喷墨砂型打印技术浅析

2015中国铸造活动周论文集

喷墨砂型打印技术浅析

杨永泉，刘文辉

（一汽铸造有限公司技术中心，吉林长春 130062）

摘要：本文介绍了一种制造砂型的3D打印技术——喷墨砂型打印技术。对其技术及市场情况进行了介绍，对该工艺打印的砂型进行了性能检测分析，利用砂型组芯工艺对发动机铸铁缸体进行了浇注试验，并与激光烧结砂型进行了对比分析。通过检测及试验结果总结了该技术的特点。

关键词：喷墨打印；砂型；铸铁缸体

1 前言

3D打印技术在铸造中的应用主要在快速砂型制造、快速精密原型制造以及快速模具制造及修复等方面。快速砂型制造是通过3D打印工艺装备直接制造砂型，从而省去传统铸造中的模具设计、制造等环节。主要应用在产品研发过程中的单件、小批量铸件生产，可显著缩短产品开发试制的周期，节约模具成本。快速砂型的主要制造工艺有激光选区烧结和喷墨砂型打印两种，喷墨砂型打印工艺相比激光选区烧结工艺起步较晚，但由于其较快的制造速度及较优异的砂型性能，近年来应用范围越来越广泛。

2 喷墨砂型打印技术简介

2.1 技术原理

喷墨砂型打印技术，是喷墨粉体粘接（Ink-Jet Powder Binding）3D打印技术的一种，由德国Generis GmbH（现为voxeljet GmbH）的Ingo Ederer和Hoechsmann Rainer在1998年发明。它与激光选区烧结工艺制造砂型的固化原理最大区别在于，前者是基于覆膜砂的热固化成型特点进行固化，后者采用的是自硬树脂砂的树脂与固化剂的化学反应来进行固化。

喷墨砂型打印的工作原理如图1所示：系统先在工作台上铺一层粉体（粉体为预混固化剂的砂粒）；喷墨打印头根据CAD数据生成的截面形状在粉床上喷出粘接剂（呋喃树脂），打印出一个截面；工作缸下降一个层厚（砂型层厚0.2~0.4mm）；系统不断重复上述步骤，直到完成所有截面的打印；最后固化的砂型从工作缸中取出，去除未固化的多余粉末，得到最终所需的砂型。

图1 砂型喷墨打印工艺示意图

2.2 市场及应用状况

现有voxeljet和EXONE两家公司研发及生产该工艺装备。

Voxeljet公司专注于3D打印技术在工业和商业领域的应用。Voxeljet共有5款3D打印设备，除了为客户提供3D打印设备和耗材之外，还为客户提供复杂模具和模型定制。这些客户集中于汽车、医疗、艺术、电影、科技领域。Voxeljet有一款特色3D打印机VX4000，堪称3D打印机中的巨无霸，具备4000mm ×2000 mm×1000mm的成型体积。官方标称它可以持续24h×7天的不间断工作，且可以批量打印，具备

ExOne公司总部在美国，生产基地在德国奥格斯堡。Exone公司提供两种增材制造系统，分别用来打印砂型和金属零件，技术分别起源于德国的Generis和MIT。砂型的尺寸最大能够做到1800 mm×1000 mm ×700mm，而金属的尺寸能够做到780 mm×400 mm×400mm。在制造设备的同时，ExOne还提供打印服务和解决方案。

以上两家公司在中国均设有代理公司，进行设备的销售并可提供砂型加工和解决方案等服务。

3 喷墨打印砂型性能分析

为了测试喷墨打印砂型的性能，利用该喷墨砂型打印设备加工了八字试样、长条试样、圆柱试样，分别对其型砂的发气量、透气性、强度等常规性能进行了检测。

图2 喷墨打印砂型试样检测

喷墨打印砂型的原材料有石英砂、宝珠砂、锆砂等，本次测试使用的材料为70/100目的硅砂，使用的

树脂为呋喃树脂。检测的发气量、强度、透气性等性能与手工造型使用的呋喃树脂砂性能相当，具体检测

结果见下表1。

表1 喷墨打印砂型性能检测结果

项目发气量（850℃）ml/g 透气性灼烧减量(%) 常温抗弯(MPa)常温抗拉(MPa) 粒度目

平均值9.25 220

1.42

2.8 1.75

70/100 由于前期利用激光烧结砂型进行铸铁件浇注时，因其砂型高温发气性能问题常导致铸件产生气孔缺

陷，所以对喷墨打印砂型进行了高温发气性能检测。

图3 砂型高温发气曲线对比

设置温度985℃，对激光烧结砂型、喷墨打印砂型和自硬呋喃树脂砂型分别进行了检测。激光烧结砂

型的检测试样为使用原材料140/200目覆膜砂所加工的砂型，并进行过二次固化后处理。呋喃树脂砂型的

检测试样为使用原材料70/140目石英砂添加2%呋喃树脂的自硬砂型。如图3所示的发气曲线，喷墨打印

和呋喃树脂砂发气性能非常接近，激光烧结砂芯发气量明显偏高。

利用三维激光扫描设备对喷墨砂型打印工艺制造的发动机缸体砂型进行了尺寸检测，检测结果见下图4。设置尺寸偏差范围为±0.3mm，即图中绿色区域的偏差均在 ±0.3mm以内。冷色系为负偏差范围，暖色系为正偏差范围。由图4中检测结果可看出，砂型的尺寸精度较优异。

