基于增材制造技術的砂型優化設計和應用研究

郎晨智，姚 山，童 強，劉文文

（大連理工大學材料科學與工程學院，遼寧 大連 116023）

關鍵字：增材制造；3D 打印；砂型設計；砂型鏤空；離心泵殼

增材制造又稱3D 打印，其原理是將CAD 模型切割成不同的層，根據每一層的輪廓，利用計算機數控方法一層層加工，將加工的層依次堆積起來，實現了從計算機CAD 模型直接成型零件，生產效率得到極大的提高[1,2]。該技術的另一個優點就是造型任意，能實現一些依靠傳統方法無法加工的復雜結構制造。因其高效率、無模化、高柔性的特點，該技術已被廣泛應用于航空航天、核工業、醫療、汽車、模具制造等領域[3,4]。

但是目前關于砂型優化的研究相對較少，現實生產中使用的打印砂型，大部分繼承了傳統翻模砂型的設計理念，模型為規則實心結構，未充分發揮3D 打印無模化、造型任意的技術優勢，造成效率和材料的浪費，這不符合綠色制造和智能制造的發展要求。本文以一種離心泵體砂型為例，探討一種砂型優化設計思路，通過砂型鏤空設計實現了砂型的輕量化，提高打印效率，減少材料浪費。鏤空設計還有利于控制澆注過程中的砂型散熱，為實現鑄件的組織控制和晶粒細化提供了可能性。設計還充分發揮砂型造型任意的優勢，進行了砂型一體化設計，能減少組型帶來的尺寸誤差，從而更好保證了尺寸精度要求較高且內部結構復雜鑄件的生產。除此之外，針對傳統鑄造砂型排氣不暢的問題，本文提出了隨形氣道的設計思路，尤其適用于那些砂芯被金屬液完全包覆的場景。對設計模型進行打印和澆注，最終澆注得到內腔流道完整，尺寸合理，滿足制造要求的合格鑄件，驗證了設計方案的可行性。

1 試件結構特點分析

泵體作為離心泵最主要能量轉換場所，內部結構特殊，尺寸精度要求高，傳統翻模制造無法保證內部流道尺寸，造成泵體傳動效率衰減。本文以一種離心泵殼為例，對其鑄造砂型進行優化設計。離心泵殼零件尺寸474 mm×355 mm×208 mm，最小壁厚7 mm，如圖1 所示。鑄件要求在0.9 MPa 靜水壓力下穩壓10 min，不得有可見滲漏。

圖1 泵體鑄件圖

2 鑄造工藝設計

澆注系統采用底注式方案，直澆道直徑70 mm，橫澆道為梯形漸變結構，零件薄弱處設置加工余量，泵殼底部設置工藝法蘭，泵殼頂部配合面和流道出口處采用明冒口設計進行金屬補縮，如圖2 所示。

圖2 澆注系統

使用Procast 對鑄造過程進行模擬，模擬結果如圖3 所示，金屬流動平穩，未出現金屬液飛濺、卷氣、沖砂等現象。凝固時間和金屬總體收縮情況如圖4 所示，液相在凝固過程中不間斷，實現順序凝固，最后凝固位置位于冒口和澆道位置，縮松集中出現在補縮冒口和內澆道位置，設計方案符合澆注要求。

圖3 充型過程圖

圖4 鑄造方案缺陷分析

3 增材制造砂型優化設計

傳統的造型中，砂型外表面被砂箱所決定[5]，不能隨意對其結構進行優化設計，并且質地實心密實，透氣性不佳。3D 打印無模化、高柔性、造型任意的特點，為砂型的優化設計帶來了可能性。本文主要針對砂型做出砂型輕量化設計、砂型一體化設計和隨形氣道設計。

3.1 砂型輕量化設計

砂型輕量化設計的目的是減少非必要、無功能區域，需要合理設計砂型輪廓及其內部結構。設計的主要流程為：根據鑄造方案，設計砂型外觀輪廓；計算滿足鑄造要求的最小壁厚，鏤空砂型；對殼體砂型進行支撐優化。過程如圖5 所示。

圖5 設計流程圖

1）砂型外輪廓設計

在實際的鑄造中，為了砂型翻制便利，模具一般置于砂箱中，砂箱決定著砂型外輪廓，大部分砂型區域為無功能區。對于傳統鑄造所使用的水玻璃砂而言，材料價格便宜，回收利用率高，但是增材制造所需樹脂砂材料成本較高，且回收難度較大。因此，為減少材料使用，首先要對砂型外部輪廓進行優化，優化過程是基于鑄件的最大投影橫截面，對多余的無功能區進行去除。圖6 分別為大連某鑄造廠采用800 mm×450 mm×500 mm 砂箱翻制所得砂型和輪廓優化后的砂型。

