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沖擊壓實(shí)工藝對(duì)砂型3D打印成形性能影響規(guī)律研究

發(fā)布時(shí)間：2022-05-18

作者：鑄造工程

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編輯導(dǎo)語(yǔ)：設(shè)計(jì)了一種沖擊壓實(shí)鋪粉機(jī)構(gòu)，研究了沖擊壓實(shí)工藝對(duì)砂型3D打印成形精度和強(qiáng)度的影響規(guī)律，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了刮板、輥?zhàn)雍蜎_擊壓實(shí)三種不同鋪粉工藝對(duì)砂型性能的影響，表明沖擊壓實(shí)工藝所打印砂型具有更高的精度和強(qiáng)度，且能夠有效解決鋪砂過(guò)程中的錯(cuò)層問(wèn)題，有效改善鋪砂質(zhì)量。


砂型3D打印技術(shù)是將噴墨打印與傳統(tǒng)樹(shù)脂砂型成形工藝相結(jié)合的一種砂型增材制造技術(shù)，通過(guò)噴頭將樹(shù)脂選擇性的噴附在預(yù)混固化劑的型砂表面，樹(shù)脂與固化劑產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，將型砂粘結(jié)成指定形狀。相對(duì)于傳統(tǒng)造型，砂型打印過(guò)程中需加入更多的樹(shù)脂和固化劑，原因在于傳統(tǒng)造型工藝會(huì)通過(guò)各種方式對(duì)型砂進(jìn)行緊實(shí)作業(yè)，提高緊實(shí)度，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，緊實(shí)度高的砂型所需要的樹(shù)脂和固化劑少。而由于砂型打印過(guò)程中沒(méi)有模具，無(wú)法對(duì)砂型施加整體緊實(shí)載荷，從而導(dǎo)致所需要的樹(shù)脂和固化劑量較多。筆者開(kāi)發(fā)了一種沖擊壓實(shí)鋪砂機(jī)構(gòu)，在鋪砂過(guò)程中對(duì)已鋪砂面進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)，研究了壓縮量和壓實(shí)頻率對(duì)打印樣件性能的影響規(guī)律。




1 沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)工作原理



如圖1所示，筆者研究開(kāi)發(fā)的沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)工作原理為：刮砂板位于鋪砂器上，將鋪砂器內(nèi)落下的型砂鋪平至成形平臺(tái)上，隨后在電磁鐵的作用下壓實(shí)板上下運(yùn)動(dòng)，將現(xiàn)有砂面向下壓縮指定高度，實(shí)現(xiàn)壓實(shí)功能。圖中壓實(shí)板寬度為40 mm，定義壓實(shí)板對(duì)砂面的壓縮深度為壓縮量，壓實(shí)板上下運(yùn)動(dòng)的頻率為壓實(shí)頻率，系統(tǒng)研究了壓縮量和壓實(shí)頻率對(duì)打印樣件尺寸精度、強(qiáng)度等性能的影響。


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(a)原理圖 (b)工程應(yīng)用

圖1 沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)




2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析


試驗(yàn)中型砂目數(shù)為100/200，樹(shù)脂加入量為2.28%，固化劑含量為3‰，層厚為0.5 mm，鋪砂速度40 mm/s，后處理溫度25 ℃，后處理時(shí)間24 h。

利用沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行砂型打印，其打印效果如圖2所示，隨著壓實(shí)頻率的增大，砂面上壓痕逐漸密集。


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(a)頻率1次/s


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(b)頻率4次/s

圖2 沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)打印效果


圖3給出了壓縮量對(duì)打印樣件精度與強(qiáng)度的影響規(guī)律，此時(shí)壓實(shí)頻率為3次/s。從圖3(a)中可以看出，隨著壓縮量從0.05 mm增大到0.4 mm，X方向尺寸誤差最大減小27.1%，Y方向尺寸誤差最大減小32.3%，Z方向尺寸誤差最大減小39.8%。其原因在于，隨著壓縮量的增大，型砂顆粒間孔隙減小，孔隙度減小。根據(jù)文獻(xiàn)可得，隨著型砂顆粒間孔隙的減小，樹(shù)脂在型砂內(nèi)滲透的距離減小，導(dǎo)致尺寸誤差減小。如圖3(b)所示，隨著壓縮量的增大，砂型孔隙度減小3%。同時(shí)，砂型孔隙度的減小意味著緊實(shí)度的提高，進(jìn)而提升砂型強(qiáng)度。如圖3(c)所示，隨著壓縮量從0.05 mm增大到0.4 mm，砂型強(qiáng)度增大14.6%。同時(shí)從圖中數(shù)據(jù)可得，壓縮量對(duì)Z方向的尺寸誤差影響相對(duì)較大，其原因在于沖擊壓實(shí)工藝對(duì)砂型Z方向孔隙度影響較大。
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(a)尺寸誤差


