3DP 砂型打印在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

劉怡樂(lè)，李翔光，胡 健

（貴州航天風(fēng)華精密設(shè)備有限公司，貴州貴陽(yáng) 550009）

傳統(tǒng)砂型鑄造需要模具廠(chǎng)家配合來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，不能滿(mǎn)足新產(chǎn)品的快速研制及開(kāi)發(fā)需求。3DP打印技術(shù)利用三維模型造型，能夠?qū)鹘y(tǒng)鑄造的模具制造、造型、制芯、合箱等四個(gè)工序全部由3D打印及智能成型一個(gè)工序?qū)崿F(xiàn)，手工、體力工作將被智能機(jī)器代替。該技術(shù)可以打印出任何形狀的砂型，在產(chǎn)品研發(fā)及復(fù)雜零件制作上具有巨大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)3DP 砂型打印在打印精度、打印速度及砂型質(zhì)量等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)[1-3]。

1 3DP 砂型打印技術(shù)

3DP 砂型打印即三維粉末粘接技術(shù)，該技術(shù)利用微滴噴射技術(shù)，將砂型模型進(jìn)行切片處理后，計(jì)算機(jī)根據(jù)砂型模型的輪廓精準(zhǔn)控制打印頭的噴射速度及噴射量，將打印頭樹(shù)脂噴在預(yù)混的砂子上，待砂子固化后，打印臺(tái)下降一個(gè)層面，打印頭繼續(xù)噴射出樹(shù)脂，重復(fù)往返，砂子層層進(jìn)行堆積得到所需砂型模型。

2 3D 砂型數(shù)模設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

對(duì)鑄造過(guò)程而言，在生產(chǎn)過(guò)程中最重要的就是鑄件砂型。在鑄件砂型模型設(shè)計(jì)時(shí)，主要從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：

（1）分型面。分型面選取的優(yōu)劣，對(duì)鑄件精度、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)率影響很大，特別是3DP 砂型打印后需要對(duì)砂型進(jìn)行清砂，要充分考慮造型設(shè)計(jì)是否能順利清砂，從而保證砂型的完整精確。同時(shí)，要盡可能減少分型面數(shù)目并簡(jiǎn)化砂型造型。

（2）定位方式。為了保證砂芯模型的位置，提高鑄件的尺寸精度，提高工作效率，設(shè)計(jì)合理的定位方式對(duì)于砂型模型的設(shè)計(jì)是十分重要的。

（3）排氣系統(tǒng)。為了保證鑄件的質(zhì)量，砂型模型設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證砂型結(jié)構(gòu)有利于鑄件充分的排氣，避免因排氣不良而導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

（4）砂型強(qiáng)度。3DP 砂型不同于傳統(tǒng)的手工造型，砂型造型設(shè)計(jì)時(shí)要考慮砂型的強(qiáng)度是否能滿(mǎn)足鑄造生產(chǎn)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，砂型造型時(shí)要保證鑄件與四周的壁厚≥35mm；多個(gè)鑄件同時(shí)造型時(shí)，要保證相鄰鑄件間距≥10mm。

（5）吊裝方式。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，鑄件砂型應(yīng)方便進(jìn)行搬運(yùn)，合適的吊裝方式可以大大提高生產(chǎn)效率。小型鑄件可以采用手柄式設(shè)計(jì)進(jìn)行搬運(yùn)，大型砂型可以采用吊裝方式進(jìn)行搬運(yùn)。

2.2 砂型數(shù)模后處理

砂型模型設(shè)計(jì)好以后需要將模型導(dǎo)入到3DP打印設(shè)備上進(jìn)行排版優(yōu)化，進(jìn)而滿(mǎn)足砂型的打印需求。

2.2.1 導(dǎo)入模型類(lèi)型

砂型模型設(shè)計(jì)好后需要將模型導(dǎo)出為“.stl”格式的文件，在對(duì)砂型模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換時(shí)，模型是以三角片面的方式對(duì)其進(jìn)行劃分，因此三角片面的數(shù)量直接影響了砂型的精度。三角片面數(shù)量太少，模型在一定程度上會(huì)發(fā)生變形，但數(shù)量太多，又會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的計(jì)算量增大，影響設(shè)備的運(yùn)行效率。砂型模型導(dǎo)出時(shí)，模型的三角公差及相鄰公差應(yīng)≤0.05，從而保證模型的精度符合使用需求。

