台喷射喷射液，所述受料台与移动导轨之间设置有铺料装置，该铺料装置用于向受料台铺设型砂混合料。
[0026] 3.有益效果
[0027] 采用本发明提供的技术方案，与
现有技术相比，具有如下有益效果：
[0028] (1)本发明的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，型芯微波硬化预成型后，对型芯进行无机盐溶液浸润、二次微波固化及烧结，由于无机盐溶液的
润湿性能极强，可以充分润湿填充预成型型芯的孔隙，并在二次微波固化过程中结晶析出无机盐，显著提高了型芯的强度；
[0029] (2)本发明的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，喷射液中加入无机盐及有机高分子材料，可使水溶型芯获得较高的初始强度；且通过控制喷射液的pH值为7，解决了喷液装置使用寿命短的问题；
[0030] (3)本发明的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，将完成打印任务的粉床进行整体的微波加热，其中喷有微液滴的部分在受热后固化，未喷射微液滴的部分可对喷有微液滴的部分进行保护，避免型芯在搬运过程中的刮伤，且在微波加热后仍保持松散状态。在传统加热固化的制芯过程中，其
传热特点是热量由外向内传递，这使得型芯外层固化速度快，内层水分散失较为困难，型芯强度较低。而本发明采用的微波固化可实现内外同时加热，且间歇式的微波加热方式有利于内层水分的充分逸散，从而保证了型芯的强度；
[0031] (4)本发明的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，采用的装置包括型砂喷涂单元、型芯固化单元、型芯浸泡单元和型芯烧结单元，通
过喷液装置和铺料装置实现了型芯的无模快速制造，型芯固化单元采用微波加热实现内外同时加热，且间歇式的微波加热方式有利于内层水分的充分逸散，从而保证了型芯的强度。
附图说明
[0032] 图1为本发明的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法的装置结构示意图；
[0033] 图2为本发明的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法的
流程图。
[0034] 示意图中的标号说明：
[0035] 100、型砂喷涂单元；110、混料装置；111、出料口；120、配液仓；121、输液管；122、喷液装置；131、移动导轨；132、固定导轨；141、受料台；142、铺料装置；151、已成型离散层；161、
工作腔；162、
活塞；163、升降工作台；164、粉床；170、控制器；171、数据
接口；
[0036] 200、型芯固化单元；210、微波炉；220、
支架；230、待固化型芯；
[0037] 300、型芯浸泡单元；310、无机盐溶液槽；320、固化型芯；
[0038] 400、型芯烧结单元；410、烧结炉；420、待烧结型芯。
具体实施方式
[0039] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干
实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
[0040] 需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0041] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的
说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0042] 实施例1
[0043] 本实施例的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，包括如下步骤：
[0044] S100、配置喷射液，将水与添加剂混合均匀，配置成粘度为1-10cps、pH值为7的水溶液；
[0045] S200、微滴喷射成形，将型砂平铺在升降工作台163上，喷液装置122按型芯实体模型生成的滴液路径喷射S100所配置的水溶液，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.01～1mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
[0046] S300、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同粉床164取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯完全固化后取出；
[0047] S400、浸润或喷淋无机盐溶液，将微波固化后的型芯取出，浸润或喷淋无机盐溶液，浸泡时间为t1，t1＜5min；
[0048] S500、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行二次间歇式微波加热固化，待型芯中的水分充分散失后取出；
[0049] S600、烧结，将二次微波固化所得型芯置于烧结炉410中进行烧结，烧结温度为T，T＝400-1000℃，烧结时间为t2，t2＝1-4h。
