文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
随着铸造工艺技术的进步和人们对铸件性能要求的不断提高，铸造型芯的研究和开发也在不断深入，3D打印技术以其独特的优势，在工业制造领域得到了越来越广泛的应用。
铸造是一种非常复杂、精细、精密的铸造工艺，型芯是铸件生产中必不可少的一部分，型芯的性能直接影响着铸件的质量。由于砂型材料价格低廉且强度高，目前已成为铸造生产中最常用的铸造材料。
砂型材料种类繁多，按其成型原理可分为砂型材料和粘结剂材料两类。目前，国内外研究者针对不同类型型芯进行了大量研究，其中，粘结剂型芯是指用粘结剂将砂型中的金属或非金属颗粒粘结起来形成具有一定形状和尺寸结构的砂芯。
砂型芯
砂型芯是指由砂制成的用于铸造生产的型芯。目前，砂型芯型芯主要分为3类：一类是由普通硅酸盐水泥与粘土按一定比例混合制成的粘结剂。
普通硅酸盐水泥与粘土按一定比例混合制成的粘结剂，由于其强度、稳定性、成本等原因，目前主要用于生产普通硅酸盐水泥型芯、普通硅酸盐水泥+陶瓷型芯等。
硅溶胶与树脂按一定比例混合制成的粘结剂，由于其价格低廉，生产成本低，目前主要用于生产中低档铸件的型芯。
树脂与粘接剂按一定比例混合制成的粘结剂，由于其性能优良，尤其是树脂与粘接剂之间可以发生交联反应，因此可用于生产高强度、高抗拉强度、高韧性等高性能铸件。
由于型芯的种类较多，目前主要使用以下4类型芯：①高强度硅溶胶砂型芯；②高抗拉强度硅溶胶砂型芯；③高韧性硅溶胶砂型芯；④低成本型芯砂。目前，这4类型芯在生产中使用较多。
为了获得高质量的砂型芯型芯，在3D打印过程中，需要对砂型芯型芯进行优化设计。
（1）由于3D打印砂型芯型芯的尺寸一般较小，如果将其直接用于生产，会造成生产效率低、成本高等问题，因此需要对砂型芯型芯进行优化设计。
（2）传统砂型芯型芯的制作方法是通过使用不同的粘结剂来制成不同的铸件需要的砂型芯，通过观察铸件表面质量来确定是否需要去除粘结剂。但是这种方法会导致一些质量较差的铸件被去除，因此需要对砂型芯型芯进行优化设计。
（3）传统砂型芯型芯的制作过程中通常会使用粘结剂和粘接剂两种材料，但是随着3D打印技术的发展，直接使用粘结剂和粘接剂来制作砂型芯型芯会造成一些问题：
（1）由于粘结剂和粘接剂是一种化学制品，因此在3D打印过程中会对其进行加热或冷却处理，而这两种处理方式会破坏其化学结构；
（2）由于粘结剂和粘接剂中含有大量的水分，因此在3D打印过程中可能会发生湿砂现象；
（3）3D打印过程中需要对粘结剂和粘接剂进行加热处理或冷却处理，但这两种处理方式都会导致粘结剂和粘接剂中水分的流失。
为了解决以上问题，可以通过在砂型芯型芯中加入一定量的树脂来减少粘结剂和粘接剂中水分的流失，同时也可以在3D打印过程中对其进行加热或冷却处理以消除湿砂现象。这样不但可以提高3D打印砂型芯型芯的质量，而且还可以节省时间和降低成本。
3D打印砂型芯技术的基本原理与分类
3D打印是一种快速成型技术，它将数字模型转换为可在计算机上直接执行的代码，并在计算机上通过相应软件进行模拟和优化。这种技术具有生产周期短、产品精度高、生产成本低、无模具和没有“死腔”等特点，目前已经广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
3D打印技术最早由美国麻省理工学院于2013年提出，随后得到了广泛关注。3D打印技术的原理是通过液态金属将实体零件熔化成“打印”的实体，在计算机上模拟出“3D模型”，再使用专用的打印机进行打印，从而达到成形目的。
3D打印技术是将 CAD/CAM软件中的零件模型直接通过 CAD接口导入到计算机上，并通过专用的打印机将“模型”从计算机输出到砂型中，然后进行固化等后续处理，最终完成铸件的成形。
目前3D打印技术主要分为两种：一种是基于光固化成型法（SLA）或光-熔融沉积成型法（SLS）的三维激光打印技术；另一种是基于逐层堆积技术的激光熔融3D打印技术。
其中基于 SLA技术的三维激光打印技术以其精度高、生产速度快、可生产形状复杂构件等优点，成为当前主流的3D打印方法。这种技术不仅可以用于复杂形状的零件成型，也可以用于型芯及砂型的制造。
基于 SLA技术的3D打印机采用熔融沉积成型（FDM）原理，即把液态金属材料通过专用喷头喷出后变成一层一层的粉末状固体，然后经过干燥、烧结等工序制成实体零件，再进行后续处理即可。
3D打印砂型芯技术的研究与应用进展
