Advanced process design solutions for sand 3D printing in metal foundries

The growing trend of replacing conventionally made sand moulds and cores with those produced using additive manufacturing is driven by improved production quality and the ability to handle complex designs with ease. This study focuses on the powder-binder jetting (PBJ) process, which involves using a sand mixture containing an acidic activator and a furan-based resin binder. The quantities of sand, activator, and binder significantly influence the quality of the 3D-printed parts (3DP), with potential impacts. This thesis examines the mechanical and thermal behaviour of parts produced using the Exone sand 3D printing machine by developing a comprehensive protocol for experimentation and analysis. By studying specific locations within the job box, an efficient nesting method was developed to streamline production flow and enhance traceability. A structured experimental protocol was established, incorporating a fixed set of measurement points and a consistent sequence of operations for performing Transverse Rupture Strength (TRS) and Heat Distortion Testing (HDT) experiments. Standardized specimen designs and specific nomenclature were introduced to facilitate effective tracking and data management. Preliminary trials evaluated the consistency of the measuring equipment, leading to the development of a reliable protocol for both mechanical and thermal testing. Through a series of experiments, the mechanical properties of printed parts were assessed under various process parameters, focusing on homogeneity, degradation, and hardening tendencies. Key tests included the TRS test to evaluate mechanical integrity and the HDT test to analyse the influence of temperature on the printed parts. Finally, based on the experimental results, this thesis proposes a process design and set of guidelines to maximize the formability potential of sand 3D printing, ensuring efficient and traceable production in metal foundries.

La crescente tendenza a sostituire stampi e anime in sabbia realizzati in modo convenzionale con quelli prodotti utilizzando la produzione additiva è guidata dal miglioramento della qualità della produzione e dalla capacità di gestire con facilità progetti complessi. Questo studio si concentra sul processo Powder-Binder Jetting (PBJ), che prevede l'utilizzo di una miscela di sabbia contenente un attivatore acido e un legante resinoso a base di furano. Le quantità di sabbia, attivatore e legante influenzano in modo significativo la qualità delle parti stampate in 3D (3DP), con potenziali impatti. Questa tesi esamina il comportamento meccanico e termico delle parti prodotte utilizzando la macchina da stampa 3D Exone sand sviluppando un protocollo completo per la sperimentazione e l'analisi. Studiando posizioni specifiche all'interno della casella di lavoro, è stato sviluppato un metodo di annidamento efficiente per semplificare il flusso di produzione e migliorare la tracciabilità. È stato stabilito un protocollo sperimentale strutturato, che incorpora una serie fissa di punti di misurazione e una sequenza coerente di operazioni per eseguire esperimenti di resistenza alla rottura trasversale (TRS) e test di distorsione termica (HDT). Sono stati introdotti progetti di campioni standardizzati e nomenclatura specifica per facilitare il tracciamento e la gestione dei dati efficaci. Le prove preliminari hanno valutato la consistenza delle apparecchiature di misurazione, portando allo sviluppo di un protocollo affidabile per i test meccanici e termici. Attraverso una serie di esperimenti, le proprietà meccaniche delle parti stampate sono state valutate in base a vari parametri di processo, concentrandosi su omogeneità, degradazione e tendenze all'indurimento. I test chiave includevano il test TRS per valutare l'integrità meccanica e il test HDT per analizzare l'influenza della temperatura sulle parti stampate. Infine, sulla base dei risultati sperimentali, questa tesi propone una progettazione del processo e una serie di linee guida per massimizzare il potenziale di formabilità della stampa 3D con sabbia, garantendo una produzione efficiente e tracciabile nelle fonderie di metalli.