3D打印技术是现代工业制造领域迅速发展的新技术。目前，3D打印技术已在铸造成形中逐渐使用，该技术推动了传统铸造技术的发展和革新。
在众多铸造方法中，砂型铸造是最常见的生产方式，通过砂型铸造生产的产品占铸件总量90%以上。在砂型铸造过程中，铸造砂型质量与铸件的质量密切相关，传统的砂型制造方式不仅加工周期长、经济成本高，制作工艺也繁琐，这导致所铸出的产品次品率高、生产效率低下。同时受到加工方法的限制很难加工出形状复杂的砂型结构，使得复杂铸件的生产受到极大的限制。若采用 3D 打印技术，利用分层制造、逐层叠加的方式，可以实现异形、中空、悬臂等复杂结构的加工，极大简化了砂型制造的工艺流程。
目前，利用3D打印快速制备砂型结构，直接制造方式中的激光3D打印更具优势，即通过3D打印的形式对铸造使用的覆膜砂进行分层熔化凝结和叠加成型。该方法利用3D打印技术直接构建铸造砂型，省去了中间制造模型的环节，不仅简化了制造工艺、缩小累积误差，还实现了3D打印技术与铸造行业的无缝衔接。
二、砂型激光3D打印技术的原理
激光3D打印技术是以激光作为热源，控制激光束有选择性地烧结粉末材料并使之熔融粘接在一起快速制造原型的快速制造技术。其技术原理为：首先将产品三维模型转换为STL文件并导入打印系统，铺粉系统先在工作缸中均匀铺一层粉，然后打印系统根据每个截面的信息使激光对粉末选择性地烧结出所需加工的形状，激光热量使粉末中的粘结剂熔化并粘结一起，没有扫描到的部位仍保持粉末状。激光烧结完一层后，工作台将下降一定高度继续铺粉、烧结，如此反复，直至所需产品最终烧结出来。最后，取出烧结件清理干净，并回收未被烧结的覆膜砂，再进行固化等后处理工艺。
粉体性能直接决定激光3D 打印加工和制件性能。粉体粒径和形貌直接影响着其打印制件的性能。若粉体粒径过大，在烧结过程中难以完全融合，会导致烧结制件力学性能较差；同时，由于表面粘附了较多未完全融合的大颗粒，会造成表面粗糙，使打印精度下降。粉体粒径过小时，则颗粒间静电作用较大，使打印过程中铺粉不能正常进行。
在一定范围内，粒径分布越宽的粉体流动性越好，堆积效率越高，越有利于激光3D打印。这是因为粒径分布宽的粉体中小颗粒可以减小大颗粒间的摩擦，同时可以填充在大颗粒间的空隙中使粉末堆积更加紧密。粉体颗粒的几何形状越接近球形，粉体的流动性和堆积密度就越好，成型件的表观质量越高。
激光3D打印技术具有不需要支撑结构、精度高、可以直接制造任意形状的复杂零件等特点，因此该技术在铸造领域能够充分发挥其优势，非常适合砂型铸造。近年来，大批国内外学者针对此技术开展了许多研究工作，并获得了很多的科研成果。
三、激光3D打印用覆膜砂的研究现状
激光3D打印使用的粉体是将原砂、树脂、固化剂和其他添加物混合制成的覆膜砂。覆膜砂因其良好的流动性、砂芯表面质量好等优良性能，广泛应用于铸造生产领域。目前主流覆膜方式是干热覆膜法，是将固态树脂加入到原砂中，由加热熔融树脂，得到覆膜砂粒，该法树脂用量少、覆膜质量高、生产效率高等优点。
当今，激光3D打印可用的原料很多，较成熟的包括金属粉末、PS粉、覆膜砂等。因铸造用覆膜砂的价格实惠，用途广泛，在国内已经得到了大量研究，但是国内在激光3D打印用覆膜砂方面起步较晚，实际应用中存在很多问题。在砂型实际打印过程中通常会出现打印出的强度不足、表面质量差、发气量高等问题。
四、激光3D打印覆膜砂用原材料-石英砂
