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沖擊壓實工藝對砂型3D打印成形性能影響規(guī)律研究

發(fā)布時間：2022-05-18

作者：鑄造工程

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編輯導(dǎo)語：設(shè)計了一種沖擊壓實鋪粉機構(gòu)，研究了沖擊壓實工藝對砂型3D打印成形精度和強度的影響規(guī)律，通過理論和實驗對比分析了刮板、輥子和沖擊壓實三種不同鋪粉工藝對砂型性能的影響，表明沖擊壓實工藝所打印砂型具有更高的精度和強度，且能夠有效解決鋪砂過程中的錯層問題，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)，通過噴頭將樹脂選擇性的噴附在預(yù)混固化劑的型砂表面，樹脂與固化劑產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，將型砂粘結(jié)成指定形狀。相對于傳統(tǒng)造型，砂型打印過程中需加入更多的樹脂和固化劑，原因在于傳統(tǒng)造型工藝會通過各種方式對型砂進行緊實作業(yè)，提高緊實度，在滿足強度要求的前提下，緊實度高的砂型所需要的樹脂和固化劑少。而由于砂型打印過程中沒有模具，無法對砂型施加整體緊實載荷，從而導(dǎo)致所需要的樹脂和固化劑量較多。筆者開發(fā)了一種沖擊壓實鋪砂機構(gòu)，在鋪砂過程中對已鋪砂面進行壓實作業(yè)，研究了壓縮量和壓實頻率對打印樣件性能的影響規(guī)律。




1 沖擊壓實機構(gòu)工作原理



如圖1所示，筆者研究開發(fā)的沖擊壓實機構(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上，隨后在電磁鐵的作用下壓實板上下運動，將現(xiàn)有砂面向下壓縮指定高度，實現(xiàn)壓實功能。圖中壓實板寬度為40 mm，定義壓實板對砂面的壓縮深度為壓縮量，壓實板上下運動的頻率為壓實頻率，系統(tǒng)研究了壓縮量和壓實頻率對打印樣件尺寸精度、強度等性能的影響。


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(a)原理圖 (b)工程應(yīng)用

圖1 沖擊壓實機構(gòu)




2 實驗結(jié)果與分析


試驗中型砂目數(shù)為100/200，樹脂加入量為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 ℃，后處理時間24 h。

利用沖擊壓實機構(gòu)進行砂型打印，其打印效果如圖2所示，隨著壓實頻率的增大，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 沖擊壓實機構(gòu)打印效果


圖3給出了壓縮量對打印樣件精度與強度的影響規(guī)律，此時壓實頻率為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)文獻可得，隨著型砂顆粒間孔隙的減小，樹脂在型砂內(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，砂型孔隙度的減小意味著緊實度的提高，進而提升砂型強度。如圖3(c)所示，隨著壓縮量從0.05 mm增大到0.4 mm，砂型強度增大14.6%。同時從圖中數(shù)據(jù)可得，壓縮量對Z方向的尺寸誤差影響相對較大，其原因在于沖擊壓實工藝對砂型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)抗拉強度


圖3 各壓縮量下的砂型性能


圖4給出了壓實頻率對砂型打印樣件精度與強度的影響規(guī)律，此時壓縮量為0.4 mm。從圖4(a)中可以看出，隨著壓實頻率從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。原因在于沖擊壓實工藝對砂型打印過程具有兩方面的影響：第一，通過壓實提高當前層砂面的緊實度;第二，沖擊作用會對已打印砂層造成破壞，從而增大其孔隙度，尤其是在壓實板邊緣(如圖5所示)。因此沖擊壓實工藝對打印樣件性能的影響是兩者綜合作用的結(jié)果，隨著壓實頻率的升高，壓實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，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應(yīng)變化。從圖4(c)可以看出，隨著壓實頻率的增大，砂型打印樣件的強度先增大后減小。

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(a)尺寸誤差

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(b)孔隙度

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(c)抗拉強度

圖4 各壓實頻率下的砂型性能(壓縮量0.4 mm)


同時從圖中數(shù)據(jù)可得，對于X、Y方向，當壓實頻率大于2 次/s時，尺寸誤差開始增大;對于Z方向，則當壓實頻率大于4次/s時，尺寸誤差開始增大。原因在于，Z方向的孔隙度受到壓實作用的影響相對更大。