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(b)孔隙度


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(c)抗拉強(qiáng)度


圖3 各壓縮量下的砂型性能


圖4給出了壓實(shí)頻率對(duì)砂型打印樣件精度與強(qiáng)度的影響規(guī)律，此時(shí)壓縮量為0.4 mm。從圖4(a)中可以看出，隨著壓實(shí)頻率從1次/s增大到5次/s，砂型打印樣件的尺寸誤差先減小后增大。原因在于沖擊壓實(shí)工藝對(duì)砂型打印過(guò)程具有兩方面的影響：第一，通過(guò)壓實(shí)提高當(dāng)前層砂面的緊實(shí)度;第二，沖擊作用會(huì)對(duì)已打印砂層造成破壞，從而增大其孔隙度，尤其是在壓實(shí)板邊緣(如圖5所示)。因此沖擊壓實(shí)工藝對(duì)打印樣件性能的影響是兩者綜合作用的結(jié)果，隨著壓實(shí)頻率的升高，壓實(shí)板在單位鋪砂距離內(nèi)的沖擊次數(shù)增多，沖擊破壞作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致型砂孔隙度先減小后增大(如圖4(b))所示，從而造成砂型性能對(duì)應(yīng)變化。從圖4(c)可以看出，隨著壓實(shí)頻率的增大，砂型打印樣件的強(qiáng)度先增大后減小。

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(a)尺寸誤差

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(b)孔隙度

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(c)抗拉強(qiáng)度

圖4 各壓實(shí)頻率下的砂型性能(壓縮量0.4 mm)


同時(shí)從圖中數(shù)據(jù)可得，對(duì)于X、Y方向，當(dāng)壓實(shí)頻率大于2 次/s時(shí)，尺寸誤差開(kāi)始增大;對(duì)于Z方向，則當(dāng)壓實(shí)頻率大于4次/s時(shí)，尺寸誤差開(kāi)始增大。原因在于，Z方向的孔隙度受到壓實(shí)作用的影響相對(duì)更大。


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圖5 沖擊壓實(shí)鋪砂原理圖


為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，實(shí)驗(yàn)研究了壓縮量為0.1 mm時(shí)壓實(shí)頻率對(duì)打印樣件性能的影響(如圖6所示)。從圖中可以看出，隨著壓實(shí)頻率的增大，X、Y方向尺寸誤差變化趨勢(shì)為逐漸增加，Z方向尺寸誤差、孔隙度和砂型強(qiáng)度變化趨勢(shì)與壓縮量為0.4 mm時(shí)的變化趨勢(shì)相同，但后者變化趨勢(shì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的臨界頻率為2 次/s。原因在于相對(duì)于壓縮量為0.4 mm，壓縮量為0.1 mm時(shí)沖擊壓實(shí)工藝對(duì)砂型的壓實(shí)作用較小，隨著壓實(shí)頻率的增大沖擊壓實(shí)工藝對(duì)砂型的影響更多的表現(xiàn)為沖擊破壞作用。

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(a)尺寸誤差

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(b)孔隙度

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(c)抗拉強(qiáng)度

圖6 各壓實(shí)頻率下的砂型性能(壓縮量0.1 mm)


圖7給出了沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)、刮板機(jī)構(gòu)與輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)對(duì)所打印樣件性能的對(duì)比，此時(shí)沖擊壓實(shí)工藝壓縮量為0.4 mm，壓實(shí)頻率為3次/s。從圖7(a)、7(b)中可以看出，三種機(jī)構(gòu)中沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)打印樣件尺寸精度和強(qiáng)度相對(duì)較高，與刮板機(jī)構(gòu)相比，沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)打印樣件尺寸誤差X方向減小34.3%，Y方向減小22.3%，Z方向減小42.5%，強(qiáng)度增大19.3%。原因在于相對(duì)于刮板機(jī)構(gòu)沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)打印樣件型砂孔隙度減小3.9%(如圖7(c))。


上述研究結(jié)果表明，當(dāng)壓縮量為0.4 mm，壓實(shí)頻率為2次/s時(shí)，當(dāng)前工況下，3D打印砂型具有最優(yōu)的尺寸精度和抗拉強(qiáng)度。

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(a)尺寸誤差

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(b)孔隙度

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(c)抗拉強(qiáng)度

圖7 不同鋪粉機(jī)構(gòu)下的砂型性能



3 “錯(cuò)層”現(xiàn)象


砂型打印過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)“錯(cuò)層”現(xiàn)象，表現(xiàn)為在鋪砂過(guò)程中移動(dòng)的型砂破壞已打印砂面，如圖8所示。出現(xiàn)“錯(cuò)層”現(xiàn)象的原因在于鋪砂過(guò)程中已打印砂面受到的摩擦力超過(guò)了自身強(qiáng)度，導(dǎo)致砂面破壞。設(shè)已打印砂面受到的摩擦力為f摩，則f摩的大小受到鋪粉機(jī)構(gòu)形狀的影響，當(dāng)前鋪粉結(jié)構(gòu)以刮板和輥?zhàn)訛橹?，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。


