在眾多鑄造方法中，砂型鑄造是最常見的生產(chǎn)方式，通過砂型鑄造生產(chǎn)的產(chǎn)品占鑄件總量90%以上。在砂型鑄造過程中，鑄造砂型質(zhì)量與鑄件的質(zhì)量密切相關(guān)，傳統(tǒng)的砂型制造方式不僅加工周期長、經(jīng)濟成本高，制作工藝也相對繁瑣，在生產(chǎn)大型復(fù)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(dǎo)致所鑄出的產(chǎn)品報廢，造成次品率提高、生產(chǎn)效率低下。

??采用3D打印技術(shù)，利用分層制造、逐層疊加的方式，恰好可以實現(xiàn)異形、中空、懸臂等復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)和疊加成型，直接構(gòu)建鑄造砂型，省去了中間環(huán)節(jié)，不僅有利于簡化制造工藝、縮小累積誤差，還實現(xiàn)了3D打印技術(shù)與鑄造行業(yè)的無縫銜接，為3D打印增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的相互融合起到了良好的示范作用。

砂型激光3D打印技術(shù)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(shù)據(jù)加工信息，激光掃描系統(tǒng)將按照其轉(zhuǎn)化的電信號信息進行有序地掃描工作。

其次，在燒結(jié)工作平臺上鋪設(shè)一層事先制備好的覆膜砂，成型設(shè)備的掃描系統(tǒng)按照計算機輸出的數(shù)據(jù)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(jié)，覆膜砂表面的樹脂膜受熱熔融并產(chǎn)生粘接，而沒有被掃描到的覆膜砂仍呈現(xiàn)原有的自然松散狀態(tài)并擔(dān)當(dāng)支撐作用。

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

該技術(shù)為大型復(fù)雜薄壁整體鑄件的高品質(zhì)精密鑄造提供了良好的技術(shù)途徑，可實現(xiàn)復(fù)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(nèi)直接將CAD模型轉(zhuǎn)化為實體原型零件的特點。因此，近年來，大批國內(nèi)外學(xué)者針對此技術(shù)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(xiàn)狀

覆膜砂由于其良好的流動性以及砂芯表面質(zhì)量好等優(yōu)良性能，而被廣泛應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著快速成型技術(shù)在無模直接制造方面的快速發(fā)展，雖然覆膜砂作為燒結(jié)材料在快速成型各種復(fù)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(dǎo)致覆膜砂制件的性能達不到技術(shù)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。

國內(nèi)覆膜砂技術(shù)雖然一直在不斷的發(fā)展，但是在覆膜砂的研究、生產(chǎn)及技術(shù)應(yīng)用等方面仍存在許多的問題，針對覆膜砂的研發(fā)技術(shù)仍需改進提高。目前，國內(nèi)許多小規(guī)模的覆膜砂生產(chǎn)廠家由于沒有先進的設(shè)備工藝和精準(zhǔn)的檢測儀器，以及缺乏完善統(tǒng)一的檢測準(zhǔn)則作為指導(dǎo)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)格種類較少且質(zhì)量不能得到有效的控制；除此之外，大多數(shù)廠家還缺乏對覆膜砂的自主研發(fā)能力，想要提高覆膜砂的市場與技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，還需在專用覆膜砂系列產(chǎn)品的研發(fā)領(lǐng)域不斷繼續(xù)努力。

一直以來，日本對覆膜砂的制備工藝方面穩(wěn)居世界領(lǐng)先水平，不僅設(shè)備儀器先進、品種多、生產(chǎn)規(guī)模大，還一直致力于覆膜砂的質(zhì)量提高、經(jīng)濟成本的降低以及盡可能的環(huán)保等方面發(fā)展。

覆膜砂的生產(chǎn)工藝

覆膜砂主要包含95%~99%的石英砂和1%~5%的樹脂?；诩す?D打印技術(shù)的特殊成形方式與工藝特點，在能夠保障燒結(jié)件滿足使用性能指標(biāo)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(fā)氣性，良好的透氣性。通過對粘結(jié)劑配比的調(diào)節(jié)以及其他添加劑的加入，不斷對覆膜工藝進行優(yōu)化，制備適用于激光3D打印用新型覆膜砂材料。

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(zhì)量高、生產(chǎn)效率高。該方法是將固態(tài)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(yù)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(dǎo)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(yīng)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(fā)汽化。

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(zhuǎn)的混砂機的葉輪與側(cè)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(shù)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(jié)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(jié)件的性能與成型質(zhì)量。

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

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(zhì)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(yōu)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(chǎn)品的理想原料。

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