摘要：随着工业领域对复杂、薄壁、轻量化铸件的需求激增，砂型3D打印技术凭借其无需模具、高设计自由度的优势，成为铸造行业的“明星技术”。然而，传统工艺中树脂和固化剂用量过高会导致砂型发气量增加、成本上升，而打印层厚不合理可能影响砂型强度与效率。如何在保证性能的同时降低
导读
太原理工大学团队通过优化砂型3D打印工艺，成功制备出高强度、低发气量的薄壁叶轮铸件，为复杂铸件生产提供新思路！
随着工业领域对复杂、薄壁、轻量化铸件的需求激增，砂型3D打印技术凭借其无需模具、高设计自由度的优势，成为铸造行业的“明星技术”。然而，传统工艺中树脂和固化剂用量过高会导致砂型发气量增加、成本上升，而打印层厚不合理可能影响砂型强度与效率。如何在保证性能的同时降低材料消耗，成为行业痛点。太原理工大学联合多家企业，聚焦砂型3D打印工艺优化，通过科学方法破解这一难题，为航空航天、汽车等领域的精密铸件生产提供技术支撑。
【文章来源及内容】
本文由太原理工大学材料科学与工程学院艾雨蒙、游志勇团队联合康硕（山西）智能制造有限公司、沈阳铸造研究所共同完成，题为《基于砂型3D打印成形工艺优化制备薄壁叶轮铸件》，发表于《特种铸造及有色合金》2025年第2期。研究采用Box-Behnken响应面法，以树脂喷墨量、固化剂加入量和打印层厚为变量，优化砂型抗拉强度和发气量，并通过数值模拟与低压铸造验证工艺效果。结果显示，优化后的砂型抗拉强度达2.14 MPa，发气量降低至8.92 mL/g，成功试制的叶轮铸件轮廓清晰、无缺陷，为复杂铸件的高效生产提供了可靠方案。
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【研究亮点】
采用Box-Behnken响应面法，试验次数比传统正交试验减少37%，显著缩短研发周期。 树脂和固化剂用量分别降低5.88%和30%，打印层厚增加0.05 mm，效率提升16.7%。试制叶轮铸件尺寸精度达±0.9 mm，表面光洁无气孔，满足DCTG6公差要求。优化模型可推广至其他复杂铸件的砂型制备，助力行业降本增效。
【研究方法】
使用硅砂、3D打印呋喃树脂和固化剂作为原材料，其性能指标见表1至表3。采用ExOne S-Max Pro打印机，成形尺寸为1 800 mm×1 000 mm×700 mm，分辨率为400 dpi，层厚0.20~0.50 mm。砂型抗拉强度和发气量分别用SWY-B数显液压强度试验机和GET-Ⅲ智能发气性测试仪检测。
确定砂型3D打印工艺参数，以树脂喷墨量、固化剂加入量和打印层厚为变量，抗拉强度和发气量为性能响应。通过Box-Behnken试验设计，优化工艺参数。打印“8”字试块，性能测试按GB/T 2684-2009标准执行。
选用薄壁叶轮铸件验证3D打印砂型工艺优化，铸件尺寸为318 mm×318 mm×124 mm，壁厚不均，结构复杂。材质为ZL101A合金，采用砂型低压铸造。浇注系统设计以优化铸件品质，叶轮3D打印铸造工艺见图1。
图1叶轮3D打印铸造工艺
【全文解读】
BBD（Box-Behnken响应面法）试验次数随机进行，参数变量对应的性能响应结果见表5，对性能测试结果通过ANOVA（变量分析）功能进行二阶模型的拟合，建立工艺参数的预测模型；通过分析方差和显著性来检验模型的拟合精度，分析响应曲面研究各工艺参数对性能的影响；通过Numerical功能模拟预测最优的工艺参数组合，最后进行实际生产验证优化结果。
1抗拉强度的响应面分析
表6展示了抗拉强度的方差分析结果，模型P值远小于0.005，F值为56.68，表明模型显著；失拟项P值为0.5055，F值为0.9256，失拟不显著，说明试验结果可靠，可用模型预测。表5中R2值为0.9865，实测值和预测值拟合度高；RAdj2值为0.9691，模型对4%内变化无法解释；变异系数Cv为2.58%，试验结果可靠。因此，响应面法建立的二阶模型可用于解释和预测拉伸强度。通过优化试验设计软件拟合表6数据，得出抗拉强度的回归方程。模型生成的等高线和响应曲面图（图2和图3）直观展示了工艺参数交互效应对抗拉强度的影响。图2a显示，在打印层厚0.35 mm，固化剂0.30%的条件下，抗拉强度随树脂喷墨量增加而提高；图2b表明，在固化剂0.30%，树脂喷墨量1.50%的条件下，抗拉强度随打印层厚减小提高速度慢于随树脂喷墨量增加；图2c显示，在树脂喷墨量1.50%，打印层厚0.35 mm的条件下，抗拉强度随固化剂增加略有下降。图3显示，树脂喷墨量和打印层厚组合的等高线最接近椭圆形，表明这两者对抗拉强度的交互效应最显著。打印砂型的抗拉强度主要由砂粒之间的粘结桥提供，树脂含量增加时，粘结桥数量和比表面积增大，因此抗拉强度与树脂喷墨量呈正相关。打印层厚影响树脂在砂层之间的扩散行为，导致抗拉强度随层厚增加而降低。固化剂主要影响固化反应进程，但因试验的“8”字试块经过烘干处理并放置24小时测试，固化剂含量对抗拉强度的影响效果不显著。
