文丨胖仔研究社
編輯丨胖仔研究社
前言
隨着鑄造工藝技術的進步和人們對鑄件性能要求的不斷提高，鑄造型芯的研究和開發也在不斷深入，3D打印技術以其獨特的優勢，在工業製造領域得到了越來越廣泛的應用。
鑄造是一種非常複雜、精細、精密的鑄造工藝，型芯是鑄件生產中必不可少的一部分，型芯的性能直接影響着鑄件的質量。由於砂型材料價格低廉且強度高，目前已成為鑄造生產中最常用的鑄造材料。
砂型材料種類繁多，按其成型原理可分為砂型材料和粘結劑材料兩類。目前，國內外研究者針對不同類型型芯進行了大量研究，其中，粘結劑型芯是指用粘結劑將砂型中的金屬或非金屬顆粒粘結起來形成具有一定形狀和尺寸結構的砂芯。
砂型芯
砂型芯是指由砂製成的用於鑄造生產的型芯。目前，砂型芯型芯主要分為3類：一類是由普通硅酸鹽水泥與粘土按一定比例混合製成的粘結劑。
普通硅酸鹽水泥與粘土按一定比例混合製成的粘結劑，由於其強度、穩定性、成本等原因，目前主要用於生產普通硅酸鹽水泥型芯、普通硅酸鹽水泥+陶瓷型芯等。
硅溶膠與樹脂按一定比例混合製成的粘結劑，由於其價格低廉，生產成本低，目前主要用於生產中低檔鑄件的型芯。
樹脂與粘接劑按一定比例混合製成的粘結劑，由於其性能優良，尤其是樹脂與粘接劑之間可以發生交聯反應，因此可用於生產高強度、高抗拉強度、高韌性等高性能鑄件。
由於型芯的種類較多，目前主要使用以下4類型芯：①高強度硅溶膠砂型芯；②高抗拉強度硅溶膠砂型芯；③高韌性硅溶膠砂型芯；④低成本型芯砂。目前，這4類型芯在生產中使用較多。
為了獲得高質量的砂型芯型芯，在3D打印過程中，需要對砂型芯型芯進行優化設計。
（1）由於3D打印砂型芯型芯的尺寸一般較小，如果將其直接用於生產，會造成生產效率低、成本高等問題，因此需要對砂型芯型芯進行優化設計。
（2）傳統砂型芯型芯的製作方法是通過使用不同的粘結劑來製成不同的鑄件需要的砂型芯，通過觀察鑄件表面質量來確定是否需要去除粘結劑。但是這種方法會導致一些質量較差的鑄件被去除，因此需要對砂型芯型芯進行優化設計。
（3）傳統砂型芯型芯的製作過程中通常會使用粘結劑和粘接劑兩種材料，但是隨着3D打印技術的發展，直接使用粘結劑和粘接劑來製作砂型芯型芯會造成一些問題：
（1）由於粘結劑和粘接劑是一種化學製品，因此在3D打印過程中會對其進行加熱或冷卻處理，而這兩種處理方式會破壞其化學結構；
（2）由於粘結劑和粘接劑中含有大量的水分，因此在3D打印過程中可能會發生濕砂現象；
（3）3D打印過程中需要對粘結劑和粘接劑進行加熱處理或冷卻處理，但這兩種處理方式都會導致粘結劑和粘接劑中水分的流失。
為了解決以上問題，可以通過在砂型芯型芯中加入一定量的樹脂來減少粘結劑和粘接劑中水分的流失，同時也可以在3D打印過程中對其進行加熱或冷卻處理以消除濕砂現象。這樣不但可以提高3D打印砂型芯型芯的質量，而且還可以節省時間和降低成本。
3D打印砂型芯技術的基本原理與分類
3D打印是一種快速成型技術，它將數字模型轉換為可在計算機上直接執行的代碼，並在計算機上通過相應軟件進行模擬和優化。這種技術具有生產周期短、產品精度高、生產成本低、無模具和沒有“死腔”等特點，目前已經廣泛應用於航空航天、汽車製造等領域。
3D打印技術最早由美國麻省理工學院於2013年提出，隨後得到了廣泛關注。3D打印技術的原理是通過液態金屬將實體零件熔化成“打印”的實體，在計算機上模擬出“3D模型”，再使用專用的打印機進行打印，從而達到成形目的。
3D打印技術是將 CAD/CAM軟件中的零件模型直接通過 CAD接口導入到計算機上，並通過專用的打印機將“模型”從計算機輸出到砂型中，然後進行固化等後續處理，最終完成鑄件的成形。
目前3D打印技術主要分為兩種：一種是基於光固化成型法（SLA）或光-熔融沉積成型法（SLS）的三維激光打印技術；另一種是基於逐層堆積技術的激光熔融3D打印技術。
其中基於 SLA技術的三維激光打印技術以其精度高、生產速度快、可生產形狀複雜構件等優點，成為當前主流的3D打印方法。這種技術不僅可以用於複雜形狀的零件成型，也可以用於型芯及砂型的製造。
基於 SLA技術的3D打印機採用熔融沉積成型（FDM）原理，即把液態金屬材料通過專用噴頭噴出後變成一層一層的粉末狀固體，然後經過乾燥、燒結等工序製成實體零件，再進行後續處理即可。
3D打印砂型芯技術的研究與應用進展
