一种雕刻模型材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及机加工和熔模铸造技术领域，特别是涉及一种雕刻模型材料及其制备方法和应用。

背景技术

金属饰品雕刻起版，个性化的金属饰品和工艺品以及艺术雕塑技术经历了第一代油泥雕刻、木雕雕刻模型，第二代仿形机缩刻模型，第三代3D打印模型的发展历程，未来将进入第四代5轴立体雕刻模型技术。随着技术的不断发展，制模时间、成本大幅缩减，而且模型精度也有了很大提高。

通常刚研发或设计完成的产品均需要做手板，即在产品定型前制造少量的验证样件。手板是验证产品可行性的第一步，是找出设计产品的缺陷、不足、弊端最直接且有效的方式。传统金属材质手板的制作方法一般是采用CNC(数控精密机加工)直接对金属材料进行加工，这种加工方式费时，费料成本高。当金属手板具有型腔结构时，则一般先制作蜡模型，然后采用熔模铸造技术来获取手板。其中制作模型的工艺包括精密铸造工艺和3D打印技术，其中3D打印技术所用到的3D打印材料价格较为昂贵，打印成型时间长，工艺较复杂，制作较大型的模型的难度较大，具备一定的局限，而精密铸造工艺相较3D打印极少的成本则相对更低。传统的精密制造工艺中，获取蜡模型的步骤包括制作模具、倒模、压模、冷却取模、倒模、后处理等一系列的复杂的工艺流程，且在制作蜡模型过程还需要考虑材料的收缩性能，压模工艺参数，压模质量等各种影响因素，成型时间长，操作繁琐。

CNC机加工工艺相较精密铸造工艺和3D打印技术更为成熟，可以直接通过对雕刻模型材料进行加工得到蜡模型，而不需要进行一系列复杂的工艺流程，耗时短，成本价格更具优势。因此，若将先采用CNC机加工工艺代替精密铸造工艺和3D打印技术来制作蜡模型，再采用熔模铸造技术来获取手板，可大幅缩短时间，节约成本。

然而，一般用于制作蜡模型的雕刻模型材料的软化点、粘度和力学性能较低，容易收缩变形，仅适合用于精密铸造的压注工艺，却难以满足CNC机加工的要求，而且得到的蜡模型也不适用于熔模铸造。而既能满足CNC机加工要求(硬度高，韧性好，不留痕)，又能满足熔模铸造(熔点，粘度适中，灰分低)的雕刻模型材料极少，市场唯一能满足上述要求只有美国的Freeman公司生产的模型材料。另外，3D打印材料也不能直接用于作为CNC加工的雕刻模型材料。因此，亟需开发一种既能满足CNC机加工要求、又能用于熔模铸造的雕刻模型材料。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种雕刻模型材料，硬度高、韧性好，且熔点、粘度适中，既能满足CNC机加工要求、又能用于熔模铸造。

同时，本发明还提供所述雕刻模型材料的制备方法和应用。

具体地，本发明采取如下的技术方案：

本发明的第一方面是提供一种雕刻模型材料，包括如下制备原料：

微晶蜡

动植物蜡

乙烯-醋酸乙烯共聚物

聚酰胺蜡

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

根据本发明第一方面的雕刻模型材料，至少包括如下有益效果：

微晶蜡是白色无定形非晶状固体蜡，能与各种矿物蜡、植物蜡互溶，具有良好的延展性，硬度小、柔韧性好、受力情况下倾向于塑性流动、挠性好、对油品的凝胶强度大等特点，不过其熔点过低，收缩大，韧性、硬度和光泽度不足，在CNC加工过程中容易使模型变形。本发明通过在微晶蜡中辅以动植物蜡和乙烯-醋酸乙烯共聚物，很好地补充了微晶蜡熔点过低，收缩大，韧性、硬度和光泽度不足的缺点；同时利用聚甲基丙烯酸甲酯吸收基础蜡料在凝固时放出的潜热，同时发挥骨料的作用，从而提高了雕刻模型材料的冷却速度，减小收缩，增加雕刻模型材料的热稳定性和强度；另外，本发明还利用聚酰胺蜡中含有丰富的羟基和酰胺基形成强烈的氢键化学力，形成网络状结构，起到良好的防沉降的作用，提高原料的分散性和稳定性，同时提高雕刻模型材料体系的熔点。

