3D打印桌面機制作砂型模具制品分析

張濤，劉豐豐，張玉蕾，王成碩，焦志偉*

(1.珠海天威飛馬打印耗材有限公司，廣東 珠海 519060

2.北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

3D打印桌面機制作砂型模具制品分析

張濤1，劉豐豐2，張玉蕾2，王成碩2，焦志偉2*

(1.珠海天威飛馬打印耗材有限公司，廣東 珠海 519060

2.北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

3D打印技術(shù)由于其簡單的加工成型工藝、優(yōu)異的材料利用率等一系列優(yōu)點已被人們廣泛關(guān)注。就目前而言，3D打印技術(shù)僅適用于小批量及個性化零配件制品的生產(chǎn)加工，應用范圍較窄。本文選用FDM熔融沉積成型技術(shù)，以PLA線性材料作為打印原材料制作砂型模具制品，后期使用鑄造成型工藝進行批量生產(chǎn)零配件制品。實驗結(jié)果表明：3D打印制品具有良好的力學性能，3D打印制品可作為砂型模具使用，后期可使用該模具進行鑄造成型工藝批量生產(chǎn)小型制品。本文驗證了FDM熔融沉積成型技術(shù)制備砂型模具具有可行性，且模具后期可用于鑄造成型工藝，驗證了通過3D打印技術(shù)完成批量生產(chǎn)制品的可行性。

聚乳酸；熔融沉積成形；模具；鑄造成型；批量生產(chǎn)

3D打印技術(shù)又稱快速成型技術(shù)，根據(jù)其獨特的“增材制造”技術(shù)已成功從多種傳統(tǒng)機加工“減材制造”方法中脫穎而出，成為世界各國科研工作者研究的熱點以及重點之一[1～3]。3D打印“增材制造”，顧名思義，就是通過材料的逐層堆積，最后形成一個三維實體制品[2,4]。目前，3D打印技術(shù)有許多分類：FDM熔融沉積成型技術(shù)、SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、SLM選擇性激光融化成型技術(shù)、SLA平板立體印刷技術(shù)等[3]，不同技術(shù)對應成型的材料也有較大差別。3D打印技術(shù)在各行各業(yè)已有了廣泛的應用，例如航空航天、生物醫(yī)療、工業(yè)制造、教育模型等領(lǐng)域都有所涉

及 [2,3,4,6]。

現(xiàn)如今社會發(fā)展較快，產(chǎn)品的更新?lián)Q代頻率大幅度提高。所以企業(yè)研發(fā)速度直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品競爭力[5]。使用3D打印技術(shù)可快速開發(fā)制造產(chǎn)品，而該技術(shù)的應用同樣也局限于其單個零配件的生產(chǎn)制造以及個性化定制或小批量制品的生產(chǎn)制造，不適合大批量生產(chǎn)零配件[5～6]。所以為了提高產(chǎn)品競爭力，加快新制品研發(fā)速度，增加企業(yè)效益，需結(jié)合3D打印技術(shù)以及鑄造成型技術(shù)，可為快速研發(fā)及批量生產(chǎn)提供新的技術(shù)平臺[3,7,8]。

本文擬采用基于FDM熔融沉積成型技術(shù)的三維打印機，加工適于鑄造成型工藝的硬質(zhì)模具，并使用該模具進行砂型鑄造得到金屬制品。這樣可大大縮短制品成型速度，縮短制品研發(fā)周期，擴大3D打印技術(shù)的應用范圍。

1 儀器與材料

1.1 實驗材料

由于聚乳酸（PLA）具有良好的可成型性能，而且無毒無害可生物降解，屬于可再生的綠色高分子材料。所以本文選用聚乳酸（PLA）絲料作為打印原材料。本文選用的原材料：Φ1.75 mm聚乳酸（PLA）3D打印線材，天威飛馬打印耗材有限公司。

1.2 主要設備及儀器

本文選用天威自主開發(fā)的天威CoLiDo M2020桌面3D打印機，該設備最大的優(yōu)點是成型精度高、工作狀態(tài)穩(wěn)定。

1.3 3D打印模型的制備

針對本文所提出的結(jié)合3D打印技術(shù)以及砂型鑄造成型技術(shù)，先使用UG三維建模軟件進行模具制品的三維建模工作。在建模時需要考慮加工余量、拔模斜度等重要信息。選用UG建模，在轉(zhuǎn)化為STL文件格式時，會保留細小的特征點。這樣可以使打印的模型更加精細化。本文選用的三維打印機為天威自主研發(fā)的天威Co Li Do M2020桌面小型3D打印機，如圖1所示，該機器可成型200 mm×200 mm×200 mm的制品，其成型精度高，打印工作時性能穩(wěn)定。使用天威飛馬打印耗材有限公司自主生產(chǎn)的Φ1.75 mm聚乳酸（PLA）3D打印線材加入天威CoLiDo M2020桌面3D打印機中進行制品的打印工作。

圖1 天威Co Li Do M2020 桌面3D打印機

根據(jù)所設計模型的尺寸以及形狀如圖2所示，設置切片軟件打印參數(shù)。其中：填充率20%；層厚0.2 mm；噴頭溫度210℃；打印速度為90 mm/s。在保證制品成型精度以及強度得要求下，盡可能使用低的填充率以便節(jié)省打印時間及打印物料。