[0050] 步骤S100的添加剂包括如下组分：水溶性高分子材料10％-20wt％、有机酸0-5wt％、水溶性无机盐75-90wt％；步骤S200中型砂可以是硅砂、莫来石砂、锆砂、镁砂中的一种或几种，所述型砂的粒度为70～200目；步骤S400中无机盐饱和溶液中所用无机盐与步骤S100所述无机盐相同；所述步骤S600中的烧结温度为T，T＝590～690℃。
[0051] 水溶性高分子材料为淀粉、纤维素、聚乙二醇、环氧树脂、聚丙烯酰胺等中的一种或几种；有机酸为醋酸、柠檬酸、草酸、磺酸中的一种或几种；水溶性无机盐为氯化物、溴化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物中的一种或几种。所述添加剂中的多种水溶性无机盐的阳离子一样；所述步骤S400中的无机盐溶液与步骤S100中无机盐溶液相同。
[0052] 水溶性高分子材料10％-20wt％、有机酸0-5wt％、水溶性无机盐75-90wt％；水溶性高分子材料为淀粉、纤维素、聚乙二醇、环氧树脂、聚丙烯酰胺等中的一种或几种；有机酸为醋酸、柠檬酸、草酸、磺酸中的一种或几种；水溶性无机盐为氯化物、溴化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、偏铝酸盐、氢氧化物中的一种或几种。水溶性高分子材料起到保证低温粘结强度的作用，水溶性无机盐是主要的粘结剂，在中高温度下保证型芯强度，有机酸起到调节pH值的作用。由于添加剂与水混合成溶液，在后续的加热过程中，水分逐渐
蒸发，无机盐及水溶性高分子等组分因
溶解度的下降而逐渐依附颗粒表面结晶析出形成粘结桥，从而获得一定初始强度。由于无机盐在水中的溶液度相对较低，且喷液装置122喷射的溶液量相对较小，因此，单独喷射无机盐溶液所得的初始强度较低，添加水溶性高分子材料能显著提高型芯的初始强度。经浸润处理后，型芯中的无机盐含量显著增大，能显著提高型芯的强度。而高温烧结下，水溶性高分子材料因高温分解，这可降低型芯的发气量，使得型芯强度提高。
[0053] 添加剂各组分的比例关系为：水溶性高分子材料10％-20wt％、有机酸0-5wt％、水溶性无机盐75-90wt％。其配置过程为：首先分别将水溶性高分子材料及水溶性无机盐溶于水，然后将其混合并测定其pH值，然后采用滴定管滴入有机酸，调节混合溶液的pH值为7。水溶性高分子材料起到提升初始强度的作用，太低的话，初始强度的提升不够明显，太高的话，溶液粘度较大，难以从喷头喷出，且在后续的高温加热过程中分解不完全，使得型芯发气量过高。有机酸的作用，由于所使用无机盐的水溶液呈现中性或
碱性，对喷头具有一定的腐蚀作用，加入有机酸能够可调节溶液的pH值，但酸的含量过大会造成溶液呈现酸性，也会造成喷头的腐蚀。水溶性无机盐为型芯的粘结剂，理论上说含量越高越好，但由于其在水溶的溶液度有限，且喷头喷射的溶液量有限，因此型芯的初始强度不高，为此水溶性高分子材料10％-20wt％。
[0054] 本实施的方法采用如下装置进行，装置包括型砂喷涂单元100、型芯固化单元200、型芯浸泡单元300和型芯烧结单元400，型砂喷涂单元100包括配液仓120、喷液装置122和铺料装置142，配液仓120用于储存已配置的喷射液，铺料装置142用于铺设型砂，喷液装置122用于向铺设好的型砂喷射喷射液使得型砂聚集凝结成待固化型芯230；型芯固化单元200用于对待固化型芯230进行微波加热固化成为固化型芯320；型芯浸泡单元300用于对成为固化型芯320进行浸泡；型芯烧结单元400用于将待烧结型芯420进行烧结。
[0055] 本实施例的型砂喷涂单元100还包括混料装置110、受料台141、升降工作台163和控制器170，所述混料装置110用于混合型砂，所述型砂包括硅砂、莫来石砂、锆砂、镁砂中的一种或几种，且型砂的粒度为70～200目；所述受料台141水平设置于升降工作台163的上方，且受料台141随着升降工作台163的升降而上下移动，所述升降工作台163的表面设有粉床164，升降工作台163的下端设有工作腔161和活塞162，所述活塞162推动升降工作台163在工作腔161内上下移动。
[0056] 控制器170用于控制喷液装置122的喷射参数，控制器170设有数据接口171用于传送数据。所述喷液装置122通过输液管121连接配液仓120，所述喷液装置122滑动设置于移动导轨131上，该移动导轨131水平设置于受料台141的上方，喷液装置122在移动导轨131上水平滑动向下方受料台141喷射喷射液，移动导轨131连接有固定导轨132，固定导轨132与移动导轨131垂直设置于于同一水平面。所述混料装置110的出料口111连接有铺料装置142，铺料装置142设置有与受料台141与移动导轨131之间，该铺料装置142用于向受料台
141铺设型砂该铺料装置142用于向受料台141铺设型砂。
[0057] 型砂喷涂单元100工作流程如下：先将配置好的喷射液放入配液仓120内，向混料装置110内加入型砂混合料，型砂混合料通过出料口111落到受料台141上的型砂混合料由铺料装置142平铺于放置在升降工作台163上的粉床164上，铺料装置142每运动一个来回即在已成型离散层151上铺料一层。所述的配液仓120通过输液管121与喷液装置122相连，该喷液装置122挂载在移动导轨131上，喷液装置122受控制器170控制沿移动导轨131滑动，该移动导轨131也受控制器170控制沿固定导轨132滑动，控制器170的数据接口171与上位机相连，该控制器170下载上位机生成的砂芯的CAD几何实体模型分层离散得到的离散层面滴液装置的运行轨迹文件以控制喷液装置122在水平方向移动。所述工作腔161设置在喷液装置122的下方，该工作腔161内设置有升降工作台163，所述的升降工作台163与由
