夜雨聆风
为降低铸造与机加工废品率、开发环保型粘结剂，砂芯设计与制芯生产技术正迎来快速革新。
过去二十年间，用于型腔充型仿真的模拟软件取得长足发展，可精准计算金属液充型流速，以此减少金属液飞溅、二次氧化、气孔痕、冷隔等各类损害铸件性能的缺陷。当前，铸造行业正加速迭代新一代砂芯设计与制芯生产技术。
以往芯盒设计完全依托现场经验。百年来铸造从业者的研究重心始终放在冶金领域，而关于芯盒结构设计、排气原理、砂芯质量管控等制芯工艺相关的文献资料却十分匮乏。
工装模具设计发展趋势
酚醛聚氨酯冷芯盒树脂（PUCB）于 20 世纪 60 年代末问世，梳理自此之后的模具设计发展历程，有助于厘清当下行业发展趋势。
20 世纪 70 年代是冷芯工艺规模化落地的起步阶段。彼时行业投入大量资金，将大量壳芯、热芯、水玻璃粘结砂芯生产线改造为酚醛聚氨酯冷芯工艺。该工艺凭借超高生产效率、单件砂芯制造成本更低的优势，创造了显著经济效益。
整个 80 年代，冷芯工艺实现迅猛发展：二氧化硫固化丙烯酸环氧树脂、酯固化碱性酚醛树脂等新型工艺相继推出，酚醛聚氨酯冷芯体系也持续优化升级。设备厂商配套推出适配冷芯工艺的气体发生装置、制芯设备与废气洗涤净化设备。
随着 70 年代挖掘的经济效益提升空间逐渐收窄，行业研究重心转向各类粘结剂的化学组分变化规律，以及射砂、吹气固化过程的流体物理机理。行业针对工装模具设计开展大量研究，并形成标准化设计规范，帮助制芯企业落地新工艺、压缩生产成本。相关规范陆续刊登于美国铸造学会会刊（AFS Transactions），多家行业原料供应商也发布了配套技术手册。
进入 90 年代，高产能冷芯工艺门槛大幅降低，各类规模铸造厂均可普及应用，并逐步占据市场主流。但受企业缩编、资深技术人员提前退休影响，多数企业内部模具车间积累的专属工艺技术经验大量流失。与此同时，不少铸造厂选择将模具设计、砂芯加工外包给独立模具与制芯外协厂。不过仍有一批行业资深专家持续深耕技术研究，不断产出相关学术成果。
曾有一项联合研发项目：某整车车企、树脂原料厂商与多名计算流体力学（CFD）专家合作，搭建数值仿真模型用于冷芯盒制芯全过程模拟。Arena-flow 计算机辅助工程（CAE）软件实现冷芯工装模具设计与工艺参数一体化优化，这套工程仿真模型于 2001 年正式落地商用。
核心优势：工装方案性能预判仿真
这套 CAE 仿真工具核心价值在于对拟定工装方案进行全过程性能仿真分析。软件可辅助设计人员完成多腔芯盒砂芯结构布局、射砂管选型与布位、排气塞规格与排布等全套工装设计；还可针对气化固化设备、射芯主机、耗材（树脂、固化剂、原砂等）全流程建模并完成参数优化。
工装建模需录入基础几何与工艺参数，以水套砂芯网格模型（图 A⬆️）为例，所需输入数据包含：
✅射芯机、射砂管、芯盒三维实体 CAD 图纸；
✅原砂物性：砂型种类、粒度分布、堆积密度、树脂添加量；
✅排气系统参数：排气塞类型、尺寸、安装位置、有效排气面积；
✅工艺工况：射砂压力 / 保压时间、固化气体压力 / 吹气时长、吹扫压力 / 吹扫时长。
软件通过求解流体力学方程，计算射砂充填、气体固化全过程关键参数（图 B⬆️）。输出结果支持动态动画演示与高清云图，便于深度分析。借助射砂、固化仿真，可得到最优工装结构与工艺参数；最终依据砂芯成型质量、生产节拍、充填流态、模具磨损、砂芯洁净度等指标完成方案定型。
