热固性酚醛树脂在铸造3D 打印砂型中的应用

王永恩，刘 轶，周鹏举，王 博

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川 750021）

我国虽为世界第一铸造大国，但生产的铸件质量不高，生产过程中普遍存在能耗高、效率低的问题。

近几年，基于3DP 技术的打印设备在铸造行业开始逐步推广应用，从实验室走向产业化。此类设备使用的粘结剂大多数为呋喃树脂，但采用呋喃树脂成形的砂型强度低，无法满足壳类砂型生产，而且耐高温性能差，不能满足铸钢类铸件的生产。热固性酚醛树脂具有强度高、耐高温性能好的特点，可以很好的代替呋喃树脂，但采用热固性酚醛树脂作为粘结剂的铸造3D 打印砂型需要加热才能固化，因而工作箱中的砂型固化问题是急需解决的技术难点。

微波加热是物料中的水分子吸收微波能后与微波电磁场相互作用的结果。在外加交变电磁场作用下，水分子极化并随外加交变电磁场极性变更而交变取向，众多的极性分子因频繁转向而相互间摩擦损耗，从而使电磁能转化为热能达到烘干效果。

1 微波设备结构

目前国内工业用微波设备干燥加热的常用频率为915MHz 和2450MHz。微波频率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而定。本设备由于是用于砂型的固化，因此选用915MHz 频率，最大可烘干3D 打印设备的工作箱尺寸为（长×宽×高）2200mm×1500mm×700mm。设备总功率100kW，使用1 台大功率工业磁控管，通过波导将微波传输到微波辐射罩中，微波辐射罩通过隔板分开成两部分，每个馈口上安装一个旋转波导，确保微波加热均匀。

此设备由升降输送辊道、微波辐射罩、旋转波导、排风机、磁控管及微波电源等组成，如图1 所示。

图1 微波固化设备

2 微波固化工作过程

第一步，将使用热固性酚醛树脂完成3D 打印的砂型工作箱准运至微波固化辐射罩下方，升降辊道升起，辐射罩与工作箱上沿紧密结合，确保无微波泄露。

第二步，根据工作箱中砂型尺寸设置微波的功率和固化时间。固化时采用脉冲式循环加热方式，并且微波功率逐步减小。微波固化工艺参数设置方法如下：

V——工作箱尺寸（m3）；Q——微波总能量（kW×h）；K——工艺系数（k W×h/m3），K=Q/V（60≤K≤75）。

式中 P——微波功率（kw）；

t——微波固化时间（t=120～300s）；

n——循环次数（30～150）；

注：固化采用的脉冲式值环加热方式，停止微波时间t′控制在20～60s，并且满足5≤t/t′≤8。

第三步，开启微波按照设定工艺参数进行加热固化，同时打开排风机进行排气。

第四步，微波固化结束后将工作箱放置冷却8～24 小时，冷却时间T 可按照下式根据工作箱尺寸调整：

第五步，清理工作箱，取出固化成形的砂型，此时砂温一般在50℃左右。

以尺寸2200mm×1500mm×700mm 的砂型3D 打印工作箱为例，砂型占工作箱的体积约为50%。首先，将3D 打印完毕的工作箱放置在微波固化设备中，开启微波设备开始砂型固化，微波固化工艺参数如下：

第一阶段：功率P1=90kW，t1=300s，t′=60s，n=10；

第二阶段：功率P2=60kW，t1=300s，t′=60s，n=5；

第三阶段：功率P3=30kW，t1=300s，t′=60s，n=5。

以上三个固化步骤连续进行直至结束，然后工作箱放置冷却24 小时后进行清箱取出合格的砂型。

3 微波固化效果

采用热固性酚醛树脂进行3D 打印的砂型通过微波固化后，表面强度比采用呋喃树脂进行3D打印的砂型平均高15%以上，成本低20%。微波固化后的砂型效果如图2 所示。

图2 微波固化后的砂型

4 结论

使用热固性酚醛树脂3D 打印的砂型经过微波加热固化后，解决了热固性酚醛树脂在铸造3D打印砂型中应用的问题。按此工艺方法生产的砂型强度均匀，并提高了砂型强度，降低了生产成本，砂型不会出现局部过烧或未完全固化的现象，彻底解决了热固性酚醛树脂在3D 打印砂型应用中的推广难点，推动了铸造行业绿色高效发展。