激光3D打印用覆膜砂制备及成型工艺研究

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本文基于激光3D打印技术特殊的成形方式与工艺特点,针对激光烧结件初始强度低,在清粉、转移过程中的易断裂或缺损等问题,采用两种热塑性酚醛树脂PF-1904、PFR-1350按1:1比例混合作为粘结剂,对适用于激光3D打印技术的覆膜砂制备工艺以及选区激光烧结工艺做了较为系统地研究。采用70/140目水洗硅砂,经过一系列初步实验,确定了影响覆膜砂性能的主要工艺因素有原砂温度、酚醛树脂含量、加入固化剂时混料温度、加入固化剂后混砂时间等。通过正交试验对覆膜全过程进行分析和优化,结果表明,各工艺参数对覆膜砂性能的影响为:树脂含量>原砂温度>加固化剂时混料温度>加固化剂后混砂时间,获得了最佳覆膜工艺参数组合为:原砂温度180℃、树脂含量3wt.%,加入固化剂时混料温度110℃,加入固化剂后混砂35s,且常温抗拉强度达到3.6MPa,发气量18ml/g,完全能够达到铸造生产要求。此外,在达到技术指标以及强度符合使用要求的前提下,宝珠砂覆膜砂树脂含量仅为2wt.%,且发气量明显降低。与硅砂覆膜砂相比,宝珠砂覆膜砂烧结件的综合性能明显提高,尤其适用于成型复杂细薄零件的铸造用砂型(芯)。本文使用中北大学自主研制的SLS-500点扫描激光快速成型机,采用正交试验方法对覆膜砂选区激光烧结成型工艺参数进行了系统地研究。通过正交试验的极差分析发现,烧结工艺参数对覆膜砂的烧结特性影响程度大小为:激光功率>扫描距离>扫描速度>铺粉层厚,最佳的烧结覆膜砂工艺参数为:激光功率24w,扫描速度1400mm/s,扫描间距0.20mm,铺粉层厚度0.30mm。经实验验证,在此最佳烧结工艺参数下烧结试样的初始常温抗拉强度达到0.62MPa。对烧结件的后处理工艺进行试验研究发现,当保温温度220℃、保温时长15min时,烧结试样常温抗拉强度可以达到3.5MPa以上,能够满足铸造过程的使用要求。
摘要第4-5页
abstract第5-6页
1 绪论第9-19页
    1.1 研究背景及意义第9-11页
    1.2 选区激光烧结(SLS)技术的研究现状第11-13页
    1.3 激光3D打印用覆膜砂国内外研究现状第13-15页
    1.4 激光3D打印工艺参数研究现状第15-17页
    1.5 本课题研究的主要内容第17-19页
2 激光3D打印用覆膜砂制备技术研究第19-46页
    2.1 覆膜砂生产工艺第20-22页
    2.2 覆膜砂的固化反应机理第22-23页
    2.3 激光3D打印用覆膜砂原材料第23-31页
        2.3.1 原砂第24-28页
        2.3.2 粘结剂第28-29页
        2.3.3 固化剂第29-30页
        2.3.4 润滑剂第30-31页
    2.4 激光3D打印用覆膜砂材料的制备第31-40页
        2.4.1 覆膜砂的基本成分配比及制备方法第31-32页
        2.4.2 试样的制备与测定第32-33页
        2.4.3 实验设备第33-34页
        2.4.4 覆膜砂制备正交试验方案设计第34-35页
        2.4.5 实验结果第35-36页
        2.4.6 各工艺参数对覆膜砂性能的影响及优化结果第36-38页
        2.4.7 粘结剂成分配比对覆膜砂烧结性能的影响第38-40页
    2.5 发气量检验第40-41页
    2.6 扫描电镜分析(SEM)第41-43页
    2.7 宝珠砂覆膜砂第43-45页
    2.8 本章小结第45-46页
3 覆膜砂激光3D打印成形工艺研究第46-63页
    3.1 激光3D打印成型原理第46-48页
    3.2 激光3D打印覆膜砂的粘结机理第48-50页
    3.3 实验设备第50-51页
    3.4 覆膜砂的选区激光烧结实验第51-54页
        3.4.1 STL数据格式的预处理第51-53页
        3.4.2 实验方案第53-54页
    3.5 实验结果与分析第54-55页
    3.6 覆膜砂激光3D打印成形工艺参数优化分析第55-60页
    3.7 覆膜砂烧结缺陷第60-61页
    3.8 本章小结第61-63页
4 覆膜砂激光3D打印成形件后处理工艺优化第63-70页
    4.1 实验方案及结果第64-65页
    4.2 实验结果分析第65-67页
    4.3 复杂砂型(芯)的激光3D打印应用实例第67-69页
    4.4 本章小结第69-70页
5 结论第70-71页
参考文献第71-76页
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果第76-77页
致谢第77-78页
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