鑄型的3D打印技術及應用

白嘉遠

摘 要：鑄造成形是現(xiàn)代制造業(yè)中的重要加工方法之一，鑄造用的鑄型大部分為砂型。鑄造成形結(jié)構復雜零件時，由于鑄造砂型加工困難，加工周期長，從而降低了生產(chǎn)效率。3D打印技術是新興的高新技術，該技術可根據(jù)零件的三維模型，直接驅(qū)動設備快速、準確地制造出產(chǎn)品原型。用3D打印技術制備結(jié)構復雜砂型，可實現(xiàn)鑄件的快速成型，降低生產(chǎn)成本。本文主要討論了鑄型的3D打印技術及應用情況。

關鍵詞：快速成型 鑄型 3D打印技術

中圖分類號：TG248 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0080-02

鑄造是一種人類掌握已久的金屬熱加工工藝。其一般方法是將熔融的液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄型中，待其冷卻凝固后，獲得零件或毛坯的方法，距今已有6000年的歷史，目前仍是現(xiàn)代機械制造工業(yè)的基礎工藝之一。鑄造結(jié)構復雜零件時，周期長，產(chǎn)品柔性差，存在許多不足[1]。3D打印技術是20世紀80年代末新興的高新技術，是以三維模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品。3D打印技術不需切削材料，也不需模具，可批量制造，尤其適用于結(jié)構復雜產(chǎn)品的快速制造，生產(chǎn)周期短。用3D打印技術制備結(jié)構復雜鑄型（砂型），可實現(xiàn)鑄件的快速成型，降低生產(chǎn)成本。本文主要討論了鑄型的3D打印技術及應用情況。

1 鑄造成形的基本情況

鑄造是材料成型領域中最基本的方法之一。其步驟是先將金屬原料熔煉成熔體，再澆到鑄型里，最后經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到目標產(chǎn)品。鑄造后的毛坯近乎成形，減少了再加工時間，從而降低了成本。因此，鑄造在許多領域中都有著廣泛的應用[2]。

鑄造成形的主要工藝包括：鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理三個基本部分。鑄造金屬是指用于澆注的金屬材料，多用金屬和非金屬元素組成的合金，故也稱為鑄造合金，常用的鑄造金屬有鑄鐵、鑄鋼、有色合金等。鑄造過程中鑄型直接影響鑄件成形效率及成形質(zhì)量，目前常用的鑄型為砂型，鑄造結(jié)構復雜零件時，復雜砂型制備比較困難，周期較長，從而影響成形效率及鑄件質(zhì)量。鑄件處理包括清除型芯和鑄件表面異物、鏟磨毛刺和披縫，以及防銹處理和粗加工等。鑄造成形可生產(chǎn)形狀復雜的零件，特別是內(nèi)腔結(jié)構復雜的毛坯。鑄造成形的毛坯經(jīng)過加工后，其形狀、尺寸能夠滿足生產(chǎn)要求。另外，鑄造用的原材料來源廣泛，常用的金屬材料均可用于鑄造成形，價格也很低廉。鑄造零件的機械性能一般不如鍛件，內(nèi)部組織粗大。相對其他的成型方法，鑄造工序繁多，影響因素復雜，容易產(chǎn)生缺陷，從而影響鑄件質(zhì)量。因此，對鑄造材料及鑄造工藝有嚴格的要求。

2 3D打印技術簡介

3D打印技術是20世紀80年代末發(fā)展起來的一種先進制造技術。不同于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印技術基于離散-堆積成形思想，依據(jù)零件的三維模型，分層切片得到各層截面的輪廓信息，然后通過激光、噴射等手段得到各截面的輪廓實體，并逐步疊加形成三維零件[3]。

3D打印技術最大的特點在于其制造的高柔性，即無需任何制造模具，只需根據(jù)零件的三維設計數(shù)據(jù)，就可以直接驅(qū)動設備快速、準確地制造出產(chǎn)品。3D打印技術主要包括：光固化成型法（SLA）、分層實體制造法（LOM）、選擇性激光燒結(jié)法（SLS）和熔融沉積法（FDM）等。

3 鑄型的3D打印技術及應用特點

鑄造成形復雜零件時，柔性較差，鑄型的制備往往需要一個較長的周期。鑄件尺寸和結(jié)構的改變將會直接影響鑄型的設計、制造、裝配等工藝過程。將3D打印技術與鑄造技術結(jié)合起來，采用3D打印技術直接或間接完成鑄型（砂型）的制造，將大大提高鑄件的柔性，使鑄造技術在制造柔性方面發(fā)生巨大的變化和明顯提高[4]。采用“離散-堆積成形”原理與工藝完成鑄型制造的技術方法稱鑄型3D打印技術。鑄型3D打印技術主要有以下兩種。

