三维喷印打印铸造用砂型(芯)的工艺优化与性能研究

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三维喷印技术(Three Dimensional Printing,3DP)又称微滴喷射或微喷射粘结技术,具有成形材料种类多、运行成本低、操作简单等优点,特别适合快速打印复杂铸造用砂型(芯)。但是,3DP打印砂型(芯)仍存在工艺稳定性差、制件强度低和发气量大等问题。本文研究了后处理工艺、喷液量、分层厚度等工艺参数及原砂角形系数和粒度等材料特性对打印砂型(芯)强度、发气量和尺寸精度等性能的影响规律,主要内容和结果归纳如下。(1)研究了后处理及打印参数对3DP打印砂型(芯)性能的影响。根据树脂的固化性能分析了酚醛基粘结剂的固化机理,由粘结剂TG-DSC曲线制定了后处理固化工艺,确定温度在190℃,保温时间6 h。酚醛树脂的酚羟基或醇羟基与环氧树脂中的环氧基团在热作用下发生开环反应,固化后强度提高,终强度达到2.05±0.15 MPa。随着喷液量的增大,砂型强度、发气量和尺寸偏差均增大,沿高度方向尺寸偏差大于成形面的尺寸偏差。随着分层厚度增大,砂型强度、发气量和尺寸偏差均减小。优化后参数为:喷液量60%,分层厚度0.2 mm,190℃、6 h固化,最终抗拉强度达2.48 MPa、发气量7.4 m L/g,满足了砂型铸造的要求。(2)研究了铸造用砂角形系数和粒度对3DP打印砂型(芯)质量的影响。随着原砂角形系数的降低,表面掉粉现象减弱、平整度越高,强度越大、终强度最高达到2.67±0.16 MPa。在粒度方面,随着原砂平均粒径的增大,砂型表面平整度和尺寸精度降低。打印原砂平均粒径越小,砂型孔隙率降低,致密度增大,强度增强。在相同的工艺条件下,平均粒径788.0μm的宝珠砂打印的砂型终强度仅有0.69±0.03 MPa。平均粒径72.9μm的宝珠砂打印的砂型最终抗拉强度达2.6±0.09 MPa,成形面尺寸偏差为3.33±0.08%,透气率为43.07。基于上述工艺和材料优化结果,选用平均粒径为72.9μm的宝珠砂,改性酚醛基树脂作为粘结剂,设置打印层厚为0.2 mm,喷液量为70%,每层喷液扫描三次,历时3 h成功打印了具有复杂结构和随形导气孔的逻辑阀砂芯,整体轮廓清晰紧实,表面无掉粉现象,精度、强度和发气量均满足砂型铸造工艺要求。
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