中國粉體網訊  在眾多鑄造方法中，砂型鑄造是最常見的生產方式，通過砂型鑄造生產的產品占鑄件總量90%以上。在砂型鑄造過程中，鑄造砂型質量與鑄件的質量密切相關，傳統的砂型制造方式不僅加工周期長、經濟成本高，制作工藝也相對繁瑣，在生產大型復雜鑄件的砂型時，需要通過多個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，就可能導致所鑄出的產品報廢，造成次品率提高、生產效率低下。

若采用3D打印技術，利用分層制造、逐層疊加的方式，恰好可以實現異形、中空、懸臂等復雜結構的加工，極大簡化了砂型制造的工藝流程。通過3D打印的形式對鑄造使用的樹脂砂或覆膜砂進行分層凝結和疊加成型，直接構建鑄造砂型，省去了中間環節，不僅有利于簡化制造工藝、縮小累積誤差，還實現了3D打印技術與鑄造行業的無縫銜接，為3D打印增材制造技術與傳統行業的相互融合起到了良好的示范作用。

砂型激光3D打印技術的原理

首先，運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CAD原型進行切片處理，以獲得每一層的截面輪廓及數據加工信息，激光掃描系統將按照其轉化的電信號信息進行有序地掃描工作。

其次，在燒結工作平臺上鋪設一層事先制備好的覆膜砂，成型設備的掃描系統按照計算機輸出的數據信息，控制激光束在指定路徑上對覆膜砂進行選擇性激光燒結，覆膜砂表面的樹脂膜受熱熔融并產生粘接，而沒有被掃描到的覆膜砂仍呈現原有的自然松散狀態并擔當支撐作用。

最后，逐層鋪粉、逐層燒結，循環往復，直至完成所有加工層面的掃描工作，獲得覆膜砂型（芯）燒結原型件。

該技術為大型復雜薄壁整體鑄件的高品質精密鑄造提供了良好的技術途徑，可實現復雜覆膜砂型（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，能在較短的時間內直接將CAD模型轉化為實體原型零件的特點。因此，近年來，大批國內外學者針對此技術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狀

覆膜砂由于其良好的流動性以及砂芯表面質量好等優良性能，而被廣泛應用于鑄造生產領域。隨著快速成型技術在無模直接制造方面的快速發展，雖然覆膜砂作為燒結材料在快速成型各種復雜形狀的砂型（芯）方面取得了突破性進展，但是覆膜砂的制備過程中仍存在某些不可控的因素，導致覆膜砂制件的性能達不到技術要求。因此，很多研究者為了進一步提高覆膜砂性能，一直致力于對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：長江材料）

國內覆膜砂技術雖然一直在不斷的發展，但是在覆膜砂的研究、生產及技術應用等方面仍存在許多的問題，針對覆膜砂的研發技術仍需改進提高。目前，國內許多小規模的覆膜砂生產廠家由于沒有先進的設備工藝和精準的檢測儀器，以及缺乏完善統一的檢測準則作為指導，從而導致產品規格種類較少且質量不能得到有效的控制；除此之外，大多數廠家還缺乏對覆膜砂的自主研發能力，想要提高覆膜砂的市場與技術領先優勢，還需在專用覆膜砂系列產品的研發領域不斷繼續努力。

一直以來，日本對覆膜砂的制備工藝方面穩居世界領先水平，不僅設備儀器先進、品種多、生產規模大，還一直致力于覆膜砂的質量提高、經濟成本的降低以及盡可能的環保等方面發展。

覆膜砂的生產工藝

覆膜砂主要包含95%~99%的石英砂和1%~5%的樹脂。基于激光3D打印技術的特殊成形方式與工藝特點，在能夠保障燒結件滿足使用性能指標的前提下，盡量使其具有較高的強度，較好的成型性，較低的發氣性，良好的透氣性。通過對粘結劑配比的調節以及其他添加劑的加入，不斷對覆膜工藝進行優化，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、覆膜質量高、生產效率高。該方法是將固態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，原砂的預熱溫度不宜低于130℃，通常以高出樹脂熔點50~100℃為宜，否則大顆粒樹脂不能完全融化，將導致樹脂分布不均，影響樹脂的粘接效率。加烏洛托品水溶液時，砂溫應降至105~110℃為宜，因為烏洛托品在117℃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，通常使用高速混砂機。被刮板所刮起的硅砂和樹脂等在處于水平旋轉的混砂機的葉輪與側壁間混制流動。

3D打印覆膜砂用原材料——石英砂

基于激光3D打印技術特殊的成形方式與工藝特點，對覆膜砂的粉末特性（石英砂粒度分布、粘結劑種類與含量、添加劑等）亦有特殊的要求。材料特性直接影響覆膜砂燒結件的性能與成型質量。

作為鑄造用原砂，天然石英砂由于其相當豐富的資源、低廉的價格，并且能夠滿足大多鑄造性能指標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、雜質含量低，以保證其耐火度。一般地，鑄鋼用砂SiO2含量應＞97%；鑄鐵用砂SiO2含量應＞85%；非鐵合金用砂SiO2的含量應＞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度的寬厚粘結橋，提高覆膜砂型（芯）的強韌性。

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，雜質提純加工困難，缺少天然粒形和粒度，不適用于對球度、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點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2018

我國石英資源概況分析與選礦提純技術，張凌燕，武漢理工大學2021

鑄造砂型3D打印技術的對比與應用分析，董莘等，自動化技術與應用2019

（中國粉體網編輯整理/平安）

注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！