复杂铸造砂型_芯_3D打印关键工艺参数及材料的应用研究_田乐

及材料的应用研究

田乐1，沈其文1，魏青松1，文世峰1，周舰2，李晶1，史玉升1

（1.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉 430074；

2.中国北方车辆研究所，北京 100072）

摘要：三维喷印（Three-dimensional Printing, 3DP）具有打印速度快、系统成本低、材料丰富等优点，特别适合复杂铸造砂型（芯）快速低成本制造。本文研究了一种3DP成形铸造砂型（芯）的新材料体系，并设计实验揭示了材料（粘结剂浓度）、工艺参数（喷液量、打印层厚）对初始形坯抗拉强度的影响规律。研究发现：增大粘结剂的浓度或加大喷液量均有利于强度的提升，而随着打印层厚的增大，强度逐渐减小。另外，喷液量对强度影响最大，粘结剂浓度次之，打印层厚最小，最佳参数为：粘结剂浓度90%、喷液量200%、打印厚度0.24 mm，成形制件能够很好满足浇铸要求。

关键词：复杂铸造砂型（芯）；三维喷印；拉伸强度；材料优化

Application Study on Key Process Parameters and Material of

Intricate Casting Molds(Cores) Manufactured by 3D Printing

TIAN Le1，SHEN Qi-wen1，WEI Qing-song1，WEN Shi-feng1，ZHOU Jian2，LI Jing1，SHI Yu-sheng1

(1.State Key Laboratory of Material Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of

Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China；

2. China North Vehicle Research Institute, Bei Jing, 100072 China)

Abstract: Three-dimensional printing is especially suitable for manufacturing complicated casting mold(core) rapidly and inexpensively, because of its high printing speed, low system cost and the variety of materials. This study proposes an innovative new material system for rapid forming casting mold (core) based on 3DP. And the effects of materials (binder concentration), process parameters (jetting content and layer thickness) on the green specimen tensile strength were investigated by experiment. The results show that the tensile strength is increased by increasing binder concentration or jetting content, and the strength is reduced in with the increase of the layer thickness. Moreover, the jetting content influenced tensile most, followed by the binder concentration, and the layer thickness is the least. The optimal parameters are 90% binder concentration, 200% jetting content and 0.24 mm layer thickness. The parts manufaclwred can meet the requirements of molds and cores for pouring casting well.

Key words: Intricate casting molds (Cores); Three-dimensional printing; Tension strength; Material optimal

1 引言

和加工制造是一个多环节的复杂过程，其加工方式受制于模具的复杂程度，使得产品的研发和定型周期变长且成本提高[3]。增材制造技术采用离散、堆积成型的原理，借助计算机辅助设计与制造，在无需任何工装模具的情况下，将固体粉末材料直接成形为三维实体零件，不受成形件复杂程度的影响，制造周期短[4]。特别适用于单件、小批量复杂铸件的制造和新产品的试制，在快速成形铸造型（芯）方面具有广阔的应用前景[5]。

目前，用于砂型铸造的增材制造技术主要有两种工艺：激光选区烧结（selective laser sintering, SLS）、三维喷印(Three-dimensional printing，3DP)。SLS利用激光作为热源选择性地烧结粉末材料达到固化成型[6]，成形材料广泛，成形精度较高。但成形过程需要预热且极易在热应力的作用下产生收缩及翘曲变形、成形后制件内部存在热残余应力；另外其受制于台面尺寸影响，激光器的使用也使得设备成本和维护费用偏高。3DP是一种利用喷头的运动，将液滴选择性喷射在粉床表面，通过液体与固体粉末的综合作用将选定的区域固化成形的快速成形技术[7]。与SLS成形比较，具有成形速度快[8]、可以整体成形较大零件（Voxeljet 的VX4000最大成形尺寸为4m×2m×1m）[9]、无热应力残余[10]以及设备成本和运行成本低等突出优点。因此，3DP成形铸造砂型（芯）有着更广阔的应用前景。