配合高精度芯盒工装，该仿真技术可制造结构更复杂、尺寸精度更高的砂芯与铸型组件；行业同步推进自动化组芯设备研发，以最少人工完成复杂砂芯总成装配。
新型粘结剂技术
氧化夹杂、气孔痕、皮下气孔是铸件最棘手的缺陷类型。这类缺陷隐蔽性极强，往往要等到机加工工序才会暴露。文中配图展示高性能缸盖铸件内出现的气孔及伴随氧化夹渣：缺陷源自水套砂芯浇注释放气体，气体氧化形成氧化层并聚集在铸件凸台处，攻丝加工时才被检出。
全球各大厂商均投入大量研发，一方面提升砂芯粘结剂使用性能，另一方面开发低污染环保型体系。行业重新聚焦水玻璃改性体系、酚醛聚氨酯冷芯（PUCB）与碱性酚醛树脂改良配方，同时多款全新粘结剂陆续实现产业化。
酚醛聚氨酯冷芯树脂（PUCB）是当前行业标杆，行业研发目标：开发固化速度、铸件表面光洁度与 PUCB 持平，落砂溃散性更优，同时彻底摒弃有毒胺类固化气体、省去废气洗涤装置的新一代粘结剂。LKBinder、GMBOND、ECOLOTEC 均为近年代表性创新产品。
1. LKBinder 粘结剂
主要适配铝合金铸件生产。产品无刺激性气味、砂芯尺寸稳定性优异，铸件表面光滑，可用于潮模砂等多种铸型工艺。
粘结剂以水为载体，采用温芯盒加热固化：热量蒸发粘结剂水分，在模样表面完成硬化反应。砂芯可半固化后取出芯盒，充分烘干后下芯合型。
铸件凝固后，砂芯可机械落砂或浸水溶解粘结剂溃散。配套设备无需加装废气洗涤塔，车间整体通风换气需求大幅降低。
2. GMBOND 蛋白基粘结剂
核心原料为特种蛋白，遇水形成可逆凝胶，水分蒸发后固化为刚性半结晶高分子聚合物。依靠加热脱水完成制芯，全程无化学反应型危化品，制芯工位作业安全性高。
粘结剂可生物降解，无危险固废、危气处理压力；制成砂芯尺寸稳定，铸件表面光洁，铝合金铸件落砂极易清理。
蛋白粘结剂浇注产生的有害空气污染物（HAP） 排放量仅为传统 PUCB 树脂的十分之一。
3. ECOLOTEC 二氧化碳固化碱性水基酚醛工艺
采用水基碱性酚醛树脂，通入 CO₂气体完成固化；适用于铝合金、铜合金、铸铁、铸钢全品类铸件，具备清洁安全、高产能、气硬制芯等优势。
混砂、制芯、砂芯存放阶段（属于美国 SARA313 法规强制申报污染物）排放大幅削减，浇注、冷却、落砂工序废气同步降低；体系不含易燃组分，CO₂固化无需配套废气洗涤设备，全程几乎无异味。
制芯效率普遍优于其他有机气硬工艺；固化通气周期略长于 PUCB，但无需后续吹扫工序。
铸件表面质量极佳，无需添加防脉纹砂助剂，即可基本杜绝脉纹缺陷。
4. CORDIS 无机磷酸盐粘结剂体系
90 年代初推出的全无机聚磷酸盐粘结剂，兼具砂芯强度、高温溃散性、抗吸湿性，覆膜砂流动性显著提升，现已规模化商用。可减少铸件缺陷，干态、湿态落砂性能均表现优异。
酚醛聚氨酯 PUCB 体系环保改良方向
行业持续优化 PUCB 树脂性能与环保指标：
生物柴油（脂肪酸甲酯）溶剂改性：制芯阶段挥发性有机污染物（VOC）、浇注 / 冷却 / 落砂 HAP 排放同步下降；改性 PUCB 脱模性能、浸涂后复烘效果更好，固化速度提升，胺类固化剂消耗量减少。
DMIPA 二甲基异丙胺新型固化催化剂：反应活性高于传统 TEA 三乙胺，催化剂耗量更低、固化速度更快、车间气味大幅改善；美国铸铁厂新版 MACT 废气管控标准不对该催化剂实施排放管控。
酯固化酚醛冷芯盒体系（ECPCB）优化研发持续推进
