混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法

本发明属于增材制造与铸造技术交叉领域，尤其涉及一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法。

背景技术：

1、砂型3d打印技术是一种主要基于微滴喷射原理的快速成形技术。砂型冷冻打印采用水基溶液做砂型铸造用粘接剂，在低温环境下将预混砂逐层冰冻成固体以保持其形状，不同于其他3d打印技术在室温下或加热打印材料。冷冻砂型在高温熔体冲击下，自然溃散，浇注过程中无强烈刺激性气体产生。该方法不使用树脂，粘接剂主要成分是水，起到环保的作用，符合现代绿色制造的理念。

2、针对高、中、低温合金不同温度范围，冷冻砂型的冻结温度不同。在实际的生产过程中，越低的冻结温度意味着越高的能耗，且冷冻砂型力学性能也随着温度的降低先提高后降低。因此，我们必须在冷冻砂型冻结相变温度和基础铸造性能之间寻求平衡。另一方面，低温冷冻砂型在远距离长时间运输过程也面临巨大挑战。蓄冷材料主要是利用材料在相变过程中吸收或者放出热量来储能或释放能量，这类材料不仅具有能量密度高、装置简单、体积小等优点，而且材料在相变过程中近似恒温，通过这种方式可以控制体系的温度。将相变材料放入保温箱中应用于冷链运输，可以实现冷链车厢无源化，用普通货车实现小批量、单元化和多温区运输，实现节约能源、资源合理利用的目的。鉴于冷冻砂型浇注及运输目前存在的问题，将相变材料与冷冻砂型相结合，可以制备梯度冷冻砂型，避免浇注过程出现缩松缩孔，提高铸件整体性能。

技术实现思路

1、为解决冷冻铸造控形控性和远距离运输难等问题，提供了一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，该方法主要解决铸件壁厚无法实现顺序凝固的问题，实现冷冻砂型长时间远距离高质量运输。

2、本发明提出了一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，包括相变蓄冷材料的制备和砂型多梯度冷冻打印成形工艺。

3、一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，该方法适用于铸件壁厚悬殊制型制芯过程和冷冻砂型长时间远距离运输过程，具体实施步骤为：

4、s1、砂型冷冻打印用蓄冷材料配方设计，相变温度控制在-15℃～-25℃，并且混杂相变蓄冷材料的水基粘接剂粘度和表面张力满足阵列喷头要求。

5、s2、根据铸件特点选择合适型砂，将被打印的砂型材料与液氮或干冰进行搅拌，使预混型砂冷却至零下温度(-20℃～-40℃)。

6、s3、在低温环境下，铺设一层预冷型砂。控制系统驱动阵列喷头根据砂型当前层截面信息按需喷射水基粘接剂，液滴喷射至预冷型砂表面。

7、s4、将数字化成形后的冷冻砂型置于超过冷环境-30℃到-50℃中静置数分钟至数小时不等的时间，进一步降低冷冻砂型温度。

8、s5、在冷冻环境下，对砂型/芯单元进行整体组装，组装完毕后置于专用冷库中保存或进行远距离输运交付。

9、进一步地，所述水基粘接剂中相变材料可以是有机或无机蓄冷材料，可以是多材料复合，也可以是浓度的不同。

10、进一步地，所述水基粘接剂中蓄冷材料主储能剂为nacl，降温剂为gacl2、kcl、k2co3、nh4br、聚乙烯醇、十二烷和二甘醇中的一种或多种。

11、进一步地，所述水粘接剂中去离子水质量分数73wt.％～77wt.％，nacl质量分数为20wt.％，降温剂质量分数3wt.％～7wt.％。

12、进一步地，所述水粘接剂中去离子水质量分数73wt％，nacl质量分数为20wt.％，降温剂质量分数7wt.％。

13、进一步地，所述水粘接剂中去离子水质量分数77wt.％，nacl质量分数为20wt.％，降温剂质量分数3wt.％。

14、进一步地，所述水粘接剂中去离子水质量分数75wt.％，nacl质量分数为20wt.％，降温剂质量分数5wt.％。

15、进一步地，一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，其特征在于，所述水基粘接剂表面张力在30～50mn/m，粘度在2～10mpa·s。

16、进一步地，所述喷墨系统包含两套及以上墨路系统。根据铸件壁厚不同，在相应铸型部分喷射不同蓄热能力的水基粘接剂；壁厚的地方喷蓄冷大的粘结剂，壁薄的地方喷蓄冷量小一点的粘结剂。

17、本发明的有益效果：

18、(1)本发明水基粘接剂组分配比简单，且单位质量蓄冷密度高。

19、(1)本方案针对不同壁厚铸件对应的冷冻砂型，可以选择性多梯度下不同灰度混杂蓄冷材料的水基粘接剂喷射，使砂型不同区域具备不同的热物理性能，从而实现铸件的顺序凝固和精确调控；实现强蓄冷作用，且实现水粘结剂的灰度打印。

20、(2)混杂蓄冷材料的多梯度冷冻砂型，适用于长时间远距离蓄冷运输。

技术特征：

1.一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，其特征在于，所述水基粘接剂中相变材料采用是有机或无机蓄冷材料，或采用多材料复合或一种蓄冷材料浓度的不同。

3.根据权利要求1所述的一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，其特征在于，所述水基粘接剂中蓄冷材料主要储能剂为nacl，降温剂为gacl2、kcl、k2co3、nh4br、聚乙烯醇、十二烷和二甘醇中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，其特征在于，所述水粘接剂中去离子水质量分数73wt.％～77wt.％，nacl质量分数为20％，降温剂质量分数3wt.％～7wt.％。

5.根据权利要求1所述的一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，其特征在于，所述水基粘接剂表面张力在30～50mn/m，粘度在2～10mpa·s。

6.根据权利要求1所述的一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，其特征在于，根据铸件壁厚不同，在相应铸型部分喷射不同灰度值及蓄热能力的水基粘接剂。

技术总结
本发明公开了一种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，包括相变蓄冷材料的制备工艺和砂型多梯度冷冻打印成形工艺，本发明涉及砂型铸造领域。所述水粘接剂中去离子水质量分数73～77%，蓄冷材料储能剂NaCl质量分数为20%，降温剂质量分数3%～7%。该种混杂相变蓄冷材料的冷冻砂型灰度打印成形方法，针对不同壁厚铸件对应的冷冻砂型，可以选择性灰度喷射混杂蓄冷材料的水基粘接剂，从而实现大型复杂铸件的顺序凝固。本发明适用于冷冻砂型的蓄冷运输，单位质量蓄冷密度高，适合产业化推广。

技术研发人员：杨浩秦,单忠德,施建培
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15