国内外对3DP成形铸造砂型（芯）的方法进行了广泛的研究。清华大学颜永年等人提出按照截面轮廓信息利用双喷头沿相同的路径同时喷射粘结剂和催化剂，并分别以呋喃树脂、甲苯磺酸为粘结剂和催化剂，硅砂为成形材料制备了铸造砂型。铸型强度高，无需特殊的后处理，但树脂的用量较大，铸型的发气量大且加工精度不高[11]。美国ExOne公司提出了将原砂与固化剂混合作为成形材料，利用打印喷头喷射树脂，通过树脂和固化剂的反应固化成形[12]。德国Voxeljet公司提出将硅酸钠颗粒与硅砂混合作为成形材料，采用水基粘结剂溶解粉末中的硅酸钠，再通过加热脱水产生固化，无机粘结剂的使用可以减小砂型铸造中产生污染，但由于硅酸钠与硅砂通过机械混合作为成形材料容易导致硅酸钠分布不均匀使得成形制件的强度不高[13]。另外德国Generis公司推出的GS工艺，其采用多通道喷头向粉床均匀喷射树脂，后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂，催化剂遇树脂后发生交联反应，但由于成型过程中整个型砂表面均喷射粘结剂，造成型砂和粘结剂的大量浪费，同时表面浮砂清除也比较困难[14]。

然而，现有的几种成形方法存在的主要问题是：利用打印喷头向粉床沉积有机或无机粘结剂，喷射的粘结剂太少起不到粘结作用，成形件强度较低；喷射的粘结剂太多喷头又容易堵塞，导致打印过程的不稳定。机械混合容易导致粘结剂分布不均匀使得成形制件的强度不高。针对上述问题，本文研究了一种新的材料体系，采用单因素变量法研究了材料（粘结剂浓度）及工艺参数（喷液量、打印层厚）对铸造砂型（芯）强度的影响规律，并设计正交试验对这些参数进行了优化，以期获得高性能复杂铸造砂型（芯）。

2 材料与方法

2.1 材料

采用粒度为140～70目宝珠覆膜砂，砂粒成分为Al2O3，酚醛树脂含量2.5%，固化剂为六亚甲基四胺。石英覆膜砂、宝珠覆膜砂的微观形貌如图1a、图1b所示，相比于石英覆膜砂，宝珠覆膜砂有着更好的性能:宝珠砂的角形系数小，颗粒呈球形，可以明显提升铺粉效果并能改善树脂的均匀性减少树脂用量；宝珠砂的膨胀率小于石英砂，能有效减少因覆膜砂高温膨胀所带来的铸件粘砂、变形，甚至出现裂纹、断裂等缺陷[15]。

（a）石英覆膜砂（b）宝珠覆膜砂

图1 石英、宝珠覆膜砂微观形貌考虑到上述成形方法存在的不足，本文采用类似于溶剂法[8]的成型方法，将树脂覆膜在宝珠砂颗粒表面，并采用乙醇基溶液作为粘结剂。这样一方面可以减少砂粒与树脂或无机粘结剂颗粒机械混合带来的成分不均匀；另一方面无水乙醇作为粘结剂的主要成分装入喷头中能够避免喷头堵塞，提高喷头的稳定性。3DP成形宝珠覆膜原理如图2所示，分为三个阶段。第一阶段，喷头的运动将粘结剂选择性的沉积在粉层表面，粘结剂通过毛细作用渗透进入粉层并溶解宝珠覆膜砂颗粒表面树脂；第二阶段，粘结剂挥发后溶解的树脂析出，颗粒之间通过粘结桥的形式粘接在一起形成初始形坯，初始形坯的强度由宝珠覆膜砂颗粒之间形成的酚醛树脂分子之间的内聚力提供；第三阶段，初始形坯需要进行后续烧结处理[16]，酚醛树脂及其固化剂均匀包覆在颗粒表面，后处理时酚醛树脂及其固化剂发生交联反应 [17]，可以获得高强度的铸造用砂型（芯）。

图2 3DP成形宝珠覆膜砂原理图

2.2 设备及方法

本试验采用华中科技大学快速成形中心自主设计研发的3DP设备。采用惠普喷头，最大成形尺寸200mm×200mm×150mm，打印速度30~60s/层，打印分辨率200×300dpi。

试验方法：①采用单因素变量法，分别研究粘结剂浓度、喷液量及打印层厚对初始形坯抗拉强度的影响规律。②设计正交实验方案（表1），以获得最佳的材料配比及工艺参数。其中：单次单位面积的最大喷液量记为100%。

表1 宝珠覆膜砂正交试验因素水平表

水平

因素

A粘结剂浓度（%）B喷液量C打印层厚（mm）

1 50 100% 0.24

2 70 150% 0.28

3 90 200% 0.32

采用无锡三峰仪器有限公司XQY-II智能型砂强度机，利用现有3DP设备成形“8”字试样(图3),成形后制件如图3所示，测试其常温抗拉强度。打印完成后3h将试样取出并清粉，将试样放入夹具中，采用“特殊试样尺寸”，以4 mm/min的加载速度进行测试，每组试样测试4个取平均值。采用无锡三峰仪器有限公司GET-III 智能发气性测试仪测试1000℃下的发气量。