电机驱动的活塞162相连，活塞162带动升降工作台163在竖直方向上下运动。
[0058] 本实施例的型芯固化单元200包括微波炉210，该微波炉210用于对待固化型芯230进行间歇式微波加热，待固化型芯230放置于支架220上，待固化型芯230完全固化后成为固化型芯320。
[0059] 本实施例的型芯浸泡单元300包括无机盐溶液槽310，该无机盐溶液槽310内盛放有与喷射液中无机盐成分相同的无机盐溶液，无机盐溶液槽310用于对固化型芯320进行浸泡，浸泡时间t1，t1＜5min。
[0060] 本实施例的型芯烧结单元400包括烧结炉410，该烧结炉410用于对待烧结型芯420进行烧结，烧结温度为T，T＝400-1000℃，烧结时间为t2，t2＝1-4h。
[0061] 实施例2
[0062] 本实施的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，其操作过程如下：
[0063] S100、配置喷射液，将聚乙二醇、淀粉、氯化
钾、氢氧化钾、草酸溶于水，配置成粘度为3-5cps、pH值为7的溶液；
[0064] S200、微滴喷射成形，将100/140目莫来石砂平铺在升降工作台163上，喷液装置122头按型芯实体模型生成的滴液路径喷射S100所配置的水溶液，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.05mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
[0065] S300、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同缸体取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待固化型芯230完全固化后取出；
[0066] S400、喷淋无机盐溶液，将微波固化后的固化型芯320取出，喷淋
氯化钾的饱和溶液，喷淋时间为10-15s。；
[0067] S500、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯中溶液水分完全散失后取出。
[0068] 实施例3
[0069] 本实施的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法，其操作过程如下：
[0070] S100、配置喷射液，将聚丙烯酰胺、聚乙二醇溶、碳酸钾、氯化钾柠檬酸溶于水，配置成粘度为3-5cps、pH值为7的溶液；
[0071] S200、水溶型芯的微滴喷射成形，将70/100目的硅砂与100/140目的莫来石砂混合均匀后平铺在升降工作台163上，喷液装置122按型芯实体模型生成的滴液路径喷射S100所配置的水溶液，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.03mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成；
[0072] S300、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同缸体取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待固化型芯230完全固化后取出；
[0073] S400、浸润无机盐溶液，将微波固化后的固化型芯320取出，浸润K+//Cl-、CO32--H2O体系在常温下的溶液，浸润时间为10-20s；
[0074] S500、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯中溶液水分完全散失后取出。
[0075] 实施例4
[0076] 本实施的一种微波固化水溶型芯的快速成形方法统，其操作过程如下：
[0077] S100、配置喷射液，将聚丙烯酰胺、聚乙二醇、氯化钠、碳酸钠、醋酸溶于水，配置成粘度为3-5cps、pH值为7的溶液；
[0078] S200、水溶型芯的微滴喷射成形，将70/100目的硅砂平铺在升降工作台163上，喷液装置122按型芯实体模型生成的滴液路径喷射S100所配置的水溶液，待该层面微液滴喷射完成，升降工作台163下行0.05mm，依次完成后续离散层面的滴液工序，直至所有离散层面的滴液工序完成。
[0079] S300、间歇式微波固化，将完成喷射成形的型芯连同缸体取出，置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待固化型芯230完全固化后取出；
[0080] S400、浸润无机盐溶液，将微波固化后的固化型芯320取出，浸润Na+//Cl-、CO32--H2O体系在常温下的溶液，浸润时间为10-20s；
[0081] S500、二次间歇式微波固化，将浸润后的型芯置于微波炉210中进行间歇式微波加热，待型芯中溶液水分完全散失后取出；
[0082] S600、将二次微波固化所得待烧结型芯420置于烧结炉410中进行烧结，烧结温度在750±10℃，烧结时间为1-2h。
[0083] 以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明
专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附
权利要求为准。
