论文：通过3D打印改变金属砂模的铸造生产

2020年4月20日，南极熊注意到，最近发表了一篇博士论文，论文研究了在快速铸造厂中通过增材制造（喷射粘合3D打印）生产砂模的功能特性实验和数值表征。

该论文的作者是Saptarshee Mitra ，题目为：“Experimental and numerical characterization of functional properties of sand molds produced by additive manufacturing (3D printing by jet binding) in a fast foundry” ，Mitra致力于混合铸造和改进的制造金属模具的方法分析，以及各打印参数对机械性能的影响。

作者以提高铸造厂的生产为中心，研究了利用3D打印的一些最经典的好处，以完全自动化的方式制造模具，这些好处包括：成本更低，生产时间更快，原型和零件的质量更高。

Mitra说：“由于没有模具成本，因此该工艺特别经济，并且可以考虑使用传统砂型铸造无法制造的复杂几何形状，3D打印机通常比其他附加技术更快，更易于使用且更便宜。也可以制造尺寸非常小的零件非常薄的铸造砂模。现代铸造行业逐渐使用这种混合铸造技术，因为它们使砂模成型变得容易，并且表面光洁度高。”

Mitra论文的目标是制造具有更高刚度和渗透性的金属铸模，最终用于航空航天和汽车行业，从汽车零件到火箭发动机，增材制造工艺都有着显著影响，实现了重要的最终用途零件。

（a）古希腊；青铜雕像铸造，约公元前450年，（b）欧洲早期的铁工厂：约1543年，来自英国的铸铁大炮[4]

Mitra解释说：“砂型铸造是制造业中使用最广泛的金属铸造工艺，几乎所有铸造金属都可以用砂型铸造。砂铸件的尺寸范围从很小到很大。在现代工业中，通过砂型铸造工艺制造的产品中，一些著名的例子是发动机缸体，机床底座，气缸盖，泵壳和阀门。”

金属铸造要求：

●适当的设计
●材料的合适选择
●生产模具和型芯的图案
●铸造工艺的选择
●后处理
●质量控制

Mitra说：“采用粘结剂喷射技术的砂模三维打印（3DP）克服了传统生产方法面临的挑战，例如零件复杂度和尺寸，生产时间和成本（取决于数量和零件复杂度）方面的限制， 对任何可铸造合金的零件设计/设计自由度进行了优化。”

颗粒粘合剂粘结和树脂的示意图

粉末粘结剂喷射工艺

通过燃烧失重（LOI）实验评估粘合剂含量，同时通过标准的三点弯曲试验测量机械强度。 渗透率是通过“给定压力下的样品”中的空气流速来衡量的。

Mitra了解到，模具可以在室温下大量保存，但是样品的渗透性确实会随着温度的升高而降低。

在ExOne 3D打印机上打印配方

3D打印的3PB测试条和磁导率样品

作者还指出，粘合剂的含量会影响模具的强度。

Mitra总结道：“使用X射线μ-CT图像来计算不同粘合剂含量和粒度的3D打印样品的孔隙率，孔径，喉道尺寸和渗透率。 将稳态下预测的磁导率与层状二氧化硅晶粒排列的实验和分析测量结果进行了比较。使用X射线CT表征的主要优点是测试的无损性质。计算出的磁导率可以用作金属铸造数值模拟的输入，从而可以预测宏观缺陷。

涉及的步骤：（a）砂模的3D打印，（b）铁水，（c）铸造过程

（d）与热电偶的相应位置一起腐蚀成型。

编译自：3dprint