圖6 鑄造砂型圖

2）砂型鏤空設計

傳統翻模過程中為保證砂型強度和砂型金屬液接觸面質量，需要對砂型壓實，這種緊實的結構有可能對鑄造造成不利影響：首先砂型對金屬液難以進行高效散熱，不僅造成鑄件的冷卻效率低下，甚至可能因為砂型長時間熱量積累而造成鑄件缺陷；實心密實結構還影響砂型透氣性，導致排氣不暢，可能造成氣孔、嗆火等鑄造缺陷。對砂型進行鏤空設計可提高冷卻效率，避免排氣不暢，細化晶粒組織，并且能顯著減少材料利用。

為保證鏤空砂型能有效約束澆注過程中金屬液，保證金屬液凝固，鏤空砂型的殼厚確定是鏤空設計中的關鍵。由于砂型的密度遠小于金屬液密度，所以在鑄造澆注過程中，砂型受到的作用力主要來自金屬液靜壓力。

使用UG 軟件對砂型進行受力模擬仿真，計算條件如表1 所示。應力-單元模擬結果如圖7 所示，砂型最大受力為1.092 MPa，最小受力應力為0.002 MPa.

表1 UG 模擬條件設置

圖7 UG 模擬應力-單元圖

本文3D 打印所選用覆膜寶珠砂來自大連三本鑄造有限公司，粒度100～250 目，樹脂質量分數2.5%.經實驗，其常溫抗拉強度能達到2.5 MPa 以上。依照模擬分析結果，結合清華大學上官浩龍[6]的砂型壁厚設計方法，計算砂型所需的最小壁厚為12 mm.圖8 為經過內部鏤空之后的砂型。

圖8 內部鏤空砂型

3）砂型支撐優化

打印后的砂型需要加熱爐固化，進一步提高砂型強度。對文中所采用的覆膜寶珠砂進行熱差分析，其DSC 曲線如圖9 所示[7]，在91 ℃和151 ℃出現吸熱和放熱峰，分別對應樹脂的融化溫度和固化溫度，證明砂型后處理固化的加熱初期，存在軟化變形的可能性。

圖9 覆膜寶珠砂DSC 曲線

為盡量減少殼型變形塌陷，需要對其進行合理的支撐設計。本文對設計的殼形進行變形試驗分析，研究支撐間距與砂型變形之間的關系。設計支撐間距50 mm～160 mm，砂型主要受力為自重力，通過模擬分析得知，在重力作用下，變形最大區域在中心位置，并隨著支撐間距的增加，變形越嚴重。

圖10 受力變形模擬結果

為探究最佳支撐間距，按照不同加熱工藝將砂型分為兩組，模擬實際加熱情況。加熱使用設備為吳江亞泰烘箱制造廠生產的遠紅外快速節能干燥箱，型號為8H1Y-1，工作溫度0 ℃～400 ℃，溫度分辨率1 ℃，控溫靈敏度±2 ℃，加熱功率1.5 kW，加熱時間2 h，圖11 為砂型加熱示意圖。

圖11 砂型加熱示意圖

第一組砂型直接進爐加熱，總體變形結果如圖12 所示。隨后對砂型進行三維掃描分析，結果如圖13 所示：當支撐間距在160 mm～110 mm 之間，頂面均塌陷至放置平臺高度；當支撐間距小于110 mm，軟化變形趨勢與模擬結果基本吻合，隨著間距的減小，變形程度逐漸減弱。支撐間距L=70 mm，砂型最大變形1.55 mm，支撐間距L=50 mm 的砂型表面尺寸誤差在±0.1 mm 以內，滿足使用要求。

圖12 第一組實驗砂型總體變形圖

圖13 第一組實驗掃描結果圖

第二組砂型使用火焰加熱使其快速固化，采用熱像儀檢測，觀察砂面溫度快速達到250 ℃，結合DSC 曲線可知，該溫度下，覆膜寶珠砂建立初始強度，砂型表面青褐色后進爐，總體變形結果如圖14所示。隨后對最終砂型進行掃描分析，掃描結果如圖15 顯示：隨著砂型支撐間距的變小，砂型變形程度逐漸減弱，當支撐間距為L=140 mm 時砂型出現少量變形，補充變形值。當支撐間距L=120 mm 時砂型表面尺寸誤差在±0.1 mm 以內，滿足使用要求。當支撐L 小于120 mm 時，砂型變形均在±0.1 mm以內。

圖14 第二組實驗砂型總體變形圖

圖15 第二組實驗掃描結果圖

兩種加熱方式的支撐間隔與最大變形量實驗結果如圖16 所示，第二組整體變形量小于第一組。火焰預加熱有助于減少砂型塌陷，其原理是火焰加熱會使酚醛樹脂迅速跨越軟化點，產生縮聚反應，生成難以軟化的熱固性樹脂，宏觀表現為在砂型表面形成全包覆的堅硬外殼，抑制內部砂粒因樹脂軟化導致的流動。

圖16 最大變形量曲線圖

根據實驗結果，選擇支撐間距120 mm，配合火焰烘烤預處理后進爐固化，爐溫180 ℃，加熱2 h.最終優化后的砂型如圖17.

