專利名稱：應用快速成形石膏模工藝制備三維光彈性分析模型的方法
技術領域：
本發明屬于快速制模技術，具體涉及到應用快速成形和石膏型真空注型工藝制備光 彈性分析模型的方法。
背景技術：
用光學原理研究彈性力學問題的實驗方法稱為光彈性法，它是將具有雙折射效應的 透明塑料制成構件模型，置于偏振光場中讀取千涉條紋圖形進行分析，以研究幾何形狀 和載荷條件都比較復雜的構件的應力分布狀態，特別是應力集中的區域和三維內部應力 問題。石膏型工藝主要用于醫療、青銅器鑄造和建筑等行業，近幾十年也應用于高精度 復雜零件的精密鑄造。通過制作原型、配置石膏漿料、澆灌石膏型、石膏型縮水硬化、 澆鑄和鑄件清理等步驟實現銅鋁等合金精密鑄件。目前應用環氧樹脂制備光彈性模型的主要方法是先制作零件的木型，制作拔模分型 的低熔點合金模、硅膠模、石膏模等模具，在進行環氧樹脂模型的澆灌成形，復雜結構 的模型時也有采用分塊制作后粘接成成體模型的。這樣的工藝特點一是模型精度低，木 型制作精度受加工精度和分型定位精度的影響大；二是制造周期長，特別是對于復雜結構零件，模具結構復雜，工藝時間長；分塊結構多等；三是具有復雜內腔結構的模型，出模困難，往往需要分塊制作再粘接，不能完全滿足材質一致性的要求。發明內容本發明的目的是，提供一種應用快速原型和熔模型石膏型制作三維光彈模型的工藝方法，模型精度可達到IT5級鑄件尺寸精度。該方法包括制模用快速成形蠟型母模制作、熔模石膏模制作和真空澆注環氧樹脂三 部分，方法主要為以下三個過程.-一、應用快速成形技術制作零件蠟型母模快速成形(Rapid Prototyping,RP)技術是采取分層制造、離散堆積方法快速制造 產品模型樣件的工藝方法，可直接由零件三維CAD數字模型應用快速成形專用設備制 作零件原型樣件。本專利中采用激光選區燒結(SLS)快速成形工藝制作蠟型，原型材 料為石蠟、塑料粉末混合物，用于制造熔模石膏模的母模原型。具體步驟(1 )將欲制零件的三維CAD模型轉化為STL格式數據，應用激光選區燒結(SLS)工藝制作快速成形蠟型母模；(2)在蠟型母模上粘接上蠟質澆口棒，澆口杯直徑20 30mm; (3〉將組裝好澆口棒的零件母模蠟型懸空吊置于容器中。二、 應用發泡石膏制作熔模石膏模，包括配置石膏漿料、組裝澆注口、澆灌石膏型、 脫蠟和石膏型脫水等過程。將零件快速成形蠟型加裝澆注口，懸空置于適當尺寸圍箱內； 在半水石膏粉中添加適宜的填料和添加劑，以提高石膏模強度、降低裂紋傾向和增加透 氣性和潰散性；配制石膏漿料；在圍箱中澆灌發泡石膏模，石膏模固化后置入烘干爐內， 高溫補氧以脫除石膏模中蠟型母模；在烘干爐內以一定順序的低溫-高溫干燥工藝進行 干燥和焙燒，制成熔模石膏模。具體步驟(1) 配制石膏漿料選用OC型或P型半水石膏粉，在100份OC型半水石膏粉中，添 加石英粉20 40份(重量比，下同)、高嶺土或鋁礬土35 50份、硫酸鎂15 25份，與 水均勻混合制成石膏漿料，水與固體的比例為0.8:1 1.5:1，緩緩倒入容器內，保持蠟型 原型距容器壁距離均勻，制漿與澆注時間不超過10分鐘。(2) 靜置10小時以上，石膏型固化并排出部分水分；(3) 將石膏模置入循環氣氛烘干爐內對石膏模干燥、脫蠟和焙燒，在100 700'C 溫度范圍內升溫、保溫以及降溫約25-30小時，制成無水發泡石膏模。蠟型母模的脫蠟 包含在石膏模干燥和焙燒過程中。(4) 將石膏模冷卻至30 5(TC，置入真空注型機內。三、 真空澆注環氧樹脂將制成的熔模石膏模置于真空澆注室內，先將光彈樹脂材料配比、混合、脫氣，在 近真空(<lkPa)狀態下澆灌入石膏模內，澆注完成時恢復大氣壓力，以保證樹脂充滿 模腔，模型均勻密實。在烘干箱內進行一次固化。具體步驟(1) 配制環氧樹脂在100份(重量比，下同)環氧樹脂中，添加順丁烯二酸酐 30份±5份、臨苯二甲酸二丁酯2份士1份，二甲基苯胺0.1 0,2份，水浴加熱至80 100 'C混合，置入真空注型機內，保持真空室內絕對壓力〈0.01bar，脫氣并澆注入石膏模中， 澆注完成后恢復真空室壓力為大氣壓力，取出石膏模。(2) 將石膏模置入烘干箱內48小時，烘干箱溫度保持50 55'C，對模型進行固化；(3) 取出石膏模，置入水池內浸泡，待石膏松軟后去除石膏； 最后清理石膏，整理模型。在水中浸泡后輕巧石膏模，清除石膏材料，得到樹脂模型去除澆注口后，完成光彈樹脂模型。
具體實施方式
