3DP 成型工藝在鑄造模具領(lǐng)域的應(yīng)用

王志勇

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

1 背景及其產(chǎn)品分析

3DP 成型技術(shù)是目前使用最為廣泛的增材制造技術(shù)之一，其主要原理是采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金屬粉末、硅砂等,通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，需要進(jìn)行后處理。具體工藝過程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個距離（層厚：0.013～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造層面。如此周而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形結(jié)束后，比較容易去除。

模具，被稱為“工業(yè)之母”。模具開發(fā)周期長是制約新產(chǎn)品研制的瓶頸，必須縮短模具開發(fā)周期，降低制造成本。現(xiàn)如今，模具制作多采用單一材質(zhì)，單一材質(zhì)具有一定的局限性，要么材料強度不足；要么材料價格偏高，經(jīng)濟性不好，同時要考慮到現(xiàn)場工人的可操作性及安全性，模具不易過重，應(yīng)易于搬動或翻轉(zhuǎn)。

3DP 成型工藝特點主要有：

（1）成型速度快，材料價格低；3DP 技術(shù)打印鑄造模具無需后序CNC 加工處理，可直接組模使用，提升模具制作效率；且材料可回收使用，材料費用成本低。

（2）設(shè)計靈活，節(jié)約成本，降低制造難度。由于3DP 打印工藝是采用數(shù)字化文件輸入3D 打印設(shè)備的方式，故其設(shè)計方案修改靈活、及時，且可以完成手工造型無法完成的復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)的打印，降低了生產(chǎn)難度。

（3）制作過程中無需支撐，多余粉末去除方便，后處理方便。

（4）以人為本，綠色鑄造，智能鑄造。3DP 打印技術(shù)大幅改善了鑄造現(xiàn)場的環(huán)境，降低了操作人員的勞動強度；用3D 打印機替代了人工制芯、造型，節(jié)省了人力成本，同時實現(xiàn)了鑄造業(yè)的智能生產(chǎn)、綠色生產(chǎn)。

2 3DP 模具工藝

2.1 3DP 模具工藝設(shè)計流程

3DP 模具工藝設(shè)計流程如下：模具結(jié)構(gòu)分型設(shè)計→主體結(jié)構(gòu)設(shè)計→輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1.1 分型

依據(jù)鑄造模具工藝設(shè)計規(guī)范進(jìn)行分型設(shè)計，獲得單塊打印3DP 模具結(jié)構(gòu)，以下統(tǒng)稱為3DP 模具子結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 3DP 模具分型

2.1.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

對3DP 模具子結(jié)構(gòu)進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括：壁厚、定位結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、鉚型結(jié)構(gòu)等。

（1）壁厚

對各3DP 模具子結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行抽殼，得到空腔殼體，殼體壁厚為20～50mm，以保證砂模在使用工況下的強度要求。對各3DP 模具子結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部網(wǎng)格填充，網(wǎng)格間距為100～300mm，以增加3DP 模具各子結(jié)構(gòu)的使用強度。詳見圖2 及表1。

表1 砂模壁厚及筋板設(shè)計

圖2 3DP 砂模壁厚

（2）定位結(jié)構(gòu)

各3DP 模具子結(jié)構(gòu)配合面設(shè)計定位結(jié)構(gòu)，易保證各3DP 模具子結(jié)構(gòu)相對位置，詳見圖3。除此，各3DP 模具子結(jié)構(gòu)與模板定位使用定位銷，詳見表2。

表2 常用定位銷及定位孔尺寸

圖3 定位間隙

（3）連接結(jié)構(gòu)

采用標(biāo)準(zhǔn)連接結(jié)構(gòu)——蝶形構(gòu)件定位兩塊相連3DP 模具子結(jié)構(gòu)，約束水平方向上的兩個自由度，各3DP 模具子結(jié)構(gòu)之間的沿周間隙為1mm，高度方向為20mm，如圖4 所示。

圖4 單塊打印3DP 模具結(jié)構(gòu)連接結(jié)構(gòu)

（4）鉚型結(jié)構(gòu)

使用鉚型孔將砂模結(jié)構(gòu)、木模結(jié)構(gòu)模板鉚接，其中鉚型結(jié)構(gòu)須與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)連接，補償鉚型開孔后的強度，保障砂模穩(wěn)定性，鉚型鐵如圖5 所示。

圖5 鉚型結(jié)構(gòu)

2.1.3 輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計

對單塊打印3DP 模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括：吊把、吊運孔、間隙等。

（1）吊把

結(jié)構(gòu)形式如圖6 所示，用來吊運或翻轉(zhuǎn)清砂。設(shè)計柱形吊把通過模具重心，以增強模具翻轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性，吊把伸出模具面50mm，端面設(shè)計為防滑落凸臺，吊把設(shè)計見表3。

圖6 吊把

表3 吊把設(shè)計

（2）吊運孔

吊運孔結(jié)構(gòu)如圖7 所示，組裝吊運使用。在3DP 砂模結(jié)構(gòu)上頂面設(shè)計倒“T”型吊運孔，使用“T”型吊鉤吊運，以方便組裝吊運模具。

圖7 吊運孔

（3）間隙

3DP 砂模的各個零件之間應(yīng)設(shè)計水平間隙、垂直間隙和定位間隙。各定位間隙結(jié)構(gòu)如圖3 所示，設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 砂模間隙設(shè)計參數(shù)

3 結(jié)束語

隨著新型智能制造技術(shù)的不斷成熟，促使著鑄造模具制作工藝的變革，以達(dá)到快速制造，成本低廉，使用效果佳的目的。相信增材鑄造工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，定會掀起一場新時代的“工業(yè)革命”。3DP 打印技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對中國鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、鑄造工序智能化以及未來鑄造智能工廠的建設(shè)將產(chǎn)生變革性的意義。