利用选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering, SLS)，根据原始CAD模型直接制造出零件，不仅制作周期短，精度高，而且可以快速制造具有复杂表面、可变截面和窄腔的铸造模型^[1]。覆膜砂就是选择性激光烧结常用的3D打印材料之一^[2]。在精密铸造领域其具有很重要的前景^[3]。

在铸造毛坯研发中，3D打印覆膜砂应用较广。酚醛树脂覆膜砂具有优异的性能, 如砂型强度高、发气性低、透气性好、表面光洁等。最重要的是，其所用粘结剂是热塑性酚醛树脂，非常适合激光快速成型过程^[4]。由于3D打印用覆膜砂成本较高，每一次应用之后，废砂失去使用价值直接舍弃，易造成较大环境污染和资源浪费。

为了对普通铸造用覆膜砂旧砂再生技术进行研究，美国成立了旧砂再生与回用委员会，主要负责研究覆膜砂的再生项目；德国B.M.D公司^[5]生产研制出了湿法再生装置，该装置能够与水力清砂配套，其目的在于推广湿法再生技术；意大利FAT公司开发的热再生设备产品可利用燃气、氧气和等离子体远红外线三种热源进行旧砂再生；通过利用热交换器，重庆长江造型材料公司^[6]将旧砂中有机物二次焙烧后进行再生；张江^[7]通过试验采用模拟再生工艺，再生砂中加入10%~20%的新砂，大大提高了再生砂的黏结强度；周云成等^[8]对如何如何利用磨轮再生机提高再生效果进行了研究；唐荣联等人^[9]还研究了一种非火焰直接接触式新型铸造旧砂热法再生系统。

由于3D打印技术在各行业领域内的大量实际应用仅仅是最近几年的事情^[10]，所以对3D打印用砂的回收利用还几乎没有研究。为了降低生产成本，减少旧砂排放对环境造成的污染，提高3D打印用覆膜砂的性能，并填补技术空白，对3D打印旧砂再生工艺进行了研究。

1 实验步骤 1.1 原砂

原砂为宝珠砂，又名电熔陶粒，粒形为球形，由于其热膨胀系数小，利用其配制铸造型砂，铸件不易产生膨胀缺陷；砂粒为球形，流动性良好，且透气性好；砂粒本身表面光滑，结构致密，使得粘结剂能均匀覆盖。图 1所示为覆膜砂，经高温焙烧，树脂被去除，得到原砂宝珠砂，颜色乌黑，亮度较高。利用酚醛树脂、乌洛托品、硬脂酸钙和其它添加剂对宝珠砂覆膜，得到3D打印用覆膜砂。实验选取原砂粒度分布如表 1所示。

1.2 实验过程

1) 将已经经过铸造使用的覆膜砂芯/型等处理后进行研磨焙烧以获得再生原砂，并以其为主要原料制备了再生3D打印覆膜砂；

2) 利用再生砂打印标准强度试样，测试各项性能数据，并同新砂试样进行对比。

1.2.1 覆膜砂酚醛树脂去除

利用马弗炉对废旧覆膜砂进行加热焙烧。加热温度分别取450、550、650、700、750、800与850 ℃；保温时间取5、10、15、20、25与30 min。两组数据分别组合。图 2为焙烧之后的覆膜砂，由于酚醛树脂等的消失，废砂块重新变得松散，并且砂粒微粒呈黑色，有光泽。

1.2.2 再生砂覆膜工艺

利用干热法能够容易获得树脂用量少、最高质量的覆膜砂，且生产效率高。故此试验中采用干热法覆膜。过程如下：

1) 将宝珠砂加热至200 ℃，然后将树脂加入熔融，包覆沙粒，50~60 s；

2) 将砂温降至100 ℃左右，投入乌洛托品水溶液，对树脂进行固化，并吹冷风，40~70 s；

3) 加入硬脂酸钙以提高覆膜砂流动性，20 s；

4) 破碎，筛分，冷却。

1.3 再生砂试样

实验参数设定为激光功率75 W，扫描速度2 500 mm/s, 单层厚度0.3 mm，对再生3D打印用覆膜砂烧结标准强度试样(如图 2所示)，并利用数显式液压万能强度试验仪与智能发气性测定仪分别测定试样的抗拉强度、抗弯强度和再生砂的发气量。

2 实验结果 2.1 焙烧去除树脂

实验结果如表 2所示，随着温度的升高和保温时间的延长，覆膜砂的的总重下降的更多，也就是树脂被去除的更为彻底。表 3中选取较高温度和较长时间下的9个组别，测试了其灼烧减量。当温度高于750 ℃，时间长于30 min时，再生原砂中所含残碳转化为气体，导致总重降低灼烧减量基本不再变化，稳定在0.15%~0.2%，就可以说覆膜砂所含树脂已被去除干净。

2.2 再生砂试样

利用再生覆膜砂制得再生砂试样，如图 3所示。未高温固化试样上下表面较为光滑，但是侧面沙砾有微量脱落，试样底部几层略有分层。经过表面清理并高温固化之后，固化试样表面光滑，满足使用要求。

2.3 再生砂、新砂试样性能对比

对新砂与再生砂试样的性能进行测试，结果如表 4。可以看出，再生砂试样强度皆略低于新砂试样，而发气量方面两者基本相当。这是因为对废旧新砂高温焙烧研磨处理，导致部分宝珠砂破裂，形成尖锐状杂质与细小灰分。在对再生砂试样加压测试时，由于尖锐状杂质的存在，对基体内部部分微观结构上起到了割裂作用，加之灰分混入酚醛树脂内，使得试样强度有所降低。但是，宝珠砂经高温焙烧之后，制得的再生覆膜砂膨胀率下降，因此，利用再生砂制得的覆膜砂芯/型外形尺寸更加容易控制。

3 结论

完成试验并分析结果，得到以下结论：

1) 利用高温焙烧加研磨的方式对废旧3D打印用覆膜砂进行表面树脂去除，随温度的升高和保温时间的延长，覆膜砂的的树脂被去除得更为彻底。当温度高于750 ℃，时间长于30 min时，覆膜砂所含树脂被去除彻底。

2) 利用干热法对再生宝珠砂覆膜以得到再生3D打印覆膜砂。将3D打印设备参数设定为激光功率75 W，扫描速度2 500 mm/s，单层厚度0.3 mm，得到该试验使用的标准强度试样。实验数据表明，再生砂试样的强度等性能指标较为优异，满足实际生产使用要求。