一種加強型樹脂光固化成形方法與流程
2023-06-02 00:54:21 2
本發明屬於光固化樹脂處理方法技術領域，涉及一種加強型樹脂光固化成形方法。
背景技術：
光固化是利用計算機控制紫外雷射掃描液態光敏樹脂，將掃描區域的光敏樹脂固化，逐層堆積直至成形出所需製件的一種快速成形方法，由於其高精度、低成本等優點，使其使用範圍從單純樹脂的成形擴大到陶瓷、金屬等材料的成形。在利用該技術成形陶瓷、金屬等材料時，先將金屬、陶瓷等待成形材料與光固化樹脂混合均勻，製備成加強型光固化樹脂，然後利用光固化技術將其製成零件毛坯，最後經脫脂燒結得到緻密金屬、陶瓷等零件。光固化技術相較於其它快速成形技術而言具有高精度、低成本、易操作等優點。
但是，由於成形過程伴隨著樹脂的引入與去除，樹脂與待成形材料存在相互作用；另外成形材料本身也會受到成形工藝的影響，因而當前利用加強型光固化樹脂進行成形時存在以下缺點：
(1)粘附於毛坯表面的未固化樹脂難以去除；
(2)毛坯內部空腔、孔洞、複雜內流道等特徵處的未固化樹脂不能去除；
(3)毛坯脫脂後燒結過程中容易出現開裂、坍塌等缺陷；
(4)部分燒結溫度高的材料燒結難度大；
(5)製件成形後支撐結構去除及表面精度改善等操作施行難度大。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種加強型樹脂光固化成形方法，能夠有效抑制燒結過程中的開裂、坍塌的缺陷。
本發明所採用的技術方案是，一種加強型樹脂光固化成形方法，具體按照以下步驟實施：
步驟1、光固化漿料的製備，具體按照以下步驟實施：
步驟1.1、將符合要求的待成形材料顆粒與光固化樹脂按一定比例混合，同時加入一定量的助劑混合均勻，然後在避光的條件下加入光引發劑，再次混合均勻並消除泡沫；
步驟1.2、判斷待成形材料顆粒間成頸溫度是否低於光固化樹脂的脫除溫度；當待成形材料顆粒間成頸溫度低於光固化樹脂的脫除溫度時，實施步驟1.3；當待成形材料顆粒間成頸溫度高於光固化樹脂的脫除溫度時，需要在進行步驟1.1時添加高溫粘結劑再進行混合，再實施步驟1.3；
步驟1.3、判斷待成形材料的燒結溫度是否高於燒結設備所能承受的溫度範圍，當待成形材料的燒結溫度低於燒結設備所能承受的溫度範圍時，則步驟1.2得到的是最終產物光固化漿料；當待成形材料的燒結溫度高於燒結設備所能承受的溫度範圍時，需在步驟1.2的基礎上再添加活化燒結劑，混合，得到光固化漿料；
步驟2、光固化漿料的光固化成形，具體按照以下步驟實施：
將待成形零件三維模型信息導入光固化成形設備內，利用可控紫外光對光固化漿料的固化作用成形出所需零件的毛坯；
步驟3、對毛坯進行清洗及後處理；
步驟4、脫脂燒結，具體按照以下步驟實施：
步驟4.1、脫脂；
步驟4.2、燒結。
本發明的特點還在於，
步驟3具體按照以下步驟實施：
步驟3.1、從成形艙內取出固化製得的毛坯，使用毛刷輕輕地清掃毛坯表面，直至露出已固化的表面；
步驟3.2、將步驟3.1中清掃乾淨的毛坯浸入有機溶劑中，並使用鏟子、刷子或超聲波震蕩除去粘附於毛坯上的未固化樹脂；
步驟3.3、對步驟3.2中得到的除去未固化樹脂的毛坯進行去支撐、打磨、拋光處理；
步驟4.1具體按照以下步驟實施：