3D打印技術在20世紀80年代進入人們的視線，並逐漸引起了學術界和工業界的重視。目前，3D打印技術在汽車、航空航天、工程機械和醫療器械等領域已經得到了廣泛應用，特別是在汽車行業，3D打印技術已成為汽車領域重要的發展方向之一。
汽車工業是3D打印技術最早進入的領域之一。早在20世紀80年代，美國宇航局（NASA）就利用3D打印技術打印了第一個鋁製外殼原型。
目前，汽車行業中使用的3D打印技術主要集中在兩個方面：一是汽車零部件製造中的應用，二是汽車零部件鑄造過程中的應用。
由於3D打印技術能夠實現快速、低成本和高精度地製造複雜型芯，因此在汽車零部件製造領域得到了廣泛應用，特別是在一些精密鑄造工藝中發揮了重要作用。
例如，美國波音公司的一個車型開發項目中使用3D打印技術打印出了一個具有複雜形狀和複雜曲面的鋁外殼原型。
我國3D打印技術也得到了快速發展。隨着我國3D打印技術研發水平的不斷提高，其應用範圍不斷擴大。目前，國內不少企業已相繼推出了3D打印機和3D打印砂型芯產品，並成功應用到多個領域。
砂型芯的強度和耐腐蝕性研究
朱雲慶等人研究了3D打印砂型芯在模擬環境下的抗變形能力，發現隨着3D打印砂型芯尺寸的增加，其抗壓強度下降；隨厚度的增加，抗變形能力下降；隨密度的增加，抗變形能力下降。
黃華等人研究了3D打印砂型芯在模擬環境下的耐腐蝕性。結果表明：3D打印砂型芯在常溫下耐腐蝕性良好；當溫度高於300℃時，隨着溫度升高，其耐腐蝕性顯著下降；在高溫下，3D打印砂型芯的耐蝕性隨溫度升高而下降。
結果表明：隨着溫度升高，型芯壁厚減小，壁厚減薄區域由鑄造工藝時的形狀變得不規則；型芯表面收縮較大，發生裂紋現象。
當溫度超過600℃時，型芯壁厚已經很薄，且在此溫度下型芯壁厚繼續增厚則會發生破裂。
結果表明：在高溫環境下，型芯壁厚增加顯著；在較低溫度下，型芯壁厚增加不明顯；當溫度超過600℃時，型芯壁厚增長緩慢。
通過研究3D打印砂型芯在不同溫度和壓力條件下的熱穩定性，可以知道：隨着溫度升高，型芯的熱穩定性降低；壓力的增加會導致型芯的熱穩定性提高。
徐磊等人研究了3D打印砂型芯在不同溫度和壓力條件下的熱膨脹性和高溫熱穩定性，結果表明：隨着溫度升高，型芯壁厚增加，體積膨脹率降低；
壓力的增加會導致型芯壁厚減少，體積膨脹率增大；在較低溫度下，型芯收縮率較小，在高溫下則會導致型芯破裂；隨着溫度和壓力的升高，型芯壁厚增長緩慢，體積膨脹率增大。
應用前景及發展趨勢
在金屬3D打印領域，砂型芯的應用還處於起步階段，但隨着3D打印技術的不斷發展，砂型芯的應用會越來越廣泛。
砂型芯在鑄造行業中主要有以下幾種應用形式：（1）鑄造用砂型芯。鑄造用砂型芯是指鑄件直接使用鑄造用砂進行澆注，不經過機械加工或者熱處理。這種類型的砂型芯適用於鑄造各種形狀複雜的鑄件，如汽車零部件、齒輪、軸承、氣缸等。
（2）精密鑄件用砂型芯。精密鑄件一般要求精度較高，因此對砂型芯的質量有很高的要求。目前用於精密鑄件的砂型芯主要有化學機械拋光型芯、高溫燒結型芯和激光熔覆金屬型芯等類型。
（3）高溫合金用砂型芯。目前，在鑄造高溫合金中，應用最廣泛的是鋁硅合金，其鑄造用砂型芯主要有硬質合金、陶瓷及聚苯醚等類型。
在鑄造行業中，使用砂型芯澆注金屬型件的比例很大，因此對砂型芯澆注系統設計的要求較高。目前，鑄造用砂型芯主要有以下幾種類型：
（1）整體澆注系統；（2）整體澆注系統+專用鑄型；（3）整體澆注系統+熱芯盒；（4）整體澆注系統+冷芯盒。
金屬3D打印技術不僅可以用於鑄造用砂型芯，而且可以用於各種複雜形狀的鑄型和鑄件，目前，金屬3D打印技術已經成為一種非常成熟和有效的技術手段來製造各種複雜形狀鑄件，從而解決了許多重大機械設備的製造難題。
筆者觀點
目前，3D打印砂型芯的研究和應用主要集中在工業領域，隨着技術的進步及工業發展的需要，3D打印砂型芯將會越來越廣泛地應用到各個領域。
一方面，可以降低生產成本、提高生產效率，另一方面，還能使產品的精度更高、質量更好。3D打印砂型芯不僅可以用於鑄造領域，在工業領域也有着廣泛的應用前景。
另一方面，3D打印砂型芯可以提高產品精度、降低生產成本；另一方面，3D打印砂型芯可以實現複雜零件的一次成形，縮短生產周期；另外，3D打印砂型芯還具有綠色環保、成本低、可實現大規模生產等優點。
參考文獻
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