3D打印技术在20世纪80年代进入人们的视线，并逐渐引起了学术界和工业界的重视。目前，3D打印技术在汽车、航空航天、工程机械和医疗器械等领域已经得到了广泛应用，特别是在汽车行业，3D打印技术已成为汽车领域重要的发展方向之一。
汽车工业是3D打印技术最早进入的领域之一。早在20世纪80年代，美国宇航局（NASA）就利用3D打印技术打印了第一个铝制外壳原型。
目前，汽车行业中使用的3D打印技术主要集中在两个方面：一是汽车零部件制造中的应用，二是汽车零部件铸造过程中的应用。
由于3D打印技术能够实现快速、低成本和高精度地制造复杂型芯，因此在汽车零部件制造领域得到了广泛应用，特别是在一些精密铸造工艺中发挥了重要作用。
例如，美国波音公司的一个车型开发项目中使用3D打印技术打印出了一个具有复杂形状和复杂曲面的铝外壳原型。
我国3D打印技术也得到了快速发展。随着我国3D打印技术研发水平的不断提高，其应用范围不断扩大。目前，国内不少企业已相继推出了3D打印机和3D打印砂型芯产品，并成功应用到多个领域。
砂型芯的强度和耐腐蚀性研究
朱云庆等人研究了3D打印砂型芯在模拟环境下的抗变形能力，发现随着3D打印砂型芯尺寸的增加，其抗压强度下降；随厚度的增加，抗变形能力下降；随密度的增加，抗变形能力下降。
黄华等人研究了3D打印砂型芯在模拟环境下的耐腐蚀性。结果表明：3D打印砂型芯在常温下耐腐蚀性良好；当温度高于300℃时，随着温度升高，其耐腐蚀性显著下降；在高温下，3D打印砂型芯的耐蚀性随温度升高而下降。
结果表明：随着温度升高，型芯壁厚减小，壁厚减薄区域由铸造工艺时的形状变得不规则；型芯表面收缩较大，发生裂纹现象。
当温度超过600℃时，型芯壁厚已经很薄，且在此温度下型芯壁厚继续增厚则会发生破裂。
结果表明：在高温环境下，型芯壁厚增加显著；在较低温度下，型芯壁厚增加不明显；当温度超过600℃时，型芯壁厚增长缓慢。
通过研究3D打印砂型芯在不同温度和压力条件下的热稳定性，可以知道：随着温度升高，型芯的热稳定性降低；压力的增加会导致型芯的热稳定性提高。
徐磊等人研究了3D打印砂型芯在不同温度和压力条件下的热膨胀性和高温热稳定性，结果表明：随着温度升高，型芯壁厚增加，体积膨胀率降低；
压力的增加会导致型芯壁厚减少，体积膨胀率增大；在较低温度下，型芯收缩率较小，在高温下则会导致型芯破裂；随着温度和压力的升高，型芯壁厚增长缓慢，体积膨胀率增大。
应用前景及发展趋势
在金属3D打印领域，砂型芯的应用还处于起步阶段，但随着3D打印技术的不断发展，砂型芯的应用会越来越广泛。
砂型芯在铸造行业中主要有以下几种应用形式：（1）铸造用砂型芯。铸造用砂型芯是指铸件直接使用铸造用砂进行浇注，不经过机械加工或者热处理。这种类型的砂型芯适用于铸造各种形状复杂的铸件，如汽车零部件、齿轮、轴承、气缸等。
（2）精密铸件用砂型芯。精密铸件一般要求精度较高，因此对砂型芯的质量有很高的要求。目前用于精密铸件的砂型芯主要有化学机械抛光型芯、高温烧结型芯和激光熔覆金属型芯等类型。
（3）高温合金用砂型芯。目前，在铸造高温合金中，应用最广泛的是铝硅合金，其铸造用砂型芯主要有硬质合金、陶瓷及聚苯醚等类型。
在铸造行业中，使用砂型芯浇注金属型件的比例很大，因此对砂型芯浇注系统设计的要求较高。目前，铸造用砂型芯主要有以下几种类型：
（1）整体浇注系统；（2）整体浇注系统+专用铸型；（3）整体浇注系统+热芯盒；（4）整体浇注系统+冷芯盒。
金属3D打印技术不仅可以用于铸造用砂型芯，而且可以用于各种复杂形状的铸型和铸件，目前，金属3D打印技术已经成为一种非常成熟和有效的技术手段来制造各种复杂形状铸件，从而解决了许多重大机械设备的制造难题。
笔者观点
目前，3D打印砂型芯的研究和应用主要集中在工业领域，随着技术的进步及工业发展的需要，3D打印砂型芯将会越来越广泛地应用到各个领域。
一方面，可以降低生产成本、提高生产效率，另一方面，还能使产品的精度更高、质量更好。3D打印砂型芯不仅可以用于铸造领域，在工业领域也有着广泛的应用前景。
另一方面，3D打印砂型芯可以提高产品精度、降低生产成本；另一方面，3D打印砂型芯可以实现复杂零件的一次成形，缩短生产周期；另外，3D打印砂型芯还具有绿色环保、成本低、可实现大规模生产等优点。
参考文献
1.黄学峰：3D打印型芯的制备工艺研究，《铸造工程与技术》，2020,30 (11)：1236-1238。
2.李勇：铸造用树脂砂的研制及应用，《铸造技术》，2008 (13)：1271-1283。
3.刘杰：3D打印技术在工业铸件上的应用研究及前景展望，《铸造与材料科学》，2006 (5)：18-20。