a、將經步驟3處理的毛坯放入脫脂爐內，在常壓、空氣或氬氣保護的環境下，以1-5℃/min的升溫速率將溫度升高到300-600℃，保溫2-5h後隨爐冷卻；
b、將脫脂爐抽成真空環境，再將毛坯以1-5℃/min的升溫速率升高到300-600℃，保溫2-5h後隨爐冷卻。
步驟4.2具體按照以下步驟實施：
當待成形材料的燒結溫度低於燒結設備所能承受的溫度範圍時，按照以下步驟實施：
將經步驟b脫脂的毛坯放入燒結爐內，在氬氣保護的環境下，氣體壓力10-200MPa，以1-10℃/min的升溫速率升到580-2000℃，保溫1-2h後隨爐冷卻。
步驟4.2具體按照以下步驟實施：
當待成形材料的燒結溫度高於燒結設備所能承受的溫度範圍時，按照以下步驟實施：
c、預燒，具體為：將經步驟b脫脂的毛坯放入燒結爐內，在氬氣保護的環境下，氣體壓力10-200MPa，以1-5℃/min的升溫速率將溫度升高到600℃-1000℃，保溫1-2h；
d、燒結，具體為：待預燒完成，在與預燒相同環境及壓力下，以5-10℃/min升溫速率將溫度升高到1000℃-2000℃，保溫1-2h。
步驟1.2所述的有機溶劑為乙醇或丙酮。
高溫粘結劑為有機矽或酚醛樹脂。
活化燒結劑由金屬或非金屬元素組成。
本發明的有益效果是，通過採用本發明技術方案，
(1)能夠將毛坯表面及內部空腔、孔洞、複雜內流道等特徵處的未固化樹脂清理乾淨；
(2)樹脂成分完全脫除前形成燒結頸，能夠有效抑制燒結過程中的開裂、坍塌等缺陷；
(3)添加活化劑進行活化燒結，降低燒結溫度；
(4)支撐結構去除及表面精度改善等操作在燒結前進行，減小了處理的難度。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明提供的一種加強型樹脂光固化成形方法，具體按照以下步驟實施：
步驟1、光固化漿料的製備，具體按照以下步驟實施：
步驟1.1、將符合要求的待成形材料顆粒與光固化樹脂按一定比例混合，同時加入一定量的助劑混合均勻，然後在避光的條件下加入光引發劑，再次混合均勻並消除泡沫；
步驟1.2、判斷待成形材料顆粒間成頸溫度是否低於光固化樹脂的脫除溫度；當待成形材料顆粒間成頸溫度低於光固化樹脂的脫除溫度時，實施步驟1.3；當待成形材料顆粒間成頸溫度高於光固化樹脂的脫除溫度時，需要在進行步驟1.1時添加高溫粘結劑再進行混合，再實施步驟1.3；
步驟1.3、判斷待成形材料的燒結溫度是否高於燒結設備所能承受的溫度範圍，當待成形材料的燒結溫度低於燒結設備所能承受的溫度範圍時，則步驟1.2得到的是最終產物光固化漿料；當待成形材料的燒結溫度高於燒結設備所能承受的溫度範圍時，需在步驟1.2的基礎上再添加活化燒結劑，混合，得到光固化漿料；
步驟2、光固化漿料的光固化成形，具體按照以下步驟實施：
將待成形零件三維模型信息導入光固化成形設備內，利用可控紫外光對光固化漿料的固化作用成形出所需零件的毛坯；
步驟3、對毛坯進行清洗及後處理；
步驟4、脫脂燒結，具體按照以下步驟實施：
步驟4.1、脫脂；
步驟4.2、燒結。
步驟3具體按照以下步驟實施：
步驟3.1、從成形艙內取出固化製得的毛坯，使用毛刷輕輕地清掃毛坯表面，直至露出已固化的表面；
步驟3.2、將步驟3.1中清掃乾淨的毛坯浸入有機溶劑中，並使用鏟子、刷子或超聲波震蕩除去粘附於毛坯上的未固化樹脂；
