环保改性甲阶酚醛树脂在砂型3D打印锻造出产中的应用

发布日期：2024-09-01 05:57 点击次数：136

砂型3D打印是基于“破碎/堆积成型”的成型念念想，以数字模子文献为基础，用层层加工的样式将型砂通过粘结剂勾通“堆积”成砂型，专科术语也称为增材制造工夫。相对于传统锻造出产方式，卓越是对于单样件开发及品种多、数目少的铸件居品，砂型3D打印工夫无需制作木模、样式等，具有反应速率快、周期短、机动性高、安谧性好、砂芯一体化制造及可制造出肆意复杂体式等特质[1]。为了鼓励锻造行业的高质料发展，国度三部委明文支撑砂型3D打印和无模锻造等工夫的实行应用发展[2]，砂型3D打印工夫本色上实为无模锻造出产工夫。

刻下，锻造砂型3D打印主如若基于粘结剂微喷射3D打印成形工夫(3DP)经受的粘结剂多为呋喃树脂，但呋喃树脂砂型发脆，制作的砂型耐高温性和退缩性差，不太妥当铸钢件的出产[3]。通过多年连接迭代立异研发，晶瓷科技在绿色树脂材料握续改性操办的基础上，自主研发了砂型3DP喷射用的改性甲阶酚醛树脂，无为适用于铸钢、铸铁及有色金属的锻造出产。

1 砂型3DＰ喷射用改性甲阶酚醛树脂的脾性和性能野心参数

1.１酸硬化的改性甲阶酚醛树脂

砂型3DP打印使用的粘结剂一般是从自硬砂树脂基础发展而来的，锻造行业用于自硬砂的树脂主要有：呋喃树脂，酸硬化的甲阶酚醛树脂、脂硬化的甲阶酚醛树脂（碱酚醛树脂）以及胺硬化的尿烷树脂[4]。当今主流砂型3DP喷射用粘结剂为呋喃树脂。本文中呈报的砂型3D打印树脂，是在一种环保型酸固化的改性甲阶树脂基础上开发的，具有以下一系列脾性[5-7]：

1）树脂加入量低，硬化速率更动机动，强度与呋喃树脂十分；

2）环保性好，造型时无刺鼻、辣眼睛的刺激性气息，且浇注后气息极低；

3）具有甲阶酚醛树脂的特质，受热后有二次硬化的脾性；

4）浇注后溃散性好，与呋喃树脂十分；

5）浇注后的旧砂经受2级机械工艺即可再生，硅砂的再生率可达95%以上，宝珠砂、陶粒砂可达98%以上，锻造玄虚股本低。

1.2 改性甲阶酚醛树脂用于砂型3DP打印需具备的特质及干系性能参数

1.2.1 砂型3DP打印工夫工序要求

砂型3ＤP打印的使命旨趣是：领先铺砂器按一定厚度铺一层羼杂了固化剂的型砂，随后使用喷嘴将树脂喷在需要成型的区域让型砂粘结，造成砂型截面，然后升降平台下跌一个层面，铺砂器再一次铺砂，喷头赓续喷射打印，如斯来回，砂子层层堆积得回砂型模子[8]。

与传统锻造造型比拟，砂型3DP成型历程分为铺砂、喷墨打印、砂型起模和计帐砂型几个工序，每个工序历程皆有各自的工夫要乞降难点：

1）铺砂历程要求型砂具有考究的流动性，固化剂的粘度和加入比例要合适；

2）喷墨打印头平常安谧喷射树脂，一方面要求喷头无堵塞、不开胶，另一方面要求树脂的粘度、名义张力等性能参数适度在一定规模内；喷头是打印精密电子器件，为了保证不堵塞喷孔，树脂的白净度短长常要道，杂质颗粒尺寸要适度在微米算作级别；

3）砂型起模要求打印的砂型在一定时候内成立足够强度，树脂在有限的固化剂加入量下大概平常交联反应使砂型硬化；

4）砂型计帐要求名义浮砂较少，容易计帐，这要求适度砂型规模的树脂不向外侵润，树脂加入比例不可过高，砂型名义在一定时候内要实时硬化。

1.2.2 砂型3D打印树脂进犯的性能野心参数

在上述几个工序历程中，喷墨打印和铺砂是砂型打印中两个最要道的工序。对于喷墨打印，砂型3D打印树脂有以下几个要道的性能野心参数：

1）白净度

喷墨打印头是砂型3D打印斥地中的中枢元器件[9]，是一种精密电子器件，树脂实足不成堵塞喷孔，这么对树脂的杂质颗粒尺寸有严格的要求。以当今国内砂型打印机应用最无为的星光1024LA型号喷头为例，单个当然墨滴的体积为80PL，压电腔和喷孔直径为微米级别。为了晋升喷头使用寿命，要根绝物理堵塞喷头的征象发生，应最猛进度晋升树脂墨水的白净度。通过一系列脱落搞定工艺，树脂中最大杂质颗粒尺寸在不错作念到0.1μm~0.5μm以下。经受激光衍射法对3D树脂中的杂质颗粒尺寸进行了检测分析，下图为检测效果：