2.2.2 模型位置調(diào)整

由于3DP 砂型打印是逐層進(jìn)行打印的，模型排版時(shí)要盡量保證大平面朝下，減少模型打印過(guò)程受重力的影響。如圖1 所示，當(dāng)砂型模型高度方向存在斜面或曲面時(shí)，模型的擺放位置不合理就會(huì)導(dǎo)致打印出的砂型在重力作用下產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)甚至發(fā)生變形，影響砂型的精度，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致砂型的報(bào)廢。當(dāng)設(shè)計(jì)不得不采用小平面朝下時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的輔助模型來(lái)防止砂型因重力影響導(dǎo)致的變形。

圖1 砂型模型位置

2.2.3 模型排版

模型位置調(diào)整完成后，需要對(duì)模型進(jìn)行三維排版，排版時(shí)要保證模型之間留有一定的距離。兩模型距離太近，導(dǎo)致砂型粘合在一起，導(dǎo)致模型的報(bào)廢；模型距離太遠(yuǎn)，設(shè)備的空間利用率低，導(dǎo)致打印及清砂時(shí)間增加，降低工作效率。一般來(lái)說(shuō)，兩砂型距離為10～30mm。

2.3 砂型打印

（1）試樣性能測(cè)試。模型排版完后需要放入一定數(shù)量的測(cè)試試樣，用于檢測(cè)及記錄其性能。因每次打印時(shí)砂型性能都會(huì)存在一定的變化，因而需要測(cè)試試樣來(lái)測(cè)試其抗彎性能、抗剪性能及發(fā)氣量，保證砂型的質(zhì)量符合使用需求，并對(duì)其性能進(jìn)行記錄。

（2）砂型打印。試樣性能測(cè)試合格后，方可進(jìn)行砂型的打印工作，在打印過(guò)程中注意觀(guān)察是否存在異常，以便后期對(duì)砂型模型進(jìn)行修改及調(diào)整。

（3）砂型烘烤。為了使打印好的砂型性能達(dá)到最佳狀態(tài)，將打印好的砂型放入烘箱中于100℃烘烤2～3h 取出方可進(jìn)行使用。烘烤時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，都會(huì)直接影響鑄件的質(zhì)量。

3 生產(chǎn)應(yīng)用及前景

目前，我廠(chǎng)已成功將3DP 砂型打印技術(shù)應(yīng)用于鑄件和冷鐵的砂型打印，因其打印的砂型表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，可以大大減少后期砂型的修整及鑄件的打磨工作量，提高鑄件的生產(chǎn)效率。我廠(chǎng)打印的冷鐵砂型如圖2 所示。

圖2 冷鐵砂型圖

相比于傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)，3DP 砂型打印具有精度高、快讀成型及無(wú)需模具的優(yōu)點(diǎn)，可以隨時(shí)調(diào)整產(chǎn)品的尺寸結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足快速研制及生產(chǎn)的需求，在航空航天、交通運(yùn)輸及機(jī)械制造領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，3DP 砂型打印完全不受零件形狀的影響，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)產(chǎn)品功能要求，制定合適的工藝方案；并且完全顛覆傳統(tǒng)的鑄造方式，做到無(wú)拔模、無(wú)工藝補(bǔ)貼、澆冒口的開(kāi)設(shè)也可以不受任何限制，完全可以按照最優(yōu)的方式進(jìn)行。為新產(chǎn)品研制及開(kāi)發(fā)提供極為便利的條件，降低研制及生產(chǎn)的費(fèi)用，增加產(chǎn)品的附加值，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。與此同時(shí)，隨著3DP 砂型打印在鑄造行業(yè)的應(yīng)用逐漸增多，如何將3DP 打印設(shè)備國(guó)產(chǎn)化及進(jìn)一步降低打印成本也將是值得重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。