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ExOne的新型造型材料配方消除了3D打印铸件的脉纹缺陷

本站原创 2019-4-8 20:31:49 点击 0
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[导读]在3D打印系统中,呋喃树脂对于制造高要求的型芯和铸型是可靠的,但还是存在一些缺点。迄今,几何形状复杂的耐高温铸件采用呋喃树脂砂,铸件外表面和内轮廓的脉纹很难避免。经过持续的开发工作,位于德国格斯特霍芬(Gersthofen)的ExOne公司通过添加剂解决了呋喃树脂砂的脉纹

在3D打印系统中,呋喃树脂对于制造高要求的型芯和铸型是可靠的,但还是存在一些缺点。迄今,几何形状复杂的耐高温铸件采用呋喃树脂砂,铸件外表面和内轮廓的脉纹很难避免。经过持续的开发工作,位于德国格斯特霍芬(Gersthofen)的ExOne公司通过添加剂解决了呋喃树脂砂的脉纹缺陷。

脉纹一直是令人烦恼的问题,不仅铸件内外表面的返工需要复杂的后处理,而且增加了铸件的生产成本。对于许多铸造厂来说,在完成所有的砂芯制备和浇注后,到打箱时出现令人烦恼的缺陷是十分令人失望的。

ExOne就呋喃树脂粘结典型硅砂以及不同添加剂的项目进行了大量的研究。采用呋喃树脂粘结的硅砂和一种矿物添加剂获得了特别令人信服的结果。在实验中由于加入了这种添加剂,呋喃树脂硅砂获得更高的塑性。这就完全避免了浇注耐高温金属材料时在高温应力区处(如铸件内轮廓处)典型的砂芯表面产生破裂。结果,实验的工业项目,典型的工业泵叶轮铸件可以成功铸造,没有任何脉纹的迹象。

原则上,当浇注铸钢件时,造成砂芯表面膨胀的几个因素会同时出现。石英砂的膨胀导致石英转变。高的铸件温度造成石英砂快速转变,导致制好的砂型应力增加。但是硅砂的砂粒和砂粒分布也影响砂型的表面行为,应力的不均匀性导致较高的应力,因为所有的硅砂砂粒都在同一时间经过转变温度。从而,典型型砂的所有成分都具有低的塑性,当浇注高温金属时,砂型表面存在高的压力。浇注后围绕砂芯的金属液造成砂芯表面到砂芯内部的温度梯度,这就解释了铸型基本材料的结构特点。例如硅砂,线性膨胀到大约752 ℉(400 ℃)然后显示一个突然增加,从而造成在可逆变温度范围应力增加。

由于不能通过材料的柔性来补偿这个压力,从而型砂和粘结剂混合物的刚性性能导致砂型和砂芯表面产生裂纹。结果就是型砂和呋喃树脂粘结剂的混合物,即有机粘接的铸型形成了表面裂纹。液体金属流入这些非常细的表面裂纹。二氧化硅在铸型孔隙中膨胀形成裂纹,造成液体金属充入这些形成的裂纹间隙。

随着从砂型中取出铸件,之前表面的裂纹的印痕将会升高,形成凸起的肋状、脉状层。薄的、不规则的金属凸起主要出现在铸型内轮廓或角部、铸件的边角处。

ExOne系列测试的目的就是要避免这些不规则的金属凸起。ExOne研发部非常细致地测试了ExOne所认可的所有可能的石英砂和呋喃树脂粘结剂以及各种添加物的组合,以消除脉纹。

对照FS001砂,具有低堆积密度,较小的膨胀力的精制FS003砂,能减少50%的脉纹,见图1。

 

(a)             (b)              (c)            (d)            (e)

(a) FS001呋喃树脂砂100%脉纹;(b) FS003呋喃树脂砂减少脉纹50%;(c) FS003呋喃树脂砂加2%添加剂减少脉纹90%;(d) FS003呋喃树脂砂加4%添加剂无脉纹;(e) FS054呋喃树脂砂无脉纹

图1  精制FS003砂与FS001砂的对比

当将呋喃树脂和合成砂混合时(F054FS),系列实验中未见到脉纹。对于FS003呋喃树脂砂,当加入2%添加剂时,所造成的脉纹只有通常脉纹的10%。

FS003呋喃树脂砂添加剂从2%增加到4%,即两倍的数量,最终铸件没有脉纹,具有可靠的重复性,效果像呋喃树脂砂FS054一样。


来自《铸造》201902期


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