環(huán)保改性甲階酚醛樹(shù)脂在砂型3D打印鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

來(lái)源：百鑄聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文介紹了晶瓷科技開(kāi)發(fā)的環(huán)保砂型3D噴射用的改性甲階酚醛樹(shù)脂的特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)，闡述了砂型3D樹(shù)脂需具有純凈度高、適當(dāng)?shù)恼扯群捅砻鎻埩�參�?shù)，固化劑的加入在滿足鋪砂要求的同時(shí)還要使樹(shù)脂正常交聯(lián)硬化，從而建立一定的砂型強(qiáng)度。砂型3D打印樹(shù)脂在煙臺(tái)冰輪智能鑄造車(chē)間進(jìn)行了實(shí)際打印生產(chǎn)應(yīng)用，測(cè)試了不同樹(shù)脂加入量條件下的砂型強(qiáng)度，砂型澆注的鑄件表面質(zhì)量良好，并進(jìn)行了連續(xù)幾個(gè)月的打印生產(chǎn)。

砂型3D打印是基于“離散/堆積成型”的成型思想，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，用層層加工的方法將型砂通過(guò)粘結(jié)劑連接“堆積”成砂型，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)也稱(chēng)為增材制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)方式，特別是對(duì)于單樣件開(kāi)發(fā)及品種多、數(shù)量少的鑄件產(chǎn)品，砂型3D打印技術(shù)無(wú)需制作木模、模樣等，具有響應(yīng)速度快、周期短、靈活性高、穩(wěn)定性好、砂芯一體化制造及可制造出任意復(fù)雜形狀等特點(diǎn)[1]。為了推動(dòng)鑄造行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，國(guó)家三部委明文支持砂型3D打印和無(wú)模鑄造等技術(shù)的推廣應(yīng)用發(fā)展[2]，砂型3D打印技術(shù)本質(zhì)上實(shí)為無(wú)模鑄造生產(chǎn)技術(shù)。

當(dāng)前，鑄造砂型3D打印主要是基于粘結(jié)劑微噴射3D打印成形技術(shù)(3DP)采用的粘結(jié)劑多為呋喃樹(shù)脂，但呋喃樹(shù)脂砂型發(fā)脆，制作的砂型耐高溫性和退讓性差，不太適合鑄鋼件的生產(chǎn)[3]。通過(guò)多年不斷迭代創(chuàng)新研發(fā)，晶瓷科技在綠色樹(shù)脂材料持續(xù)改性研究的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了砂型3DP噴射用的改性甲階酚醛樹(shù)脂，廣泛適用于鑄鋼、鑄鐵及有色金屬的鑄造生產(chǎn)。

本文將從砂型3D用改性甲階酚醛的特性、實(shí)際應(yīng)用案例等幾方面展開(kāi)闡述。

1 砂型3DＰ噴射用改性甲階酚醛樹(shù)脂的特性和性能指標(biāo)參數(shù)
1.１ 酸硬化的改性甲階酚醛樹(shù)脂
砂型3DP打印使用的粘結(jié)劑一般是從自硬砂樹(shù)脂基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的，鑄造行業(yè)用于自硬砂的樹(shù)脂主要有：呋喃樹(shù)脂，酸硬化的甲階酚醛樹(shù)脂、脂硬化的甲階酚醛樹(shù)脂（堿酚醛樹(shù)脂）以及胺硬化的尿烷樹(shù)脂[4]。目前主流砂型3DP噴射用粘結(jié)劑為呋喃樹(shù)脂。本文中闡述的砂型3D打印樹(shù)脂，是在一種環(huán)保型酸固化的改性甲階樹(shù)脂基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，具有以下一系列特性[5-7]：

1）樹(shù)脂加入量低，硬化速度調(diào)節(jié)靈活，強(qiáng)度與呋喃樹(shù)脂相當(dāng)；
2）環(huán)保性好，造型時(shí)無(wú)刺鼻、辣眼睛的刺激性氣味，且澆注后氣味極低；
3）具有甲階酚醛樹(shù)脂的特點(diǎn)，受熱后有二次硬化的特性；
4）澆注后潰散性好，與呋喃樹(shù)脂相當(dāng)；
5）澆注后的舊砂采用2級(jí)機(jī)械工藝即可再生，硅砂的再生率可達(dá)95%以上，寶珠砂、陶粒砂可達(dá)98%以上，鑄造綜合成本低。