以下通過具體實施例對本發明的方法做進一步的說明。以發動機活塞模型為例。 一、制模用蠟型母模制作-(1) 將已有該零件三維CAD模型，零件外形尺寸為150xl50xl65mm，轉化為STL 格式數據，應用激光選區燒結(Selected Laser Sintering, SLS)工藝制作快速成形蠟型 即塑料粉與石蠟混合的活塞原型。蠟型原型尺寸精度為土0.2mm，制作時間2天；(2) 在蠟型母模上粘接上蠟質澆口棒，澆口杯直徑20mm;(3) 薄鐵皮圍制40x40x40厘米方桶，將組裝好澆口棒的活塞蠟型母模懸空吊置于 桶中；二、 熔模石膏模制作(1) 配制石膏漿料選用a型半水石膏粉，添加劑為重量比，石膏粉100份、石英 粉20份、鋁鞏土粉20份、滑石粉8份、硫酸鎂18份，加水240份混合制成石膏漿料 緩緩倒入容器內，保持蠟型母模距容器側壁距離均勻，制漿與澆注時間不超過10分鐘；(2) 靜置10小時，石膏型固化并排出部分水分；(3) 將石膏模置入循環氣氛烘干爐內130。C持續6小時；然后以每小時6(TC的升溫 速率升至700'C，保持爐溫5小時；平緩降低爐內溫度至30(TC保持5小時后自然冷卻至常溫o(4) 將石膏模冷卻至30 5(TC，置入真空注型機內；三、 真空澆注環氧樹脂(1) 配制環氧樹脂在100份(重量比，下同)E-44型環氧樹脂中，添加順丁烯 二酸酐32份、臨苯二甲酸二丁酯3份，二甲基苯胺0.2份，水浴加熱至卯。C混合，置 入真空注型機內，保持真空室內絕對壓力〈0.01bar，脫氣并澆注入石膏模中，澆注完成 后恢復真空室壓力為大氣壓力，取出石膏模；(2) 將石膏模置入烘干箱內48小時，烘干箱溫度保持在55'C，對模型進行固化；(3) 取出石膏模，置入水池內浸泡，待石膏松軟后去除石膏；(4) 用手鋸切去樹脂澆口棒，保持活塞外表面完整光滑；(5) 清洗零件模型，使模型上不帶有石膏灰和蠟，高壓氣吹干模型。 本發明的特點和有益之處在于制作光彈模型精度度高，制作周期短；制模工藝簡單有效，出模方便，特別適合于薄壁或內腔結構的復雜模型制作。該方法也可用于快速 制備其他用途(如建筑模型和工藝品模型等)復雜結構的環氧類樹脂模型。
權利要求
1.應用石膏模真空注型工藝制備三維光彈性分析模型的方法，其特征在于方法包括制模用蠟型原型制作、熔模石膏模制作和真空澆注環氧樹脂三部分，具體方法如以下步驟一、應用快速成形技術制作蠟型母模(1)將欲制零件的三維CAD模型轉化為STL格式數據，應用激光選區燒結工藝制作快速成形蠟型；(2)在蠟型母模上粘接上蠟質澆口棒，澆口杯直徑20～30mm；(3)將組裝好澆口棒的零件蠟型母模懸空吊置于容器中；二、熔模石膏模制作(1)配制石膏漿料選用α型或β型半水石膏粉，在100份α型半水石膏粉中，添加石英粉20～40份、高嶺土或鋁礬土35～50份、硫酸鎂15～25份，與水均勻混合制成石膏漿料，上述比例為重量比，水與固體的比例為0.8∶1～1.5∶1，緩緩倒入容器內，保持蠟型原型距容器壁距離均勻，制漿與澆注時間不超過10分鐘；(2)靜置10小時，石膏型固化并排出部分水分；(3)將石膏模置入循環氣氛烘干爐內，在100～700℃溫度范圍內升溫、保溫及降溫25～30小時，對石膏模干燥、脫蠟和焙燒，制成無水發泡石膏模；(4)將石膏模冷卻至30～50℃，置入真空注型機內；三、真空澆注環氧樹脂(1)配制環氧樹脂在100份E-44型環氧樹脂中，添加順丁烯二酸酐30份±5份、臨苯二甲酸二丁酯2份±1份，二甲基苯胺0.1～0.2份，上述比例為重量比，水浴加熱至80～100℃混合，置入真空注型機內，保持真空室內絕對壓力＜0.01bar，脫氣并澆注入石膏模中，澆注完成后恢復真空室壓力為大氣壓力，取出石膏模；(2)將石膏模置入烘干箱內48小時，烘干箱溫度保持在50～55℃，對模型進行固化；(3)取出石膏模，置入水池內浸泡，待石膏松軟后去除石膏；(4)切去樹脂澆口棒，保持活塞外表面完整光滑；(5)清洗零件模型，使模型上不帶有石膏灰和蠟，高壓氣吹干模型。
全文摘要
本發明公開了一種應用石膏型真空注型工藝制備光彈性分析模型的方法，包括制模用蠟型母模制作、熔模石膏模制作和真空澆注環氧樹脂三部分。具體步驟主要為(1)將欲制零件的三維CAD模型轉化為STL格式數據，應用激光選區燒結工藝制作快速成形蠟型；在蠟型母模上粘接上蠟質澆口棒，將母模蠟型懸空吊置于容器中；(2)在半水石膏粉中添加填料和添加劑與水均勻混合，倒入容器內，保持蠟型母模距容器壁距離均勻，靜置10小時石膏型固化。將其置入烘干爐進行干燥、脫蠟和焙燒等。將石膏模冷卻后置入真空注型機內；(3)在環氧樹脂中添加固化劑、增塑劑，水浴加熱混合后置入真空注型機內脫氣并澆注入石膏模中，再將其置入烘干箱內模型進行固化。
文檔編號B29C39/42GK101623907SQ20091006994
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月30日 優先權日2009年7月30日
發明者崔國起, 陳光輝 申請人:天津內燃機研究所