中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在眾多鑄造方法中，砂型鑄造是最常見的生產(chǎn)方式，通過砂型鑄造生產(chǎn)的產(chǎn)品占鑄件總量90%以上。在砂型鑄造過程中，鑄造砂型質(zhì)量與鑄件的質(zhì)量密切相關(guān)，傳統(tǒng)的砂型制造方式不僅加工周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)成本高，制作工藝也相對(duì)繁瑣，在生產(chǎn)大型復(fù)雜鑄件的砂型時(shí)，需要通過多個(gè)砂型拼接組合的方式獲得。各砂型的外形尺寸和空間位置稍有偏差，就可能導(dǎo)致所鑄出的產(chǎn)品報(bào)廢，造成次品率提高、生產(chǎn)效率低下。
若采用3D打印技術(shù)，利用分層制造、逐層疊加的方式，恰好可以實(shí)現(xiàn)異形、中空、懸臂等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，極大簡(jiǎn)化了砂型制造的工藝流程。通過3D打印的形式對(duì)鑄造使用的樹脂砂或覆膜砂進(jìn)行分層凝結(jié)和疊加成型，直接構(gòu)建鑄造砂型，省去了中間環(huán)節(jié)，不僅有利于簡(jiǎn)化制造工藝、縮小累積誤差，還實(shí)現(xiàn)了3D打印技術(shù)與鑄造行業(yè)的無縫銜接，為3D打印增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的相互融合起到了良好的示范作用。
砂型激光3D打印技術(shù)的原理
首先，運(yùn)用三維造型軟件建立砂型（芯）的三維CAD模型，利用分層軟件對(duì)CAD原型進(jìn)行切片處理，以獲得每一層的截面輪廓及數(shù)據(jù)加工信息，激光掃描系統(tǒng)將按照其轉(zhuǎn)化的電信號(hào)信息進(jìn)行有序地掃描工作。
其次，在燒結(jié)工作平臺(tái)上鋪設(shè)一層事先制備好的覆膜砂，成型設(shè)備的掃描系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)信息，控制激光束在指定路徑上對(duì)覆膜砂進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)，覆膜砂表面的樹脂膜受熱熔融并產(chǎn)生粘接，而沒有被掃描到的覆膜砂仍呈現(xiàn)原有的自然松散狀態(tài)并擔(dān)當(dāng)支撐作用。
最后，逐層鋪粉、逐層燒結(jié)，循環(huán)往復(fù)，直至完成所有加工層面的掃描工作，獲得覆膜砂型（芯）燒結(jié)原型件。
該技術(shù)為大型復(fù)雜薄壁整體鑄件的高品質(zhì)精密鑄造提供了良好的技術(shù)途徑，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜覆膜砂型（芯）的整體精確化制備，具有不受零件幾何形狀的限制，不需任何工裝模具，能在較短的時(shí)間內(nèi)直接將CAD模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體原型零件的特點(diǎn)。因此，近年來，大批國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此技術(shù)開展了許多研究工作，并獲得了極大的科研成果。
激光3D打印用覆膜砂的研究現(xiàn)狀
覆膜砂由于其良好的流動(dòng)性以及砂芯表面質(zhì)量好等優(yōu)良性能，而被廣泛應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著快速成型技術(shù)在無模直接制造方面的快速發(fā)展，雖然覆膜砂作為燒結(jié)材料在快速成型各種復(fù)雜形狀的砂型（芯）方面取得了突破性進(jìn)展，但是覆膜砂的制備過程中仍存在某些不可控的因素，導(dǎo)致覆膜砂制件的性能達(dá)不到技術(shù)要求。因此，很多研究者為了進(jìn)一步提高覆膜砂性能，一直致力于對(duì)覆膜砂原材料的成分配比以及覆膜砂的制備工藝的深入研究。
3D打印覆膜砂（圖片來源：長(zhǎng)江材料）
