[发明专利]应用快速成形石膏模工艺制备三维光弹性分析模型的方法

说明书

技术领域

本发明属于快速制模技术，具体涉及到应用快速成形和石膏型真空注型工艺制备光 弹性分析模型的方法。

背景技术

用光学原理研究弹性力学问题的实验方法称为光弹性法，它是将具有双折射效应的 透明塑料制成构件模型，置于偏振光场中读取干涉条纹图形进行分析，以研究几何形状 和载荷条件都比较复杂的构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域和三维内部应力 问题。石膏型工艺主要用于医疗、青铜器铸造和建筑等行业，近几十年也应用于高精度 复杂零件的精密铸造。通过制作原型、配置石膏浆料、浇灌石膏型、石膏型缩水硬化、 浇铸和铸件清理等步骤实现铜铝等合金精密铸件。

目前应用环氧树脂制备光弹性模型的主要方法是先制作零件的木型，制作拔模分型 的低熔点合金模、硅胶模、石膏模等模具，在进行环氧树脂模型的浇灌成形，复杂结构 的模型时也有采用分块制作后粘接成成体模型的。这样的工艺特点一是模型精度低，木 型制作精度受加工精度和分型定位精度的影响大；二是制造周期长，特别是对于复杂结 构零件，模具结构复杂，工艺时间长；分块结构多等；三是具有复杂内腔结构的模型， 出模困难，往往需要分块制作再粘接，不能完全满足材质一致性的要求。

发明内容

本发明的目的是，提供一种应用快速原型和熔模型石膏型制作三维光弹模型的工艺 方法，模型精度可达到IT5级铸件尺寸精度。

该方法包括制模用快速成形蜡型母模制作、熔模石膏模制作和真空浇注环氧树脂三 部分，方法主要为以下三个过程：

一、应用快速成形技术制作零件蜡型母模：

快速成形(Rapid Prototyping，RP)技术是采取分层制造、离散堆积方法快速制造 产品模型样件的工艺方法，可直接由零件三维CAD数字模型应用快速成形专用设备制 作零件原型样件。本专利中采用激光选区烧结(SLS)快速成形工艺制作蜡型，原型材 料为石蜡、塑料粉末混合物，用于制造熔模石膏模的母模原型。具体步骤：

(1)将欲制零件的三维CAD模型转化为STL格式数据，应用激光选区烧结(SLS) 工艺制作快速成形蜡型母模；

(2)在蜡型母模上粘接上蜡质浇口棒，浇口杯直径20～30mm；

(3)将组装好浇口棒的零件母模蜡型悬空吊置于容器中。

二、应用发泡石膏制作熔模石膏模，包括配置石膏浆料、组装浇注口、浇灌石膏型、 脱蜡和石膏型脱水等过程。将零件快速成形蜡型加装浇注口，悬空置于适当尺寸围箱内； 在半水石膏粉中添加适宜的填料和添加剂，以提高石膏模强度、降低裂纹倾向和增加透 气性和溃散性；配制石膏浆料；在围箱中浇灌发泡石膏模，石膏模固化后置入烘干炉内， 高温补氧以脱除石膏模中蜡型母模；在烘干炉内以一定顺序的低温-高温干燥工艺进行 干燥和焙烧，制成熔模石膏模。具体步骤：

(1)配制石膏浆料：选用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(重量比，下同)、高岭土或铝矾土35～50份、硫酸镁15～25份，与 水均匀混合制成石膏浆料，水与固体的比例为0.8∶1～1.5∶1，缓缓倒入容器内，保持蜡型 原型距容器壁距离均匀，制浆与浇注时间不超过10分钟。

(2)静置10小时以上，石膏型固化并排出部分水分；

(3)将石膏模置入循环气氛烘干炉内对石膏模干燥、脱蜡和焙烧，在100～700℃ 温度范围内升温、保温以及降温约25-30小时，制成无水发泡石膏模。蜡型母模的脱蜡 包含在石膏模干燥和焙烧过程中。

(4)将石膏模冷却至30～50℃，置入真空注型机内。

三、真空浇注环氧树脂

将制成的熔模石膏模置于真空浇注室内，先将光弹树脂材料配比、混合、脱气，在 近真空(＜1kPa)状态下浇灌入石膏模内，浇注完成时恢复大气压力，以保证树脂充满 模腔，模型均匀密实。在烘干箱内进行一次固化。具体步骤：

(1)配制环氧树脂：在100份(重量比，下同)环氧树脂中，添加顺丁烯二酸酐 30份±5份、临苯二甲酸二丁酯2份±1份，二甲基苯胺0.1～0.2份，水浴加热至80～100 ℃混合，置入真空注型机内，保持真空室内绝对压力＜0.01bar，脱气并浇注入石膏模中， 浇注完成后恢复真空室压力为大气压力，取出石膏模。