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圖8 錯(cuò)層現(xiàn)象


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(a)輥?zhàn)?/span>


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(b)刮板

圖9 當(dāng)前鋪粉結(jié)構(gòu)示意圖


圖9(a)給出了使用輥?zhàn)愉伔蹤C(jī)構(gòu)鋪砂過(guò)程中已打印砂面的受力示意圖。根據(jù)圖9(a)，f摩可以表示為：


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式中，μ為鋪粉結(jié)構(gòu)與型砂之間的摩擦力系數(shù)(無(wú)量綱)，θ為鋪粉結(jié)構(gòu)與砂面夾角(rad)，g為重力加速度(m/s2);F移為移動(dòng)型砂所受到的鋪粉結(jié)構(gòu)推力(N)，其大小由鋪砂器移動(dòng)速度決定;m堆為鋪粉結(jié)構(gòu)前堆積型砂質(zhì)量(kg)，其大小由單次鋪砂過(guò)程中鋪砂器的下砂量決定;l為鋪粉機(jī)構(gòu)與已打印砂面之間的距離(m)，當(dāng)鋪粉結(jié)構(gòu)為刮板式和輥?zhàn)邮綍r(shí)，l等于層厚t(mm)。


鋪粉結(jié)構(gòu)推動(dòng)型砂過(guò)程中所產(chǎn)生的載荷并不直接作用于已打印砂面，而是通過(guò)厚度為l的型砂層進(jìn)行傳遞，最終傳遞到已打印砂面的載荷隨著厚度l的增大而減小，其原理類似于流體力學(xué)中的剪切力，其傳遞特性由流體的粘度決定。文中假設(shè)型砂移動(dòng)中所產(chǎn)生的載荷隨著厚度l的增大而線性遞減，從而得到已打印砂面所受到的摩擦力如式(1)。

當(dāng)鋪粉結(jié)構(gòu)為刮板式時(shí)，θ為90°，已打印砂面所受到的摩擦力為：


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當(dāng)采用沖擊壓實(shí)鋪粉結(jié)構(gòu)時(shí)，鋪粉結(jié)構(gòu)與已打印砂面之間的距離為層厚與壓縮量之和，即：


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式中Δl為壓縮量，則已打印砂面此時(shí)所受摩擦力為：


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對(duì)比式(2)、式(3)和式(4)可得，使用沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鋪砂時(shí)，已打印砂面所受摩擦力相對(duì)較小，同時(shí)由于沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)的壓實(shí)作用能夠提高砂型強(qiáng)度，因此使用沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行鋪砂能夠有效改善“錯(cuò)層”現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)樹(shù)脂加入量為2.28%，固化劑加入量為3‰，層厚為0.5 mm，鋪砂速度為40 mm/s，壓縮量為0.2 mm時(shí)，錯(cuò)層現(xiàn)象得到解決，其鋪砂效果如圖10所示。


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圖10 沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)鋪砂質(zhì)量


4 結(jié)論


(1)沖擊壓實(shí)工藝對(duì)砂型性能有兩方面的影響，壓實(shí)作用和沖擊破壞作用。隨著壓縮量的增大，壓實(shí)作用增強(qiáng)，砂型孔隙度減小，對(duì)應(yīng)尺寸誤差減小，其強(qiáng)度升高;隨著壓實(shí)頻率的增大，沖擊破壞作用逐漸增大，砂型孔隙度先減小后增大，尺寸誤差先減小后增大，強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)壓縮量為0.4 mm，壓實(shí)頻率為2 次/s時(shí)，當(dāng)前工況下，3D打印砂型具有最優(yōu)的尺寸精度和抗拉強(qiáng)度。

(2)與刮板和輥?zhàn)愉伔蹤C(jī)構(gòu)相比，沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)打印樣件孔隙度相對(duì)較小，因而強(qiáng)度和精度相對(duì)較高。沖擊壓實(shí)機(jī)構(gòu)鋪砂過(guò)程中對(duì)已打印砂面的摩擦力相對(duì)較小，同時(shí)壓實(shí)作用能夠增大已打印砂面自身強(qiáng)度，從而有效改善砂型3D打印過(guò)程中的“錯(cuò)層”問(wèn)題。當(dāng)樹(shù)脂加入量為2.28%，固化劑加入量為3‰，層厚為0.5 mm，鋪砂速度為40 mm/s，壓縮量為0.2 mm時(shí)，錯(cuò)層現(xiàn)象得到改善。



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