國(guó)內(nèi)覆膜砂技術(shù)雖然一直在不斷的發(fā)展，但是在覆膜砂的研究、生產(chǎn)及技術(shù)應(yīng)用等方面仍存在許多的問題，針對(duì)覆膜砂的研發(fā)技術(shù)仍需改進(jìn)提高。目前，國(guó)內(nèi)許多小規(guī)模的覆膜砂生產(chǎn)廠家由于沒有先進(jìn)的設(shè)備工藝和精準(zhǔn)的檢測(cè)儀器，以及缺乏完善統(tǒng)一的檢測(cè)準(zhǔn)則作為指導(dǎo)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)格種類較少且質(zhì)量不能得到有效的控制；除此之外，大多數(shù)廠家還缺乏對(duì)覆膜砂的自主研發(fā)能力，想要提高覆膜砂的市場(chǎng)與技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，還需在專用覆膜砂系列產(chǎn)品的研發(fā)領(lǐng)域不斷繼續(xù)努力。
一直以來，日本對(duì)覆膜砂的制備工藝方面穩(wěn)居世界領(lǐng)先水平，不僅設(shè)備儀器先進(jìn)、品種多、生產(chǎn)規(guī)模大，還一直致力于覆膜砂的質(zhì)量提高、經(jīng)濟(jì)成本的降低以及盡可能的環(huán)保等方面發(fā)展。
覆膜砂的生產(chǎn)工藝
覆膜砂主要包含95%~99%的石英砂和1%~5%的樹脂�；诩す�3D打印技術(shù)的特殊成形方式與工藝特點(diǎn)，在能夠保障燒結(jié)件滿足使用性能指標(biāo)的前提下，盡量使其具有較高的強(qiáng)度，較好的成型性，較低的發(fā)氣性，良好的透氣性。通過對(duì)粘結(jié)劑配比的調(diào)節(jié)以及其他添加劑的加入，不斷對(duì)覆膜工藝進(jìn)行優(yōu)化，制備適用于激光3D打印用新型覆膜砂材料。
覆膜砂基本成分含量百分比
（來源：激光3D打印用覆膜砂制備及成型工藝研究，司晨）
目前主流的覆膜方式是干熱覆膜法，用該法樹脂用量少、覆膜質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高。該方法是將固態(tài)樹脂加入到加熱的硅砂中，由熱來使樹脂熔融，從而覆膜砂粒的一種方法。在干熱法工藝中，原砂的預(yù)熱溫度不宜低于130℃，通常以高出樹脂熔點(diǎn)50~100℃為宜，否則大顆粒樹脂不能完全融化，將導(dǎo)致樹脂分布不均，影響樹脂的粘接效率。加烏洛托品水溶液時(shí)，砂溫應(yīng)降至105~110℃為宜，因?yàn)闉趼逋衅吩?17℃以上分解，放出次甲基（-CH2-）氣體，而作為烏洛托品溶劑的水在100℃以上有利于揮發(fā)汽化。
覆膜工藝流程
（來源：激光3D打印用覆膜砂制備及成型工藝研究，司晨）
干熱法的制造過程是：原材料稱量——砂加熱——混制——破碎——冷卻，該工藝過程的核心部件是混砂機(jī)，通常使用高速混砂機(jī)。被刮板所刮起的硅砂和樹脂等在處于水平旋轉(zhuǎn)的混砂機(jī)的葉輪與側(cè)壁間混制流動(dòng)。
3D打印覆膜砂用原材料——石英砂
基于激光3D打印技術(shù)特殊的成形方式與工藝特點(diǎn)，對(duì)覆膜砂的粉末特性（石英砂粒度分布、粘結(jié)劑種類與含量、添加劑等）亦有特殊的要求。材料特性直接影響覆膜砂燒結(jié)件的性能與成型質(zhì)量。
作為鑄造用原砂，天然石英砂由于其相當(dāng)豐富的資源、低廉的價(jià)格，并且能夠滿足大多鑄造性能指標(biāo)條件而被廣泛地使用。硅砂主要礦物成分為石英（SiO2），鑄造用硅砂都希望SiO2含量高、粒形好、雜質(zhì)含量低，以保證其耐火度。一般地，鑄鋼用砂SiO2含量應(yīng)＞97%；鑄鐵用砂SiO2含量應(yīng)＞85%；非鐵合金用砂SiO2的含量應(yīng)＞75%。原砂SiO2含量越高、灼燒減量越小，越易建立起具有較高附著強(qiáng)度的寬厚粘結(jié)橋，提高覆膜砂型（芯）的強(qiáng)韌性。
石英砂顆粒形貌（圖片來源：激光3D打印用覆膜砂制備及成型工藝研究，司晨）
在各種石英礦床類型中，石英砂巖由于受粒度大小、球度、圓度和破碎率等天然因素制約，基本不適于3D打印砂；石英巖由于硬度大，破碎加工成本高，雜質(zhì)提純加工困難，缺少天然粒形和粒度，不適用于對(duì)球度、圓度等有要求的鑄造用石英砂和3D打印砂；天然石英砂的主要優(yōu)點(diǎn)是通常具有良好的天然粒度、球度和圓度，是加工鑄造用石英砂、3D打印砂等產(chǎn)品的理想原料。
參考來源：
激光3D打印用覆膜砂制備及成型工藝研究，司晨，中北大學(xué)2018
我國(guó)石英資源概況分析與選礦提純技術(shù)，張凌燕，武漢理工大學(xué)2021
鑄造砂型3D打印技術(shù)的對(duì)比與應(yīng)用分析，董莘等，自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用2019
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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