步驟3.3、對步驟3.2中得到的除去未固化樹脂的毛坯進行去支撐、打磨、拋光處理；
步驟4.1具體按照以下步驟實施：
a、將經步驟3處理的毛坯放入脫脂爐內，在常壓、空氣或氬氣保護的環境下，以1-5℃/min的升溫速率將溫度升高到300-600℃，保溫2-5h後隨爐冷卻；
b、將脫脂爐抽成真空環境，再將毛坯以1-5℃/min的升溫速率升高到300-600℃，保溫2-5h後隨爐冷卻。
步驟4.2具體按照以下步驟實施：
當待成形材料的燒結溫度低於燒結設備所能承受的溫度範圍時，按照以下步驟實施：
將經步驟b脫脂的毛坯放入燒結爐內，在氬氣保護的環境下，氣體壓力10-200MPa，以1-10℃/min的升溫速率升到580-2000℃，保溫1-2h後隨爐冷卻。
步驟4.2具體按照以下步驟實施：
當待成形材料的燒結溫度高於燒結設備所能承受的溫度範圍時，按照以下步驟實施：
c、預燒，具體為：將經步驟b脫脂的毛坯放入燒結爐內，在氬氣保護的環境下，氣體壓力10-200MPa，以1-5℃/min的升溫速率將溫度升高到600℃-1000℃，保溫1-2h；
d、燒結，具體為：待預燒完成，在與預燒相同環境及壓力下，以5-10℃/min 升溫速率將溫度升高到1000℃-2000℃，保溫1-2h。
步驟1.2所述的有機溶劑為乙醇或丙酮。
高溫粘結劑為有機矽或酚醛樹脂。
活化燒結劑由金屬或非金屬元素組成。
實施例1
光固化鋁及鋁合金材料的成形工藝
量取d50＝6.5um的AlSi10Mg金屬粉末1602g；稀土元素1.60g；分散劑16.02g；光敏劑14.418g；相溶劑24.03g；稀釋劑19.224g；消泡劑)16.02g；光引發劑24.03g；待混樹脂400ml待用。
將1602gAlSi10Mg與1.60g稀土在加入16.02g分散劑的情況下於球磨機內，球磨1-2h，製成金屬混合物。
取809.81g的金屬混合物、7.209g光敏劑、12.015g相溶劑、9.612g稀釋劑與400ml的待混樹脂加入攪拌機內，在35℃的溫度下，以200rad/min的轉速，攪拌1.5h。繼續加入539.87g的金屬混合物與4.806g光敏劑、8.01g相溶劑、6.408g稀釋劑，在35℃的溫度下，以250rad/min的轉速，攪拌2h。將剩餘的269.94g金屬混合物及2.403g光敏劑、4.005g相溶劑、3.204g稀釋劑，在35℃的溫度下，以300rad/min的轉速，攪拌1h；
在避光的條件下，加入24.03g的光引發劑及16.02g的消泡劑，在35℃的溫度下，以350rad/min的轉速，攪拌2h後，在低於-0.06MPa的負壓、暗環境中靜置8h，得到混合物。
由於鋁及鋁合金顆粒間成頸溫度低於光固化樹脂的脫除溫度，且鋁及鋁合金的燒結溫度低於燒結設備所能承受的溫度範圍，故直接上述混合物即為光固化漿料。
將待成形零件三維模型信息導入光固化成形設備內，利用可控紫外光對光固化漿料的固化作用成形出所需零件的毛坯。
從成形艙內取出固化製得的毛坯，將其浸泡於乙醇溶液中，用鏟子、毛刷清除其表面粘附的未固化樹脂，通過超聲波振動清理其內部空腔、孔洞等特徵處未固化樹脂；然後，對毛坯進行去支撐、打磨、拋光等處理以除去毛坯上在脫脂燒結過程中不起任何作用的支撐及提高最終製件的表面精度。