该体系为水基粘结剂，VOC 含量低；混砂、制芯无明显异味，高温热强度高；浇注、冷却、落砂阶段烟气、HAP 排放少。可有效降低铸件膨胀类缺陷，显著改善铸铁件脉纹、铸钢件热裂缺陷。
改性水玻璃粘结剂再度成为研发热点
得益于环保优势、性能突破与原料价格长期稳定，水玻璃粘结剂重回行业视线。DevCo 285 改性复合水玻璃可生产尺寸稳定砂芯，适配所有金属材质铸件；固化方式多元：液态硬化剂固化、CO₂吹气固化、加热固化、微波固化均可。浇注全程及冷却后无明显烟气、异味。
结论
工装模具设计行业发展路线已十分清晰：计算机辅助仿真将深度应用于复杂冷芯工装开发，制造工程师的技能体系将向仿真数字化转型。一级整车配套铸造厂、中小型外协铸造厂、专业模具外协车间，都会将工装仿真设计完整纳入产品正向开发流程。
高精度成型砂芯将推动自动化组芯设备普及，大幅削减人工装配工时。
粘结剂技术迭代方向明确：降低铸件缺陷、削减废气排放、提升铸件表面光洁度。铝合金铸件长期存在的清砂难题，正依靠水溶性环保粘结剂快速解决。整体来看，铸造行业砂芯制造技术前景广阔。
致谢
感谢众多企业提供技术资料并参与本文审稿，合作单位按字母排序：
Arena Flow LLC、亚什兰特种化学、福士科冶金、HA 国际、荷美尔、JB DeVenne、莱姆佩 - 赖希
商标声明
Arena-flow 为 Arena-flow 有限责任公司注册商标；
ECOLOTEC 为福士科集团注册商标；
GMBOND 为荷美尔公司注册商标；
CORDIS 为 HA 国际有限责任公司注册商标；
DevCo 为 JB DeVenne 公司注册商标；
LKBinder 为莱姆佩公司注册商标。
关于CPFD公司
CPFD 软件公司是计算流体力学（CFD）领域的前沿科技企业。公司依托洛斯阿拉莫斯国家实验室的独有技术积淀，将流体仿真建模技术拓展至工业级流固颗粒系统模拟领域。
旗下旗舰产品 Arena-flow为铸造行业专用软件，主要用于模拟砂芯与砂型的生产过程。
公司技术广泛应用于各类能源及高耗能工业领域。全球各地的企业、国家实验室、科研机构与高等院校均与 CPFD 软件公司展开合作，共同攻克各类复杂的工程与技术难题。
关于创煌
苏州创煌信息技术有限公司由CPFD Software美国总部授权，全权负责Arena-flow射砂制芯模拟软件在中国地区的市场推广、销售、售后服务、培训、技术支持及项目服务等一切相关事宜，为中国铸造企业提供一站式铸造工艺模拟解决方案。Arena-flow是国际技术领先的射砂制芯模拟仿真分析软件，是一种创新的射砂过程模拟软件帮助您更快、更轻松、更轻松地工作，实现更精确的砂芯、砂型。始于2003年，至今发展有20多年的历史。全球1000多家用户，中国150多家用户，经全球所有主机厂认可并使用的优秀射砂工艺模拟软件。
位于苏州的苏州创煌信息技术有限公司正在通过将Arena-flow的最先进、广泛的射砂解决方案组合带到中国，帮助中国制造业加速转型，从快速原型制作到大规模生产。创煌由先进制造、冶金和铸造技术领域的资深人士于2016年创立，致力于帮助中国制造业解决速度、成本和质量方面尚未解决的挑战，使铸造成为中国工程师和制造商的必备工具。创煌提供的射砂解决方案是全球最有前途的射砂方案。
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