通过各制备原料的相互搭配协同作用，本发明的雕刻模型材料具有硬度高、韧性好，且熔点、粘度适中，雕刻效果好等优势，既能满足CNC机加工要求、又能用于熔模铸造。

在本发明的一些实施方式中，所述雕刻模型材料包括如下质量百分比的制备原料：

微晶蜡40％～55％

动植物蜡15％～35％

乙烯-醋酸乙烯共聚物2％～6％

聚酰胺蜡3％～9％

聚甲基丙烯酸甲酯5％～20％。

在本发明的一些实施方式中，所述雕刻模型材料的制备原料还包括颜料，所述颜料在雕刻模型材料的制备原料中的质量百分比为0.1％～0.5％。优选地，所述颜料为有机颜料。

在本发明的一些实施方式中，所述微晶蜡包括85#、90#、95#、100#微晶蜡的一种或多种。

在本发明的一些实施方式中，所述动植物蜡包括动物蜡和植物蜡中的一种或两种的组合，所述动物蜡包括蜂蜡、鲸蜡、虫白蜡、羊毛蜡中的一种或多种，所述植物蜡包括巴西棕榈蜡、小烛树蜡、褐煤蜡中的一种或多。优选地，所述动植物蜡为蜂蜡和小烛树蜡二者的组合。蜂蜡质软，易弯曲，有一定的韧性、可塑性、雕刻性好，有光泽等优点，可提高雕刻模型材料的韧性和可塑性、雕刻效果，并赋予光泽。小烛树蜡的高光洁度和硬度则进一步对雕刻模型材料良好的雕刻效果提供了保障。

在本发明的一些实施方式中，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物中的VA含量为25％～30％，熔融指数为0.2g/10min～0.5g/10min(190℃，2160g)。乙烯-醋酸乙烯共聚物中的VA(乙酸乙烯)的含量越高，其透明度，柔软度及坚韧度会相对提高。但是过高的VA含量也会使材料的硬度变小。本发明通过选择合适的VA含量使其兼具良好柔韧性及一定的强度。另外乙烯-醋酸乙烯共聚物也可作为雕刻模型材料的粘度调节剂，通过添加合适熔融指数大小的乙烯-醋酸乙烯共聚物调整模型材料的粘度，以满足CNC机加工和熔模铸造的粘度要求。

在本发明的一些实施方式中，所述聚酰胺蜡的熔点为120～140℃。聚酰胺蜡中含有丰富的羟基和酰胺基，能形成强烈的氢键化学力，形成网络状结构，起到良好的防沉降的作用，可提高聚甲基丙烯酸甲酯与基础蜡料之间的分散性和稳定性，聚酰胺蜡的加入还可以进一步的提高雕刻模型材料体系的熔点。

在本发明的一些实施方式中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的熔融指数为1g/10min～2g/10min(190℃，2160g)，粒径分布在200～300目之间。

聚甲基丙烯酸甲酯作为有机高分子聚合物填料，具有高透明度，低价格，机械强度高，抗冲性能强，易于机械加工等优点，有机填料在雕刻模型材料中以分散均匀的固态细小质点的形式存在，能吸收基础蜡料在凝固时放出的潜热，并起骨料的作用，从而提高了雕刻模型材料的冷却速度，减小收缩，增加模料的热稳定性和强度。本发明通过选择200～300目大小的聚甲基丙烯酸甲酯作为雕刻模型材料的填料，既避免了聚甲基丙烯酸甲酯由于粒径过大无法均匀分散于基础蜡料中，也进一步降低了材料的成本；同时选择较低熔融指数的聚甲基丙烯酸甲酯也可与乙烯-醋酸乙烯共聚物协调作用调节模型材料的粘度。

本发明的第二方面是提供上述雕刻模型材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将微晶蜡、动植物蜡、乙烯-醋酸乙烯共聚物加热混合，得到基础蜡料；

2)将所述基础蜡料与聚酰胺蜡和聚甲基丙烯酸甲酯加热混合，得到雕刻模型材料。

在本发明的一些实施方式中，步骤1)中，所述加热的温度为120～140℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤1)中，所述混合在搅拌中进行，搅拌速度为200～800r/min；搅拌时间为1～1.5h。

在本发明的一些实施方式中，步骤2)中，所述加热的温度为155～165℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤2)中，所述混合在搅拌中进行，搅拌速度为200～800r/min；搅拌时间为0.5～1h。