图2抗拉强度的响应曲面图
图3抗拉强度的等高线图
2发气量的响应面分析
表7显示了发气量方差分析结果。模型P值小于0.0001，F值为564.2，表明模型非常显著；失拟项P值为0.3245，F值为1.59，失拟项不显著，模型适用于预测。R2和Adj2分别为0.9986和0.9969，变异系数Cv为0.849%，表明模型可靠，可用于准确预测发气量。通过优化试验设计软件拟合表7数据，建立回归模型，绘制发气量等高线和响应曲面图（图4和图5）。图4a显示树脂喷墨量对发气量影响显著，图4b和图4c表明打印层厚变化对发气量影响微弱。图5分析表明，树脂喷墨量和固化剂加入量的参数组合对发气量影响最显著。打印砂型的发气量与铸件气孔倾向密切相关。呋喃树脂受热分解产生气体，树脂含量越高，发气量越大。固化剂提供酸性环境，增加固化剂含量会加快气体释放。因此，树脂喷墨量和固化剂加入量对发气量影响显著。打印层厚间接影响型砂中树脂含量，主要影响表面粗糙度和强度，对发气量影响不显著。
图4发气量的响应曲面图
图5发气量的等高线图
3参数优化与性能预测
在实际生产过程中，铸造砂型性能的优劣对铸件成形质量的高低起到重要的影响。因此，3D打印砂型在满足高强度的同时需要有低的发气量，并且能够在降低原材料消耗量的同时可以提高打印效率。基于响应面法对打印砂型性能分析的基础上，采用优化试验设计软件中的Numerical功能来优化参数并进行性能预测，结果见表8。尽管优化前的抗拉强度要高于优化后，但是，在满足性能使用要求的前提下，优化后的原材料消耗量得到减少，打印层厚的增加也提高了打印效率，因此，优化后的参数可以应用于3D打印砂型的实际生产。为方便实际操作，调整树脂喷墨量为1.44%，固化剂加入量为0.21%，打印层厚为0.30 mm，在该条件下打印“8”字试块，测试得到抗拉强度为2.14 MPa，发气量为8.92 mL/g，与优化模型的预测值相近，说明Box-Behnken响应面法能够对砂型3D打印成形工艺进行优化处理。
43D打印成形工艺优化验证
为了验证3D打印砂型成形工艺优化设计的合理性，选用薄壁叶轮铸件作为验证对象，打印叶轮的砂型并浇注铸件。叶轮的型芯设计和内腔打印砂芯结果见图6。砂芯一体化成形，尺寸精度控制在±0.015%。型芯在搬运、组型以及浇注过程中没有出现断芯的现象。由于叶轮铸件的壁厚差异大，在浇注前用火器对砂芯进行烘烤处理，浇注温度控制在745 ℃左右，保压压力为38 kPa，增强对薄壁部位的补缩，保证金属液充满铸型型腔。试制的叶轮铸件经过精整处理后见图7，可见表面光洁、叶片成形完整。铸件质量成形检测见图8。可以看出，铸件关键部位未发现孔洞类铸造缺陷。铸件非加工面的尺寸精度控制在±0.9 mm范围内，达到DCTG6尺寸公差要求。
图6叶轮铸件3D打印砂芯结构设计
图7叶轮铸件实物
图8铸件成形质量检测
【主要结论】
1. 树脂喷墨量是影响砂型性能的核心因素，需在强度与发气量间平衡。
2. 响应面法可高效优化多参数交互作用，降低试验成本。
3. 优化工艺下，薄壁叶轮铸件质量达标，验证了砂型3D打印技术的工程可行性。
【引用格式】
中文：艾雨蒙，游志勇，刘世龙，等. 基于砂型3D打印成形工艺优化制备薄壁叶轮铸件［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（2）：221-227.
英文：AI Y M, YOU Z Y, LIU S L, et al. Manufacturing of thin-walled impeller based on optimization of sand mold 3D printing forming process［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2025, 45(2): 221-227.
扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。
编辑/排版：江姗
校对：刘晨辉
审核：张正贺
来源：特铸杂志