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圖5 沖擊壓實鋪砂原理圖


為了進一步驗證上述結(jié)論，實驗研究了壓縮量為0.1 mm時壓實頻率對打印樣件性能的影響(如圖6所示)。從圖中可以看出，隨著壓實頻率的增大，X、Y方向尺寸誤差變化趨勢為逐漸增加，Z方向尺寸誤差、孔隙度和砂型強度變化趨勢與壓縮量為0.4 mm時的變化趨勢相同，但后者變化趨勢出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的臨界頻率為2 次/s。原因在于相對于壓縮量為0.4 mm，壓縮量為0.1 mm時沖擊壓實工藝對砂型的壓實作用較小，隨著壓實頻率的增大沖擊壓實工藝對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)抗拉強度

圖6 各壓實頻率下的砂型性能(壓縮量0.1 mm)


圖7給出了沖擊壓實機構(gòu)、刮板機構(gòu)與輥子機構(gòu)對所打印樣件性能的對比，此時沖擊壓實工藝壓縮量為0.4 mm，壓實頻率為3次/s。從圖7(a)、7(b)中可以看出，三種機構(gòu)中沖擊壓實機構(gòu)打印樣件尺寸精度和強度相對較高，與刮板機構(gòu)相比，沖擊壓實機構(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%，強度增大19.3%。原因在于相對于刮板機構(gòu)沖擊壓實機構(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，當壓縮量為0.4 mm，壓實頻率為2次/s時，當前工況下，3D打印砂型具有最優(yōu)的尺寸精度和抗拉強度。

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(a)尺寸誤差

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(b)孔隙度

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(c)抗拉強度

圖7 不同鋪粉機構(gòu)下的砂型性能



3 “錯層”現(xiàn)象


砂型打印過程中經(jīng)常出現(xiàn)“錯層”現(xiàn)象，表現(xiàn)為在鋪砂過程中移動的型砂破壞已打印砂面，如圖8所示。出現(xiàn)“錯層”現(xiàn)象的原因在于鋪砂過程中已打印砂面受到的摩擦力超過了自身強度，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構(gòu)形狀的影響，當前鋪粉結(jié)構(gòu)以刮板和輥子為主，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。


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圖8 錯層現(xiàn)象


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(a)輥子


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(b)刮板

圖9 當前鋪粉結(jié)構(gòu)示意圖


圖9(a)給出了使用輥子鋪粉機構(gòu)鋪砂過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移為移動型砂所受到的鋪粉結(jié)構(gòu)推力(N)，其大小由鋪砂器移動速度決定;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程中鋪砂器的下砂量決定;l為鋪粉機構(gòu)與已打印砂面之間的距離(m)，當鋪粉結(jié)構(gòu)為刮板式和輥子式時，l等于層厚t(mm)。


鋪粉結(jié)構(gòu)推動型砂過程中所產(chǎn)生的載荷并不直接作用于已打印砂面，而是通過厚度為l的型砂層進行傳遞，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)。

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


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當采用沖擊壓實鋪粉結(jié)構(gòu)時，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，則已打印砂面此時所受摩擦力為：


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對比式(2)、式(3)和式(4)可得，使用沖擊壓實機構(gòu)進行鋪砂時，已打印砂面所受摩擦力相對較小，同時由于沖擊壓實機構(gòu)的壓實作用能夠提高砂型強度，因此使用沖擊壓實機構(gòu)進行鋪砂能夠有效改善“錯層”現(xiàn)象。

實驗結(jié)果表明，當樹脂加入量為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，錯層現(xiàn)象得到解決，其鋪砂效果如圖10所示。


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圖10 沖擊壓實機構(gòu)鋪砂質(zhì)量


4 結(jié)論


(1)沖擊壓實工藝對砂型性能有兩方面的影響，壓實作用和沖擊破壞作用。隨著壓縮量的增大，壓實作用增強，砂型孔隙度減小，對應(yīng)尺寸誤差減小，其強度升高;隨著壓實頻率的增大，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，強度先增大后減小。當壓縮量為0.4 mm，壓實頻率為2 次/s時，當前工況下，3D打印砂型具有最優(yōu)的尺寸精度和抗拉強度。

(2)與刮板和輥子鋪粉機構(gòu)相比，沖擊壓實機構(gòu)打印樣件孔隙度相對較小，因而強度和精度相對較高。沖擊壓實機構(gòu)鋪砂過程中對已打印砂面的摩擦力相對較小，同時壓實作用能夠增大已打印砂面自身強度，從而有效改善砂型3D打印過程中的“錯層”問題。當樹脂加入量為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，錯層現(xiàn)象得到改善。



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