表1 砂型3D打印树脂杂质颗粒尺寸粒度散播检测效果

图1 砂型3D打印树脂杂质颗粒粒径散播弧线

2）粘度相宜的粘度可确保墨水在墨路内轮回流动顺畅，有意于树脂喷出和墨滴的均匀造成。粘度太小，则墨水内摩擦力小，液滴呈弯月形而产生阻尼回荡，影响喷射速率，且粘度太低的液体有较小的阻尼在高频率喷射时易于吸附空气，而况会由此而产生饱胀的飞沫；粘渡过大，墨水流动性差，且不易造成小液滴，需要较大较大的激发脉冲幅度，而较高的喷射能源会引起转化进而产生相互打扰[10]。

3）名义张力合适的名义张力不错产生梦想体式的液滴，保证墨滴的均匀造成，这可使飞沫减到最少，以及不粘喷头，使喷嘴板上的积墨减到最少，有助于喷墨的始终安谧[10]。

经过多年测验摸索和工艺公关，咱们摸索出妥当当今各主流喷墨打印头的树脂干系性能参数，并进行了现实上机喷墨打印测试。下表为砂型3DP喷射用改性甲阶酚醛树脂的干系性能参数：

表2 砂型3D树脂干系性能参数

铺砂工序要求酸性固化剂加入量必须适度在一定规模内，砂型起模和容易计帐又需要有限的固化剂大概使树脂交联反应，在相宜的时候内设立起一定的砂型强度。为了妥当不同品性的型砂以及多样打印环境温度和湿度等条目，开发了C25-C50等一系列酸度型号的固化剂。表３为砂型3D打印专用系列固化剂的干系性能参数：1.2.3 砂型3D打印专用固化剂的性能要求

表3 砂型3D打印专用固化剂干系性能参数

除了砂型3D打印树脂和固化剂，我公司还开发了3D喷墨打印专用清洗剂，主要因素是环保有机溶剂，经过高纯度工艺搞定，确保了清洗剂白净度达到0.1~0.5微米，保险了对清洗后喷嘴莫得二次堵塞及稠浊。下图是我公司开发的砂型3D打印树脂系列居品：

图2 砂型3D打印树脂系列居品

2 现实应用案例

晶瓷科技砂型3D树脂当今已在国内大大皆主流打印斥地上连气儿打印应用，本文以山东烟台冰轮智能锻造车间的应用案例进行呈报。该公司打印斥地为国内某闻明品牌2500系列，经受营救QE256-80型号喷头。

2.1 测验材料型砂经受彰武联信金荣锻造材料有限公司提供的70/140目硅砂，树脂黏结剂经受我公司改性甲阶酚醛树脂，阐明型砂品性、环境温度和湿度情况选择固化剂经受C25型号。

2.2 测验样式

2.2.1 喷墨测试改性甲阶酚醛树脂较呋喃树脂粘度低，为了保证喷头喷射树脂连接墨、不丢帧，平常安谧握续喷射墨水，上机打印时要从以下几方面更动打印参数：

1) 主负压

喷头要握续安谧喷射墨水，需要墨水前端呈弯新月体式。墨路系统施加的主负压大概使喷嘴产生一个相宜的弯液面液体体式，同期锁住墨水，看重墨水连接从喷孔内流出。主负压大小主要与主墨盒液位到喷头喷嘴板的高度差推测[11]，另一方面要阐明墨水粘度和名义张力情况进行微调。

2)波形参数

砂型3D打印用的喷墨打印头属于压电式喷头，触及到的波形参数包括脉冲电压、脉冲宽度、焚烧频率以及脉冲波数（单波或双波）。波形参数的设立一方面与喷头状况推测，另一方面要阐明树脂的粘度和名义张力进行相宜调治，一般液体的粘度和名义张力跟着温度的加多呈下跌趋势。粘度裁减以后，电压和脉宽不错相宜裁减，脉冲波数不错视喷头情况调治为单波。

下图为打印参数调治合适以后的喷墨打印测试情况：