喷墨砂型3D打印耗材分析及工艺研究

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喷墨砂型3D打印技术是增材制造技术与传统铸造技术相结合而产生的一种新兴技术。目前,在砂型铸造领域应用较为成熟和广泛的是激光选区烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)和三维粉末粘接技术(Three Dimensional Printing,3DP),三维粉末粘接技术也就是喷墨砂型3D打印技术。随着我国铸造的产业升级与重组,关于喷墨砂型3D打印技术的研究越来越被重视。我国喷墨砂型3D打印技术相关的研究仍不成熟,国内相关企业的喷墨砂型3D打印设备仍然依赖国外进口,高昂的设备及耗材价格严重制约了国内相关企业对砂型3D打印技术的应用.,其中进口耗材不仅价格偏高还有如海运费用、进口关税、陆运费用等,大大压缩了国内相关企业的利润。因此,砂型打印耗材的国产化研究具有十分重要的意义。本论文对喷墨砂型3D打印机所用进口耗材和国产耗材进行研究对比,测试分析了原砂的主要技术参数:硅含量、微观形貌、粒度分布、含水量、堆积密度、表观密度。检测了树脂及黏结剂的pH值、粘度指标,研究了原砂、黏结剂、固化剂的比例与砂型性能的关系及国产树脂的改性方法。研究结果表明,国产原砂与进口原砂的性能相近,可以直接代替进口原砂,实现原砂的国产化。粘度是树脂的一个重要指标,需要与打印机核心部件打印喷头相匹配,进口树脂的粘度在15m Pa·s左右,国产树脂的粘度在25m Pa·s左右,需对国产树脂进行改性处理才可用于打印。通过设计12个关于原砂种类、树脂种类与树脂配比的正交试验,制备标准八字块并测试抗拉强度、发气量,发现树脂的配比因素对砂型抗拉强度的影响最大,采用国产的呋喃树脂A2和国产硅砂C1组合,树脂加入量为原砂质量的2%的组合可以满足砂型的使用要求。通过对国产树脂进行改性试验,聚乙二醇与羧甲基淀粉钠加入量为10%时,砂型仍有足够的强度,但改性后的呋喃树脂与进口呋喃树脂粘度参数仍有一定差距,仍需继续探究;通过研究呋喃树脂在合成过程中的改性,发现国内企业生产的呋喃树脂的粘度能够达到打印喷头的匹配标准,打印出砂型的抗拉强度及发气量均优于使用进口呋喃树脂的打印砂型,表明这种国产呋喃树脂具有较好的性能,能够代替进口呋喃树脂进行砂型打印,实现黏结剂的国产化。本研究基本实现了喷墨砂型3D打印机相关耗材的国产化,有望降低国内相关行业的耗材成本,促进国内喷墨砂型3D打印行业的发展。
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