1.2 改性甲階酚醛樹(shù)脂用于砂型3DP打印需具備的特點(diǎn)及相關(guān)性能參數(shù)
1.2.1 砂型3DP打印技術(shù)工序要求
砂型3ＤP打印的工作原理是：首先鋪砂器按一定厚度鋪一層混合了固化劑的型砂，隨后使用噴嘴將樹(shù)脂噴在需要成型的區(qū)域讓型砂粘結(jié)，形成砂型截面，然后升降平臺(tái)下降一個(gè)層面，鋪砂器再一次鋪砂，噴頭繼續(xù)噴射打印，如此往復(fù)，砂子層層堆積得到砂型模型[8]。

與傳統(tǒng)鑄造造型相比，砂型3DP成型過(guò)程分為鋪砂、噴墨打印、砂型起模和清理砂型幾個(gè)工序，每個(gè)工序過(guò)程都有各自的技術(shù)要求和難點(diǎn)：

1）鋪砂過(guò)程要求型砂具有良好的流動(dòng)性，固化劑的粘度和加入比例要合適；
2）噴墨打印頭正常穩(wěn)定噴射樹(shù)脂，一方面要求噴頭無(wú)堵塞、不開(kāi)膠，另一方面要求樹(shù)脂的粘度、表面張力等性能參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)；噴頭是打印精密電子器件，為了保證不堵塞噴孔，樹(shù)脂的純凈度是非常關(guān)鍵，雜質(zhì)顆粒尺寸要控制在微米尺度級(jí)別；
3）砂型起模要求打印的砂型在一定時(shí)間內(nèi)建立足夠強(qiáng)度，樹(shù)脂在有限的固化劑加入量下能夠正常交聯(lián)反應(yīng)使砂型硬化；
4）砂型清理要求表面浮砂較少，容易清理，這要求控制砂型邊界的樹(shù)脂不向外侵潤(rùn)，樹(shù)脂加入比例不可過(guò)高，砂型表面在一定時(shí)間內(nèi)要及時(shí)硬化。

1.2.2 砂型3D打印樹(shù)脂重要的性能指標(biāo)參數(shù)
在上述幾個(gè)工序過(guò)程中，噴墨打印和鋪砂是砂型打印中兩個(gè)最關(guān)鍵的工序。對(duì)于噴墨打印，砂型3D打印樹(shù)脂有以下幾個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)參數(shù)：


1）純凈度
噴墨打印頭是砂型3D打印設(shè)備中的核心元器件[9]，是一種精密電子器件，樹(shù)脂絕對(duì)不能堵塞噴孔，這樣對(duì)樹(shù)脂的雜質(zhì)顆粒尺寸有嚴(yán)格的要求。以目前國(guó)內(nèi)砂型打印機(jī)應(yīng)用最廣泛的星光1024LA型號(hào)噴頭為例，單個(gè)自然墨滴的體積為80PL，壓電腔和噴孔直徑為微米級(jí)別。為了提高噴頭使用壽命，要杜絕物理堵塞噴頭的現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)最大程度提高樹(shù)脂墨水的純凈度。通過(guò)一系列特殊處理工藝，樹(shù)脂中最大雜質(zhì)顆粒尺寸在可以做到0.1μm~0.5μm以下。采用激光衍射法對(duì)3D樹(shù)脂中的雜質(zhì)顆粒尺寸進(jìn)行了檢測(cè)分析，下圖為檢測(cè)結(jié)果：

表1 砂型3D打印樹(shù)脂雜質(zhì)顆粒尺寸粒度分布檢測(cè)結(jié)果

圖1 砂型3D打印樹(shù)脂雜質(zhì)顆粒粒徑分布曲線

2）粘度
適當(dāng)?shù)恼扯瓤纱_保墨水在墨路內(nèi)循環(huán)流動(dòng)順暢，有利于樹(shù)脂噴出和墨滴的均勻形成。粘度太小，則墨水內(nèi)摩擦力小，液滴呈彎月形而產(chǎn)生阻尼振蕩，影響噴射速度，且粘度太低的液體有較小的阻尼在高頻率噴射時(shí)易于吸附空氣，并且會(huì)由此而產(chǎn)生多余的飛沫；粘度過(guò)大，墨水流動(dòng)性差，且不易形成小液滴，需要較大較大的激勵(lì)脈沖幅度，而較高的噴射動(dòng)力會(huì)引起震動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生相互干擾[10]。