圖17 最終優化砂型

最終優化后的砂型體積Vfin為32.9 L，輪廓優化后的砂型體積Vbet為77.28 L，輪廓未優化的砂型體積Vini為138.2 L.相比輪廓優化砂型的材料節約率為（Vbet-Vfin）/Vfin=57.4%，輪廓未優化砂型的材料節約率為（Vini-Vfin）/Vfin=76.2%.

3.2 一體化砂芯和隨形氣道

泵殼砂芯結構復雜，傳統砂芯翻制，需要對砂芯進行分塊后逐個翻制，最后粘合成為一個完整的砂型，組合過程會對鑄件的精度和表面質量造成一定影響，而黏結劑又會帶來額外的鑄造發氣，可能造成鑄件缺陷[8]。此外，在澆注過程中，砂芯的可能浮動造成鑄件內腔尺寸精度丟失。發揮3D 打印能直接從計算機圖形數據生成復雜形狀零件的優勢，如圖18 所示，本文將關鍵砂芯（螺旋流道砂芯）與砂型底板一體化設計并打印，避免型芯組合時帶來的人為誤差，保證砂型精度。

圖18 一體化砂型砂芯

鑄造砂型排氣系統設計，是保證鑄造工藝的重要一環[9]，排氣不暢將造成鑄造嗆火、鑄件氣孔甚至冷隔等缺陷。對于復雜鑄件而言，由于砂型結構復雜，排氣設計難度較大，傳統翻模砂型在填砂過程中會預埋排氣繩作為排氣通道，搗實砂型可能會造成排氣通道中斷。以泵殼砂型為例，流道砂芯被金屬完全包覆，傳統翻模砂型很難保證排氣通道的連續性，造成排氣不暢。利用3D 打印可以在砂型內部設計連貫的排氣通道，進行有效排氣。如圖19 所示為直接打印的隨形氣道。

圖19 隨形氣道

4 鑄造試制

使用大連理工大學自研設備進行砂型打印，設備型號為PIRP-1000[10]，打印材料為上文所述的覆膜寶珠砂，該類型覆膜砂顆粒形狀規則、純度高、表面樹脂均勻，具有良好的成型性能。打印完成的砂型清理完畢后，火焰槍烘烤使其表面快速固化，之后在180 ℃下進爐加熱2 h，并隨爐冷卻至室溫。對鑄件關鍵位置進行尺寸檢測，砂型的尺寸精度在±0.6 mm 以內，滿足鑄造使用要求。

鑄件材料QT500-7，澆注溫度1 430 ℃，澆注時間15 s，澆注過程保證金屬液流速均勻。澆注完成后鑄件隨砂型冷卻24 h，開箱并清除鑄件落砂，最后做拋丸處理。鑄件實物如圖20 所示，表面光滑，無裂紋、粘砂、夾雜。使用掃描儀進行三維掃描對比分析，結果表明鑄件精度達到CT9 級。泵體在0.9 MPa靜水壓力下穩壓10 min，未觀察到可見滲漏。產品符合客戶要求。

圖20 鑄件實物

5 結論

1）砂型結合3D 打印增材制造技術，能充分發揮該技術無模化、生產效率高、生產形狀任意的特點，能實現鑄造砂型的任意分型，相比傳統翻模鑄造而言，能節約成本，提高效率，也為產品實驗階段的方案調整提供了便利。

2）砂型的薄壁鏤空設計，能實現砂型的輕量化。對鏤空砂型添加合適的支撐，能有效避免后處理過程中的砂型塌陷變形。結合兩種優化措施設計的砂型，能在滿足砂型鑄造條件的同時，減少材料浪費，提高砂型制造效率，符合綠色生產的發展要求。砂型的輕量化設計還有助于控制砂型的散熱，為實現鑄件組織控制和晶粒細化提供了可能性。

3）砂型的隨形氣道設計，發揮了3D 打印生產高柔性、制造不受零件結構限制的特點，能實現砂型在鑄造過程中的良好排氣，避免了鑄件的氣孔，冷隔等鑄造缺陷。

4）砂型的一體化設計，避免了多塊砂型組型帶來的精度丟失，防止在鑄造過程中可能出現漂芯現象，能有效保證精度要求較高或內部結構復雜的產品的制造。