3D打印結合鑄造的方法研究

施允洋 劉方方 房開拓 王曉華 馬郡

摘要：3D打印技術作為一個高度討論的話題，此前研究已經充分表明，該技術不僅對制造業企業，而且對社會發展都有深遠的影響。文章介紹了3D打印技術的種類及其特點，分析了3D打印與鑄造相結合帶來的優點，尤其是在快速成型技術中的應用，得出3D打印技術可以給鑄造行業帶來新的元素和新的契機，從而推動其快速發展。

關鍵詞：3D打印；鑄造；發展趨勢

隨著科技的快速發展，尤其是機械、電子、材料成型等技術的不斷進步，近年來，3D打印技術發展速度迅猛，廣泛應用于制造、醫療、建筑等行業，如汽車發動機缸體、汽車零部件的維修、醫療用的贗復體支架等[1-2]。3D打印是一種突破性制造技術，可以改變產品生產流程，具有取代傳統制造的潛力。

1 3D打印技術

1.1 3D打印技術簡介及現狀

3D打印是一種根據數字模型文件，采用層層堆積的方法來構造三維物體，材料常采用塑料或者金屬粉末，是一種增財制造技術[3]。該技術兩大優點可以讓其具有良好的生存空間：（1）該技術通過計算機三維建模后即可直接打印出對象，設計更加自由多樣化，而且定制的產品不再需要高昂的成本。因此，當前的產品或者生產過程可以由增材制造取代。（2）在消費者方面，增材制造允許私營和工業用戶設計和打印自己的產品，這將會對現有公司產生較大的競爭威脅[4]。

1.2 3D打印技術分類

根據3D打印過程所需材料性質及片層結構獲取方式的不同，3D打印技術主要有以下3種方式[5]。

1.2.1 SLA，立體光刻法

該方法根據三軸激光雕刻原理，在生產過程中通過激光頭掃描使得液態光敏樹脂固化，經過層層掃描即可得到固體工件。該方法適合產品體積小、精度高的場合，缺點是成本高，使用的軟件較冷門，入門難，且產品機械性能較差。

1.2.2 SLS，激光分層燒結法

該方法首先在零件己成型部分上表面鋪粉，加熱工作平臺到粉末的熔點，控制激光束以該層界面輪廓進行燒結，在與已成型部分粘結后，下移工作臺然后重新鋪粉，逐層燒結，零件燒結完成后冷卻數小時即可。該方法可加工金屬零件、工藝簡單、精度高，與SLA相比，無需支撐、生產周期短、適合中小零件的生產等優點，廣泛應用于汽車、航空航天領域。其缺點是金屬粉末成本高、產品表面粗糙且精度不如SLA技術。

1.2.3 FDM，熔融堆積法

該方法是對噴頭進行加熱，將蠟、熱蠟性材料（如ABS、PC材料）的細絲加熱成液態，通過打印頭擠出，根據程序控制選擇性涂覆在工作面板上，冷卻固化，然后逐層堆積而成。該方法市場占有率高，成本低，打印模型硬度高，而且可以打印多種顏色，更加貼近消費者。缺點是精度較低，零件表面較粗糙。

2 3D打印與鑄造的結合

3D打印作為一種快速成型技術，其與鑄造結合可以帶動快速鑄造的發展，可以分兩大類。

2.1間接快速鑄造

間接快速鑄造，是通過3D打印技術直接打印出模型用來取代木模、金屬?；蛘呦災５龋捎糜谏靶丸T造、消失模鑄造等鑄造方法。以3D打印取代木模并應用于砂型鑄造為例，其操作流程如圖l所示。

采用3D打印生產鑄件的具體流程如圖2所示，相比傳統制作木模，該方法具有制造周期短，更加便捷；設計自由化，鑄件更加個性化；成本低，效率高等優點。

2.2直接快速鑄造

直接快速鑄造，該方法直接用3D打印機打印出鑄型，如用SLS方法打印樹脂砂型和砂芯、無模鑄型制造、直接型殼制造法等。

采用3D打印方式制作樹脂砂型、砂芯方法如下：將原砂、樹脂、固化劑和添加劑按照一定覆膜工藝制成覆膜用砂，其中固化劑在覆膜砂被加熱時候分解，與樹脂中殘留的水反應生產甲醛，從而樹脂由熱塑性變為熱固性而固化。將覆膜砂鋪上一層，通過控制激光束將該層覆膜砂燒結成型，然后層層成型最終制成鑄型。該方法生產周期短，生產出來的鑄件表面光潔、棱角清晰，尺寸精度高，多用于中小鑄型制造中。

無模鑄型制造技術（ Pattemless Casting Manufacturing，PCM），是快速成型技術的一種，該方法無需模具、無需手工造型，在CAD_維建模后可以快速制造出發動機缸體、缸蓋、變速箱殼體等復雜鑄件，其工藝流程如圖3所示。PCM無模鑄型鑄造技術在鑄件生產過程中可以大大縮短制造周期、節約成本及降低風險。發動機缸體制造過程中兩種工藝對比如表l所示。

33D打印技術在鑄造中應用的趨勢

隨著3D打印技術日趨成熟，鑄造行業與3D打印技術的相結合必不可少，其便捷、快速、節約成本、個性化生產等優點也將促進鑄造行業的快速發展，同時，由于3D打印技術自由化程度高，這也將促使中小批量定制生產變得更加容易上手，小型鑄造廠也將成為熱點。在快速制造模型與砂型方面，二者的結合可以加速產品研發速度，降低工藝研究的成本和風險；在激光修復方面，可以減少廢品率，節約成本。目前該技術發展一大挑戰是3D打印原材料成本較高，現階段使用的金屬合金粉末價格十分昂貴，如何解決是下一階段的研究方向。

[參考文獻]

[1]張雷青.基于數字化設計和3D打印的頜骨缺損贗復體修復及3D打印金屬材料細胞毒性的初步研究[D].杭州：浙江大學，2016.

[2]王菊霞.3D打印技術在汽車制造與維修領域應用研究[D].長春：吉林大學，2014.

[3]高志鵬.3D打印方法制作鈷鉻鉬合金的性能研究[D].北京：北京工業大學，2016.