3）表面張力
合適的表面張力可以產(chǎn)生理想形狀的液滴，保證墨滴的均勻形成，這可使飛沫減到最少，以及不粘噴頭，使噴嘴板上的積墨減到最少，有助于噴墨的長(zhǎng)期穩(wěn)定[10]。
經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)摸索和工藝公關(guān)，我們摸索出適合目前各主流噴墨打印頭的樹(shù)脂相關(guān)性能參數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)際上機(jī)噴墨打印測(cè)試。下表為砂型3DP噴射用改性甲階酚醛樹(shù)脂的相關(guān)性能參數(shù)：

表2 砂型3D樹(shù)脂相關(guān)性能參數(shù)

鋪砂工序要求酸性固化劑加入量必須控制在一定范圍內(nèi)，砂型起模和容易清理又需要有限的固化劑能夠使樹(shù)脂交聯(lián)反應(yīng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)建立起一定的砂型強(qiáng)度。為了適應(yīng)不同品質(zhì)的型砂以及各種打印環(huán)境溫度和濕度等條件，開(kāi)發(fā)了C25-C50等一系列酸度型號(hào)的固化劑。表３為砂型3D打印專(zhuān)用系列固化劑的相關(guān)性能參數(shù)：

1.2.3　砂型3D打印專(zhuān)用固化劑的性能要求

表３　砂型3D打印專(zhuān)用固化劑相關(guān)性能參數(shù)

除了砂型3D打印樹(shù)脂和固化劑，我公司還開(kāi)發(fā)了3D噴墨打印專(zhuān)用清洗劑，主要成分是環(huán)保有機(jī)溶劑，經(jīng)過(guò)高純度工藝處理，確保了清洗劑純凈度達(dá)到0.1~0.5微米，保障了對(duì)清洗后噴嘴沒(méi)有二次堵塞及污染。下圖是我公司開(kāi)發(fā)的砂型3D打印樹(shù)脂系列產(chǎn)品：

圖2 砂型3D打印樹(shù)脂系列產(chǎn)品

2.實(shí)際應(yīng)用案例

晶瓷科技砂型3D樹(shù)脂目前已在國(guó)內(nèi)大多數(shù)主流打印設(shè)備上連續(xù)打印應(yīng)用，本文以山東煙臺(tái)冰輪智能鑄造車(chē)間的應(yīng)用案例進(jìn)行闡述。該公司打印設(shè)備為國(guó)內(nèi)某知名品牌2500系列，采用寶石QE256-80型號(hào)噴頭。

2.1　試驗(yàn)材料
型砂采用彰武聯(lián)信金榮鑄造材料有限公司提供的70/140目硅砂，樹(shù)脂黏結(jié)劑采用我公司改性甲階酚醛樹(shù)脂，根據(jù)型砂品質(zhì)、環(huán)境溫度和濕度情況選擇固化劑采用C25型號(hào)。

2.2　試驗(yàn)方法
2.2.1　噴墨測(cè)試
改性甲階酚醛樹(shù)脂較呋喃樹(shù)脂粘度低，為了保證噴頭噴射樹(shù)脂不斷墨、不丟幀，正常穩(wěn)定持續(xù)噴射墨水，上機(jī)打印時(shí)要從以下幾方面調(diào)節(jié)打印參數(shù)：

1) 主負(fù)壓
噴頭要持續(xù)穩(wěn)定噴射墨水，需要墨水前端呈彎月牙形狀。墨路系統(tǒng)施加的主負(fù)壓能夠使噴嘴產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)膹澮好嬉后w形狀，同時(shí)鎖住墨水，防止墨水不斷從噴孔內(nèi)流出。主負(fù)壓大小主要與主墨盒液位到噴頭噴嘴板的高度差有關(guān)[11]，另一方面要根據(jù)墨水粘度和表面張力情況進(jìn)行微調(diào)。

2)波形參數(shù)
砂型3D打印用的噴墨打印頭屬于壓電式噴頭，涉及到的波形參數(shù)包括脈沖電壓、脈沖寬度、點(diǎn)火頻率以及脈沖波數(shù)（單波或雙波）。波形參數(shù)的設(shè)置一方面與噴頭狀態(tài)有關(guān)，另一方面要根據(jù)樹(shù)脂的粘度和表面張力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，一般液體的粘度和表面張力隨著溫度的增加呈下降趨勢(shì)。粘度降低以后，電壓和脈寬可以適當(dāng)降低，脈沖波數(shù)可以視噴頭情況調(diào)整為單波。