图3 “8”字试样尺寸图4 3DP成形拉伸试样

3 结果与分析 3.1 材料参数及打印工艺对初始形坯抗拉强度的影响

3.1.1粘结剂浓度

本试验采用乙醇基溶液作为粘结剂，主要是因为：（1）乙醇能够快速溶解宝珠覆膜砂表面树脂，并能够快速挥发析出树脂使宝珠覆膜砂颗粒之间粘接到一块，起到粘结剂的作用；（2）乙醇容易挥发能够尽量减少在成形制件中的残留，减小型芯的发气量，从而减少铸件中出现气孔缺陷；（3）乙醇作为粘结剂的主要成分，而不是将有机或无机粘结剂作为主要成分，可以避免喷头的堵塞，提高成形过程中的稳定性。

根据打印喷头对喷射液的要求，考虑粘结剂表面张力、粘度等液体特性，本实验配置了浓度分别为60%、70%、80%、90%的乙醇基粘结剂。在喷液量200%、打印层厚0.24 mm 的条件下，对宝珠覆膜砂进行3DP 成形，初始件的抗拉强度如图5所示，随着粘结剂浓度的增大，抗拉强度逐渐增大。一方面乙醇作为喷射液的有效成分，随着其浓度的增加，乙醇分子与酚醛树脂的之间的有效接触增多，酚醛树脂更多的溶解和析出，粘结剂挥发后析出的宝珠覆膜砂颗粒之间粘结桥的面积增大，从而使得强度提高。另一方面在乙醇溶解树脂的同时存在着无水乙醇的挥发，溶解的速度也是影响强度的主要因素。根据溶解理论，粘结剂中乙醇对树脂的溶解一般经历溶胀、溶解两个阶段，首先乙醇分子先渗透、扩散到树脂大分子之间，削弱树脂分子间相互作用力，使体积膨胀；然后链段和分子整链的运动加速，分子链松动、解缠结达到双向扩散均匀完成溶解。乙醇分子向树脂分子的扩散推动力可由扩散的动力学方程菲克第一定律来解释：dx

dc

D J -=式中：J 为溶质在扩散场中某处的扩散通量（为单位时间内通过单位面积的溶质量，mol/(m 2·s ）），D 为扩散系数(m 2/s),为溶质在x 方向上的浓度梯度。随着无水乙醇的浓度增大，固液界面处浓度梯度增大，加速了扩散过程，溶解速度增大，抵消无水乙醇挥发的速度，从而溶解的树脂分子更多，析出后的粘结桥的面积更大。

图5 粘结剂浓度对初始件抗拉强度的影响

3.1.2喷液量

由于3DP 的成型原理是粘结剂选择性地将粉末材料逐层粘结固化形成三维实体零件，因此粘结剂的喷射量对成形件的强度有很大的影响。喷液量过小，将起不到粘结的作用，在成形过程中，粘结起来的粉末材料容易受分床及铺粉辊扰动出现断裂、移位，使得成形制件强度过低甚至出现成形失败等问题。喷液量过多，一方面会使得粘结剂在粉层中扩散严重，影响成形制件的精度，出现较大的尺寸误差，清粉也比较困难；另一方面，由于下层的喷液量过多，在铺粉的过程中，粉末很快被粘结在下层粉末，从而增大了铺粉过程中摩擦力，容易出现移位现象，不利于成型过程的顺利进行。

在粘结剂浓度90%、打印层厚0.24 mm 的条件下，改变喷液量，得到抗拉强度曲线如图6所示，其中单次单位面积的最大喷液量记为100%，可以看出随着喷液量的增大抗拉强度逐渐增大。随着喷液量的增大，粘结剂中乙醇含量增大，使得粘结剂能够更多地溶解树脂分子，树脂析出后粘结桥的面积显著增大，

图6 喷液量对初始件抗拉强度的影响

3.1.3打印层厚

增材制造技术的基本原理是逐层累积，打印层厚会影响成形制件的表面质量、尺寸精度、强度、以及成型时间等。打印层厚选择取决于粉末颗粒的粒径分布及微观形貌[15-16]，最小打印层厚应大于粉末材料的最大颗粒直径。减小打印层厚，可以提高成形制件的表面质量、尺寸精度及强度，但成型时间也会大大增加；增大打印层厚，虽可以提高成形效率，但会使得层与层之间的粘结强度变弱，大幅降低制件的强度。