將清洗處理乾淨的毛坯放入脫脂爐內，在常壓、氬氣環境下，以1℃/min的升溫速率升高到300℃，保溫2h後隨爐冷卻；然後抽真空，以相同的升溫速率升到相同的溫度，經歷同等的保溫時間後再次隨爐冷卻，脫脂成功；
將脫脂完成的毛坯放入燒結爐內，在氬氣保護的環境下，氣體壓力10MPa，以5℃/min的升溫速率升到580℃，保溫2h得到所需要的鋁合金製件。
實施例2
光固化鎢及鎢合金材料成形工藝
量取d50＝2.5um的WC金屬粉末10159.5g；稀土元素10.1697g；活化劑507.975g；分散劑10.1595g；光敏劑4.992g；相溶劑24.96g；稀釋劑10.1596g；消泡劑6.0957g；光引發劑10.1595g；高溫粘結劑50.7975g；待混的樹脂350ml待用。
將10159.5gWC與10.1697g稀土元素在加入10.1595g分散劑的情況下於球磨機內，球磨1.5h，製成金屬混合物。取5089.9146g的金屬混合物、2.496g光敏劑、12.48g相溶劑、5.0798g稀釋劑、25.3988g高溫粘結劑、253.9875g活化劑與350ml待混的樹脂加入攪拌機內，在50℃的溫度下，以350rad/min的轉速，攪拌1h。繼續加入3393.2764g的金屬混合物與1.664g光敏劑、8.32g 相溶劑、3.3865g稀釋劑、16.9325g高溫粘結劑、169.325g活化劑，在50℃的溫度下，以400rad/min的轉速，攪拌1h。將剩餘的1696.6382g金屬混合物及0.832g光敏劑、4.16g相溶劑、1.6932g稀釋劑、8.4662g高溫粘結劑、84.6625g活化劑，在50℃的溫度下，以450rad/min的轉速，攪拌1.5h；在避光的條件下，加入10.1595g的光引發劑及6.0957g的消泡劑，在50℃的溫度下，以300rad/min的轉速，攪拌2h後，在低於-0.08MPa的負壓、暗環境中靜置5h，得到混合物。
由於鎢及鎢合金顆粒間成頸溫度為在1000℃左右，高於光固化樹脂的脫除溫度，則需要在固化前的光固化樹脂中添加高溫粘結劑，此處添加有機矽，該高溫粘結劑在鎢及其合金顆粒之間成頸後脫除；由於鎢及鎢合金的燒結溫度超過2000℃，高於一般燒結設備所能承受的溫度範圍，需在固化前的光固化樹脂中添加活化燒結劑，此處添加鎢粉質量10％的鎳，以降低燒結溫度。故在上述原材料中加入有機矽和鎳粉進行混合製備成光固化漿料。
將待成形零件三維模型信息導入光固化成形設備內，利用可控紫外光對光固化漿料的固化作用成形出所需零件的毛坯。
毛坯的清理與後處理，首先，從成形艙內取出固化製得的毛坯，將其浸泡於乙醇溶液中，用鏟子、毛刷清除其表面粘附的未固化樹脂，通過超聲波振動清理其內部空腔、孔洞等特徵處未固化樹脂；然後，對毛坯進行去支撐、打磨、拋光等處理以除去毛坯上在脫脂燒結過程中不起任何作用的支撐及提高最終製件的表面精度。
脫脂過程，將清洗處理乾淨的毛坯放入脫脂爐內，在常壓、氬氣環境下，以2℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫2h後隨爐冷卻；然後抽真空，以2℃/min的升溫速率升高到600℃，保溫3h後隨爐冷卻。