砂型铸造中覆膜砂主要包含95-99%的石英砂和1-5%的树脂。激光3D打印技术特殊的成形方式与工艺特点，对覆膜砂的粉末特性（石英砂粒度分布、粘结剂种类与含量等）有特殊的要求，如原砂粒度主要影响铸件的强度、透气性和表面精度。
作为砂型铸造用原砂，石英砂资源丰富、价格低廉，能够满足大多铸造性能指标而被广泛地使用。石英砂成分为二氧化硅（SiO2），铸造用石英砂都希望SiO2含量高、粒形好、杂质低，粒度一般在60-150目之间。通常情况下，铸钢用石英砂SiO2含量＞97%；铸铁用石英砂SiO2含量＞85%；非铁合金用石英砂SiO2的含量＞75%。石英砂SiO2纯度越高、杂质含量越低，越容易建立起具有较高附着强度的宽厚粘结桥，提高覆膜砂型的强韧性。
目前作为工业应用的石英矿物资源有石英砂岩、石英岩、粉石英、天然石英砂和脉石英等。在各种石英矿床类型中，石英砂岩受粒度大小、球度、圆度和破碎率等因素制约，基本不适于用作3D打印砂。石英岩的硬度大，破碎加工成本高，杂质提纯困难，缺少粒形和粒度，不能满足对球度、圆度等要求的铸造用石英砂和3D打印砂。粉石英是一种不需要经过机械研磨的高纯度的天然粉末石英，其粒度极细，呈疏松土状，因其粒度过细，不合适用在铸造领域。脉石英几乎是完全由石英单组分组成的石英矿石，通常通过机械粉碎法制备石英砂，得到的石英砂粉体粒径分布较宽，颗粒流动性较差，而且粉体颗粒几何形状不规则，见图1，不适用于3D打印。海滨天然石英砂SiO2含量一般＞98%，储量大、易开采，多呈圆形、次圆形，磨圆度较好，一般为石英单晶形成颗粒，呈松散砂状分布，其粒度主要分布在150-300μm，是加工铸造用石英砂、3D打印砂等产品的理想原料。
图1 脉石英机械粉碎法制备石英砂形貌
同时，天然石英砂粒表面包覆着一层厚度约为１μm、分布不均匀的表面膜。表面膜的存在，不但降低了石英砂的表面能，不利于粘结剂在砂粒表面的铺展，使粘结强度降低，还恶化了型砂的铸造工艺性能。随着化学粘结剂砂工艺的迅速发展，对铸造用石英砂的质量提出了更高的要求，对石英砂进行适当预处理十分必要。戴斌煜等研究了焙烧前后石英砂表面杂质元素变化及树脂砂断口形貌特征，结果表明，高温焙烧可有效去除砂粒表面的杂质，降低石英砂的发气性，改善石英砂的湿润性，有利于形成完整、高强度的粘结桥，使树脂砂的断裂特征从附着断裂向内聚断裂转化，显著提高了树脂砂的强度。
五、结语
激光3D打印用于铸造砂型的直接打印成形，省去传统砂型铸造中的造型、制芯、合型等工序，有效缩短产品制造周期，降低产品生产成本，且特别适用于结构复杂铸造产品的制造。然而，3D打印的耗材的不足，限制了其发展。为更好适应绿色制造的发展理念，利用我国丰富的天然石英砂资源，开发性价优廉的砂型铸造激光3D打印用覆膜砂材料，有助于推动其发展与实际应用推广。
参考来源：
[1] 激光3D打印用覆膜砂制备及成型工艺研究，司晨，中北大学 2018
[2] 我国石英资源概况分析与选矿提纯技术，张凌燕，武汉理工大学 2021
[3] 铸造砂型3D打印技术的对比与应用分析，董莘等，自动化技术与应用 2019
[4] 选择性激光烧结3D打印粉体材料研究进展，甘鑫鹏等，化工新型材料 2020
[5] 3D打印在砂型铸造中的应用及发展现状，李彬等，特种铸造及有色合金 2020
[6] 石英砂高温焙烧提高树脂自硬砂强度的机理，戴斌煜等，特种铸造及有色合金 2017