下圖為打印參數(shù)調(diào)整合適以后的噴墨打印測(cè)試情況：

圖3　噴墨打印測(cè)試情況

2.2.2 樹(shù)脂加入量與砂型強(qiáng)度的關(guān)系
打印參數(shù)調(diào)整好以后進(jìn)行上機(jī)打印，通過(guò)調(diào)整分辨率改變樹(shù)脂加入量，測(cè)試不同加入量條件下砂型強(qiáng)度。砂型強(qiáng)度測(cè)試了抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，其中測(cè)量抗拉強(qiáng)度的“8”字樣塊分X、Y、Z三個(gè)方向排布設(shè)置，測(cè)試結(jié)果分別代表砂型X、Y、Z三個(gè)方向的強(qiáng)度情況�？箟簭�(qiáng)度測(cè)試試塊是尺寸為Φ40×40的圓柱體。表4為測(cè)試結(jié)果：

表4 不同樹(shù)脂加入量條件下砂型強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表4測(cè)試結(jié)果，隨著樹(shù)脂加入量的提高，砂型強(qiáng)度逐漸增加。樹(shù)脂加入量控制在1.8~2.0%比較合適，能夠滿足造型使用要求。
在掃面電鏡下觀測(cè)了微觀尺度型砂之間的粘結(jié)情況，下圖為觀測(cè)結(jié)果：

圖4 砂型粘結(jié)情況觀測(cè)結(jié)果

從上圖掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果可以看出，樹(shù)脂交聯(lián)反應(yīng)后的粘結(jié)橋充滿了型砂之間，樹(shù)脂能夠很好的侵潤(rùn)和包裹砂粒，砂粒之間能夠搭建足夠數(shù)量的有效粘結(jié)橋，從而建立起良好的砂型強(qiáng)度。另外砂粒表面和砂粒之間附著了許多包裹了樹(shù)脂膜的微粉顆粒，也充當(dāng)砂粒之間的粘結(jié)橋，一定程度上也提高了砂型的強(qiáng)度。

2.2.3 發(fā)氣量檢測(cè)
對(duì)樹(shù)脂加入量為2.0%的砂型樣塊進(jìn)行了發(fā)氣量檢測(cè)，下圖為砂實(shí)驗(yàn)室的發(fā)氣量測(cè)試儀。

圖5 型砂實(shí)驗(yàn)室發(fā)氣量測(cè)試儀和稱(chēng)量天平

測(cè)試結(jié)果為：發(fā)氣速度為0.5mL/g/s，最大發(fā)氣量為10.6mL/g。下圖為測(cè)試報(bào)告。

圖6 砂型發(fā)氣量檢測(cè)報(bào)告

2.2.4 實(shí)際生產(chǎn)情況
晶瓷科技樹(shù)脂在2臺(tái)打印機(jī)上連續(xù)5個(gè)月時(shí)間進(jìn)行打印生產(chǎn)，表5是打印生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)情況：

表5 批量打印生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)情況

幾個(gè)月連續(xù)生產(chǎn)打印平均樹(shù)脂消耗量為2.06%，統(tǒng)計(jì)的消耗量包含了停止生產(chǎn)期間閃噴和壓墨操作耗費(fèi)的樹(shù)脂量。以下為現(xiàn)場(chǎng)打印的鑄件砂型。

圖8 打印生產(chǎn)的砂型

圖9 合箱完成準(zhǔn)備澆注

下圖為拋丸清理以后的鑄件情況，澆注后砂型潰散性良好，容易落砂，鑄件無(wú)粘砂，鑄件質(zhì)量滿足要求。

圖10 拋丸清理后的鑄件

結(jié)束語(yǔ)
1）砂型3DP噴射用的改性甲階酚醛樹(shù)脂具有環(huán)保性好、砂型強(qiáng)度高且具可以二次硬化、潰散性好、舊砂再生利用率高等特性；
2）此砂型3D樹(shù)脂純凈度高，并具有適當(dāng)?shù)恼扯取⒈砻鎻埩�及電�?dǎo)率等特點(diǎn)，適應(yīng)各種品牌型號(hào)的噴頭，同時(shí)開(kāi)發(fā)了不同酸度型號(hào)的固化劑適應(yīng)不同品質(zhì)的型砂及各種溫濕度環(huán)境條件。
3）砂型3D打印樹(shù)脂在煙臺(tái)冰輪智能制造車(chē)間進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間不間斷批量化實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，砂型強(qiáng)度及發(fā)氣量能夠滿足鑄件造型生產(chǎn)要求，鑄件表面質(zhì)量良好。

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