1.4 3D打印模型鑄造成型工藝

根據(jù)所設定的打印參數(shù)，使用天威CoLiDo M2020桌面3D打印機完成3D打印模型制品后，進行后期鑄造成型工藝的研究。在進行鑄造成型時，需注意選擇合適的分型面、澆注口以及鑄造圓角。這對于制品的成型質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

2 結(jié)果與討論

2.1 3D打印設備以及材料分析

圖2 使用UG軟件建立三維模型結(jié)構(gòu)

使用天威CoLiDo M2020桌面3D打印機制作模型打印，成型精度較高，設備打印工作狀態(tài)穩(wěn)定，完全可一次成型該零件打印工作（如圖3）。天威飛馬打印耗材有限公司自主生產(chǎn)的Φ1.75 mm聚乳酸（PLA）3D打印線材表面光滑、粗細均勻，完全可應用于高精度3D打印設備制造打印制品。所以該材料可應用于天威CoLiDo M2020桌面3D打印機打印制作模型制品工作，且成型強度、精度較為理想。

圖3 天威CoLiDo M2020桌面3D打印機打印過程圖

2.2 3D打印制品分析

通過使用天威CoLiDo M2020桌面3D打印機完成制品的打印工作，如圖4所示，可以看出制品成型精度較好，強度滿足使用要求。因為通過使用FDM熔融沉積成型技術(shù)制作的模型表面都會出現(xiàn)層層堆積產(chǎn)生的棱角，所以在設計初必須考慮后期簡單加工，需留出一定的加工余量。

2.3 鑄造成型制品分析

完成模型制品的打印后進行型砂固定工作。選擇底面作為分型面，可有效完成該模型制品的鑄造成型。如圖5所示，選擇鋁合金作為鑄造材料，可得到質(zhì)量較輕、易于后期簡單加工的合金制品，如圖5（a）所示。使用后該3D打印模型不會損壞，可繼續(xù)使用，如圖5（b）所示。這樣就可以進行快捷的小批量生產(chǎn)合金制品。

圖4 完成打印模型制品

圖5 鋁合金鑄造材料

3 結(jié)論

（1）采用FDM式熔融沉積成型3D打印設備制造鑄造成型模具具有可行性，且模具制造周期短，精度較高，可保證正常使用。

（2）通過使用3D打印成型的模具可用于鑄造成型工藝中制造金屬或其他材料的制品研發(fā)工作，且成型周期短，工作效率高。

（3）本文驗證了通過FDM熔融沉積成型技術(shù)與鑄造成型工藝相結(jié)合完成批量生產(chǎn)制品具有可行性。

[1] 李棟, 唐坤貴, 付龍. 3D打印的汽缸蓋砂芯[J]. 鑄造, 2016, 65 (4): 325～328.

[2] Alan F J. Development of a Valve-based Cell Printer for The Formation of Human Embryonic Stem Cell Spheroid Aggregates[J]. Biofabrication. 2013, (1): 1～12.

[3] 于彥奇. 3D打印技術(shù)的最新發(fā)展及在鑄造中的應用[J]. 鑄造設備與工藝, 2014, (2): 1～4.

[4] Alan Faulkner-Jones. Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates[J]. Biofabrication, 2013, (1): 1～12.

[5] 王穎, 袁艷萍, 陳繼民. 3D打印技術(shù)在模具制造中的應用[J].電加工與模具, 2016 (1): 14～17.

[6] 王波, 王仙萌. 基于3D打印技術(shù)的模具制造[J]. 模具, 2014 (3): 78～81.

[7] B.Vamsi Krishna, Susmita Bose, Amit Bandyopadhy -ay. Low stiffness porous Ti structures for load-bearingimplants[J]. Acta Biomaterialia, 2007, (3): 997～1006.

[8] 傅俊, 殷國富, 王澤忠. 在鑄造生產(chǎn)中應用3D打印技術(shù)發(fā)展展望[J]. 裝備制造與教育, 2014, 28 (2): 53～56.

Analysis of sand mold product made by 3D desktop printer

Analysis of sand mold product made by 3D desktop printer

Zhang Tao1, Liu Fengfeng2, Zhang Yulei2, Wang Chengshuo2, Jiao Zhiwei2
(1. Zhuhai Tianwei Feima Printing Supplies Co. Ltd., Zhuhai 519060, Guangdong, China;
2. School of mechanical and electrical engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

3D printing technology has been widely concerned because of its simple processing and forming process, excellent material utilization and so on. At present, the 3D printing technology is only suitable for production and processing of small batch and personalized parts, the application range is narrow. This paper chooses FDM fused deposition molding technology, using PLA linear material as printing material to make sand mold products, and using casting molding process for mass production of parts and accessories. The experimental results show that: 3D printing products have good mechanical properties, 3D printing products can be used as a sand mold, and the mold can be used in casting molding process for mass production of small products later. This paper verif es that sand mold preparation by FDM fused deposition molding technology is feasible, and the mold can be used for casting molding process. The paper verif es the feasibility of using 3D printing technology to complete the mass production.

poly lactic acid; fused deposition molding; mold; casting molding; mass production

TQ320.669

1009-797X(2016)24-0070-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.020

(R-03)

張濤（1967-）男，博士，天威飛馬打印耗材有限公司總經(jīng)理。

2016-11-08