在本发明的一些实施方式中，步骤2)中，将聚酰胺蜡和聚甲基丙烯酸甲酯混合后再加入所述基础蜡料中进行加热混合。

在本发明的一些实施方式中，采用球磨方法对聚酰胺蜡和聚甲基丙烯酸甲酯进行混合，球磨时间为5～10min，球磨后得到混合粉料。

本发明的第三方面是提供上述雕刻模型材料在制作金属饰品、工艺品、艺术雕塑、金属手板中的应用。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明通过各制备原料的相互搭配协同作用，得到的雕刻模型材料具有硬度高、韧性好，且熔点、粘度适中，雕刻效果好等优势，既能满足CNC机加工要求、又能用于熔模铸造，适用于制作金属饰品、工艺品、艺术雕塑、金属手板等。同时，本发明的原料成本低、制备工艺简单。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明进一步说明。

一种雕刻模型材料，其原料组成如表1所示。

表1.雕刻模型材料的原料组成

其中，表1中实施例1～5采用的原料性质如下：

微晶蜡：

实施例1：85#微晶蜡；实施例2：90#微晶蜡；实施例3：95#微晶蜡；实施例4和实施例5：100#微晶蜡。

乙烯-醋酸乙烯共聚物的VA含量为28％，熔融指数为0.5g/10min(190℃，2160g)；

聚酰胺蜡为白色粉末，熔点为120～140℃；

聚甲基丙烯酸甲酯熔融指数为2g/10min(190℃，2160g)，粒径分布在200～300目之间。

上述雕刻模型材料的制备方法包括如下步骤：

1)混合基础蜡料

在反应釜中依次加入微晶蜡、蜂蜡、小烛树蜡、乙烯-醋酸乙烯共聚物，加热，在500r/min搅拌速度下加热搅拌至材料充分混合均匀，即可得到基础蜡料。

2)制备雕刻模型材料

继续加热，在搅拌均匀的基础蜡料中加入事先使用球磨机进行搅拌混合均匀的聚酰胺蜡和聚甲基丙烯酸甲酯的混合粉料，使其均匀分散于基础蜡中，冷却成型，即可得到所述的雕刻模型材料。

各实施例在制备过程中的步骤1)和步骤2)中的工艺参数如下表2所示。

表2.制备工艺参数

对比例1

本对比例提供一种雕刻模型材料，与实施例3的不同之处在于，改变乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚甲基丙烯酸甲酯，其他与实施例3相同。

具体地，本对比例采用的乙烯-醋酸乙烯共聚物的VA含量为40％，熔融指数为150g/10min(190℃，2160g)，聚甲基丙烯酸甲酯的熔融指数为2g/10min(190℃，2160g)，粒径为100目左右。

对比例2

本对比例提供一种雕刻模型材料，与实施例3的不同之处在于，其原料中不含聚甲基丙烯酸甲酯，同时为了控制原料总量与实施例3一致，相应地调整微晶蜡的用量，如表1所示。

同时，本对比例的雕刻模型材料的制备方法如下：在反应釜中依次加入55份微晶蜡、10份蜂蜡、25份小烛树蜡、4份乙烯-醋酸乙烯共聚物和6份聚酰胺蜡，加热至130℃，在500r/min搅拌速度下加热搅拌1.5h至材料充分混合均匀，即可得到所述的雕刻模型材料。

性能测试：

对实施例1～5和对比例1、2的雕刻模型材料进行性能测试，结果如表3所示。

其中，各项性能的测试方法如下：

软化点：GB/T 4507-2014

邵氏硬度D：GB/T 2411-2008

抗冲击强度：GB/T1843-2008

粘度：剪切速率为50s

表3性能测试结果

根据性能测试结果可知，实施例1～5的雕刻模型材料具有合适的软化点，同时硬度和粘度均较高，韧性好；且具有很好的抗冲击强度，能够满足机加工雕刻要求以及熔模铸造要求。相比之下，当对比例1采用不恰当的乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚甲基丙烯酸甲酯，结果导致材料的硬度、粘度以及抗冲击强度明显降低；而对比例2在省去聚甲基丙烯酸甲酯后，材料的硬度、粘度和抗冲击强度进一步降低，同时软化点也发生降低。对比例1和对比例2所得的材料由于硬度、粘度、抗冲击强度均过低，在机加工雕刻过程中容易发生碎裂，难以满足机加工雕刻要求；同时，软化点较低，在熔模铸造过程中受高温容易软化变形，不利于产品成型。通过对比说明，在雕刻模型材料中加入特定的乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚甲基丙烯酸甲酯能够有效提高雕刻模型材料的性能，使其适用于机加工雕刻，并可用于熔模铸造。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。