燒結過程：c、預燒，將經脫脂的毛坯放入燒結爐內，在氬氣保護的環境下，氣體壓力200MPa，以5℃/min的升溫速率升到1000℃，保溫2h使毛坯內部鎢及其合金顆粒間成頸並脫除高溫粘結劑；d、燒結，待預燒完成後，在相同的壓力下，以10℃/min的升溫速率升到2000℃，保溫2h得到所需要的鎢及其合金製件。
實施例3
光固化鎳基高溫合金材料成形工藝
量取d50＝9.5um的FGH4096金屬粉末3762g；分散劑(聚丙烯酸銨)18.81g；相溶劑：多元醇9.405g；消泡劑：礦物油37.62g；光引發劑：56.43g，其中α-羥烷基苯酮41.04g、鐵芳烴鹽15.39g；高溫粘結劑；有機矽18.81g；待混的樹脂550ml，其中，聚氨酯丙烯酸酯400ml、縮水甘油酯150ml，待用。
將3762g FGH4096與18.81g分散劑在球磨機內，球磨1.5h，製成金屬混合物。
取1890.405g的金屬混合物、4.7025g相溶劑、9.405g高溫粘結劑與550ml待混的樹脂加入攪拌機內，在25℃的溫度下，以300rad/min的轉速，攪拌1h。繼續加入1260.27g的金屬混合物、3.135g相溶劑、6.27g高溫粘結劑，在25℃的溫度下，以350rad/min的轉速，攪拌1h。將剩餘的630.135g金屬混合物、1.5675g相溶劑、3.135g高溫粘結劑，在25℃的溫度下，以350rad/min的轉速，攪拌1.5h；
在避光的條件下，加入56.43g的光引發劑及37.62g的消泡劑，在25℃的溫度下，以300rad/min的轉速，攪拌2h後，在低於-0.06MPa的負壓、暗環境中靜置8h。
將待成形零件三維模型信息導入光固化成形設備內，利用可控紫外光對光固化漿料的固化作用成形出所需零件的毛坯。
由於鎳基高溫合金成頸溫度較高，高於樹脂成分脫出溫度，因而在樹脂配方中添加高溫粘結劑，以保證光敏樹脂脫除後的毛坯件仍有一定強度，該高溫粘結劑在鎳基高溫合金顆粒之間成頸後脫除。故在上述原材料中加入有機矽或矽溶膠進行混合製備成光固化漿料。
毛坯的清理與後處理，首先，從成形艙內取出固化製得的毛坯，將其浸泡於乙醇溶液中，用鏟子、毛刷清除其表面粘附的未固化樹脂，通過超聲波振動清理其內部空腔、孔洞等特徵處未固化樹脂；然後，對毛坯進行去支撐、打磨、拋光等處理以除去毛坯上在脫脂燒結過程中不起任何作用的支撐及提高最終製件的表面精度。
脫脂過程，在常壓、氬氣環境下，以1℃/min的升溫速率升高到500℃，保溫2h後隨爐冷卻；然後抽真空，以5℃/min的升溫速率升高到500℃，保溫5h後隨爐冷卻。
燒結過程，c、預燒，在氬氣保護的環境下，以5℃/min的升溫速率升到700℃，保溫1h使毛坯內部鎳基高溫合金顆粒間成頸並脫除高溫粘結劑；d、燒結，待預燒完成後，在200MPa壓力下，以10℃/min的升溫速率升到1000℃，保溫1h得到所需要的鎳基高溫合金製件。
本發明在燒結過程中，當燒結溫度高於設備所能承受的範圍或燒結溫度過高增加生產成本時，需要降低燒結溫度，此時在固化前的加強型樹脂中添加活化燒結劑，在待成形材料顆粒間成頸前，所使用的升溫速率為1-5℃/min；在待成形材料顆粒間成頸後，所使用的升溫速率為5-10℃/min；待成形材料顆粒間成頸前，脫脂過程採用氣氛脫脂與真空脫脂相結合的方式進行；待成 形材料顆粒間成頸後，燒結過程為熱等靜壓過程，使用的氣體壓力為10-200Mpa。