在3DP成形过程中，在毛细作用下表层的覆膜砂将吸收的粘结剂传递到下层覆膜砂，因此在层与层粘结的区域强度相对薄弱。在粘结剂浓度90%、喷液量200%的条件下，改变打印层厚成形覆膜砂试样，得到初始件的抗拉强度如图7所示，可以看出随着打印层厚的增大试样初始形坯的抗拉强度明显降低。这是由于：随着打印层厚的增大，粘结剂与粉末的比例（饱和度）变低，树脂的溶解、析出量相对减少，颗粒之间的粘结桥变小；分层厚度的增大，使得粘结剂没有渗透到层与层之间的区域就被消耗完，相邻层之间的粘结强度降低；另外随着打印层厚的增大，使得粉层的致密度降低，从而增大了孔隙率。根据拉普拉斯

方程∆p σ

,式中σ为表面自由能，R1、R2分别为曲面的曲率半径。随着孔隙率增大，R增大，附加压力

∆p随之减小，从而减小了毛细作用，不利于粘结剂在粉层中的扩散和渗透。这几方面都削弱了颗粒之间的粘结强度。

图7 打印层厚对初始件抗拉强度的影响

3.2正交试验结果

表2是宝珠覆膜砂正交试验方案及试验结果，可以得出以下结论：（1）在九组试验中，第八组A3B2C1组合强度最高，常温抗拉强度达到0.546 MPa；（2）喷液量对强度的影响最大，粘结剂浓度次之，打印层厚最小。试验结果分析可知，粘结剂浓度、喷液量、打印层厚分别为A3、B3、C1时初始形坯的抗拉强度

应为最好，但并不在这九次试验中。对此组合进行试验验证，其强度为0.75 MPa ，因此，最佳参数为粘结剂浓度90%，喷液量200%，打印层厚0.24 mm 。（3）对在最佳参数条件下成形的试样做后处理，后处理采用将成形制件清粉后放入装有填充玻璃微珠的容器中并露出上表面，快速升温至200℃并保温2h 冷却至室温出炉[16]。后处理强度达4.78MPa 。（4）发气量是砂型(芯)质量的另一重要指标。发气量过大会导致铸件产生气孔等缺陷，实验测得了后处理制件在1000℃下的发气量，仅为17.60 ml/g ，能够很好满足砂型铸造要球。（5）对于复杂结构砂型（芯）的成形因强度低而出现的断裂问题，本正交试验结论具有指导作用。

表2 3DP 打印宝珠覆膜砂型正交试验

3.3 成形实例

在上述试验的基础上，采用最佳参数成形宝珠覆膜砂涡轮盘砂型（见图8）。

图8 3DP 成形宝珠覆膜砂涡轮盘砂型 4 结论

（1）本文研究了一种3DP 成形铸造砂型（芯）的新材料体系，并分析了其成型原理。试验所得初始形坯最大抗拉强度达0.75 MPa ，后烧结强度达4.78MPa ，发气量为17.60 ml/g,能够很好满足砂型铸造要求。 因素 初始件抗拉强度（MPa ） A 粘结剂浓度 （%） B 喷液量 C 分层层厚 （mm ） 试验1 50 100% 0.24 0.125 试验2 50 150% 0.28 0.133 试验3 50 200% 0.32 0.218 试验4 70 100% 0.28 0.176 试验5 70 150% 0.32 0.181 试验6 70 200% 0.24 0.533 试验7 90 100% 0.32 0.176 试验8 90 150% 0.24 0.546 试验9 90 200% 0.28 0.51 K 1 0.476 0.477 1.229 K 2

0.0 0.860 0.819 K 3 1.232 1.261 0.575

k 1 0.159 0.159 0.410

k 2 0.297 0.287 0.273

k 3 0.410 0.420 0.192 极差R 0.251 0.261 0.218

2015中国铸造活动周论文集

（2）随粘结剂浓度和喷液量的增大，砂型强度逐渐提高；而随打印厚度的增大，强度呈线性减小趋势。粘结剂浓度、喷液量及打印层厚的改变都会不同程度改变覆膜砂颗粒之间粘结桥的面积，从而改变强度大小。

（3）正交试验结果表明，材料及工艺参数对3DP打印砂型强度影响次序为，喷液量粘结剂浓度打印厚度。最佳参数为：粘结剂浓度90%、喷液量200%、打印厚度0.24 mm。

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