图4 喷墨打印发动机缸体砂芯三维扫描尺寸检测结果

4 发动机铸铁缸体浇注

为了验证喷墨打印砂型的铸件浇注特性，选择了一种利用传统工艺已开发成功的铸铁缸体为载体进行了浇注试验，并且与激光烧结砂型进行了对比。铸件的浇注系统设计、砂型的分型工艺方案（见图5）完全与传统工艺相同。

图5 发动机缸体的浇注系统、分型方案

4.1 工艺方案

基于研究载体铸件的结构特点，以及激光烧结砂型和喷墨打印砂型的性能，制定以下三种工艺方案进行对比：

方案一：全部采用喷墨打印砂芯。

方案二：上、下外模采用铸型数控加工，其它采用激光烧结砂芯。

方案三：上、下外模采用铸型数控加工；端面芯、曲轴箱芯采用激光烧结砂芯；水套芯、顶盖芯、上、下油道芯采用喷墨打印砂芯。

图6 方案三中采用喷墨打印的砂芯

4.2 采取的工艺措施

（1）由于激光烧结砂芯的透气性较差，所以对方案二和方案三中的激光烧结砂芯采取了开排气道处理，其中曲轴箱芯进行抽壳后加工，水套芯、顶盖芯在设计中加排气孔后加工出。两件油道芯由于结构原因无法加工出通透的排气孔，只在芯头部位加工了10mm 左右深的小圆孔。

图7 激光烧结砂芯的排气处理方案

（2）在对油道芯、水套芯等薄壁复杂砂芯刷涂料时，翻动砂芯产生过砂芯断裂问题。通过改用水基涂料浸涂解决了此问题，浸涂后放入150℃烘箱烘烤30min 。分析原因为醇基涂料渗入砂芯表层较深，喷墨打印砂芯在吸潮后强度明显下降所导致。

（3）使用空心曲轴箱芯时，曲轴箱的排气孔需要利用石棉网进行了封堵，避免浇注时产生铁水钻芯，如图8所示。

图8 用石棉网对曲轴箱的排气孔进行封堵

4.3 铸件情况

图9 采用三种方案浇注的缸体铸件

采用方案二浇注的铸件（芯子全部激光烧结砂芯）：见图10中红圈所示区域，曲轴箱与油道壁处产生严重气孔缺陷，分析原因为激光烧结的油道芯中间部位产生的气体所致。

图10 采用方案二浇注的铸件

采用方案一和方案三浇注的铸件表面及内部关键位置均无气孔、缩孔、缩松等缺陷，如图11所示。

图11 采用方案一、三浇注的铸件解剖图

4.4 试验结果分析

通过以上试验并结合其它铸件的浇注试验发现，由于激光烧结砂芯的性能问题，在某些铸件的试制过程中如果按照传统的铸造工艺方法往往无法获得合格的铸件。一般需要考虑完善的排气方案，有时甚至需要改变传统的浇注方式才能保证获得合格铸件，而使用喷墨打印砂型则基本不需要。

4.5 喷墨砂型打印技术特点总结

（1）由于其采用化学反应的冷成型原理，所以打印出砂型的初始强度基本达到了最终强度的80%左右，对于复杂薄壁砂型的清理更容易，并且固化过程中基本无变形，砂型尺寸精度较高。

（2）打印粉体采用预混固化剂的铸造型砂，喷墨液体材料采用呋喃树脂，树脂加入量约为1.6%~1.8%。其发气量与透气性等性能和传统呋喃树脂砂铸造工艺基本相同，利用喷墨打印砂型对批产铸件铸造工艺的验证结果更为准确。可适用于多种金属材料的浇注，特别在高熔点合金浇注方面的性能优势显著。

（3）采用宽幅打印头，具有几千到几万个喷嘴，成型速度可达数万立方厘米每小时，打印一套汽车发动机四缸缸体的全部砂型仅需要24h左右。成型尺寸大，最大可达4000mm×2000mm×1000mm，具对较大型铸件的砂型不需要分块打印再粘接，可直接一次成型。

（4）由于其工艺成型特性，可轻松使用粒度较大的砂料，使得打印砂型透气性较好，浇注的铸件不易产生由砂芯排气不畅而产生的缺陷。

5 结束语

喷墨砂型打印技术在砂型的性能、加工速度、成型尺寸等方面已在快速砂型制造领域具有明显的优势。在设备方面，国内采购该工艺装备的价格相比激光烧结工艺装备还明显偏高，在砂型打印技术服务方面，其砂型打印的价格与激光烧结砂型基本相当甚至略低。

相信在未来几年，随着市场的进步以及对铸件新产品开发速度与质量要求的逐渐提升，喷墨打印砂型会占据越来越多砂型快速制造的市场，在铸件新产品试制开发中会发挥越来越大的作用。