（1）選擇性激光燒結(jié)法（SLS）。選擇性激光燒結(jié)法（SLS）是一種將粉末材料通過激光直接燒結(jié)成各種實體形狀的增材成型技術，普遍用于燒結(jié)蠟粉、金屬粉和覆膜砂等。一般步驟是先在工作臺上鋪上一層粉末材料，然后在計算機的控制下，激光束按照截面輪廓的信息對零件實心部分所在的粉末進行燒結(jié)。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再按上述步驟進行下一層的鋪粉燒結(jié)。不斷循環(huán)，最終得到三維產(chǎn)品。

覆膜砂具有加熱固化的特點，其固化溫度一般為200℃～280℃。當激光掃描覆膜砂時，表面的覆膜砂吸收的光能轉(zhuǎn)化成熱能并向深層的覆膜砂傳播，使固化溫度范圍內(nèi)的砂粒發(fā)生固結(jié)，所以在選擇性激光燒結(jié)（SLS）中使用覆膜砂可以快速制作鑄造用的砂型。實驗表明，掃描速度、激光功率等工藝參數(shù)對最終的砂型強度有著重要影響。如果功率過大，覆膜砂會因表面的樹脂膜發(fā)生過燒和炭化而失去粘結(jié)作用?；诟材ど暗募す饪焖俪尚头椒ň哂邪ǎ撼尚退俣瓤?、效率高、成型件的機械性能及表面質(zhì)量高等特點[5]。

（2）無模鑄型制造。無模鑄型制造通過輪廓掃描、噴射固化等工藝，實現(xiàn)了無模型鑄型的快速制造。首先根據(jù)零件的三維模型，利用專業(yè)的設計軟件建立相應的鑄型模型。再在每一層鋪好壓實的型砂上，依據(jù)模型數(shù)據(jù)，用分別噴射樹脂和固化劑的兩個噴頭精確地噴射粘結(jié)劑和催化劑。在噴射過程中，粘結(jié)劑與催化劑發(fā)生膠聯(lián)反應，二者共同作用地方的型砂會被固化在一起，而其他地方的型砂仍為顆粒態(tài)干砂。固化完一層后再粘結(jié)下一層，循環(huán)往復，直至所有的層粘結(jié)完，就可以得到一個三維實體。因為原砂在粘結(jié)劑沒有噴射的地方仍是干砂，容易清除，故清理完未固化的干砂部分就可以很快得到一個有一定壁厚的鑄型。最后在砂型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆鑄金屬[6，7]。

4 結(jié)語

鑄型的3D打印技術是一種全新的數(shù)字化鑄造方法。其僅使用精密成型設備和計算機軟件控制，即可實現(xiàn)增材成型，大大縮短了鑄造毛坯開發(fā)流程和周期，特別適合復雜鑄件的快速制造，同時也實現(xiàn)了傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型。

SLS成形方法適用于結(jié)構復雜的覆膜砂型制作，產(chǎn)品不易發(fā)生變形，但在實際生產(chǎn)中仍需考慮容易發(fā)生變形的地方，并對這些地方設計支撐結(jié)構。無模型鑄型的快速制造是通過粘結(jié)劑和催化劑將砂子粘結(jié)在一起，可快速制備結(jié)構復雜的砂型。上述兩種方法可以實現(xiàn)復雜零件的直接生產(chǎn)，得到精確的產(chǎn)品試樣，為模具設計提供有利參考。

參考文獻

[1] 程精濤.幾種快速成型方法在鑄造中的應用[J].鑄造技術，2015，36（1）：242-243.

[2] 臧加倫，孫玉成，李闖，等.國內(nèi)鑄造快速成型技術與應用[J].中國鑄造裝備與技術，2015（4）：3-4.

[3] 李偲偲，徐志鋒.快速成形工藝在航空鋁合金鑄件試制中的應用[J].特種鑄造及有色合金，2014，34（2）：212-215.

[4] 蘆剛，李康.基于SLS燒結(jié)覆膜砂工藝參數(shù)對成型尺寸精度的影響規(guī)律[J].鑄造技術，2013，34（3）：314-316.

[5] 姚山，陳寶慶，曾鋒，等.覆膜砂選擇性激光燒結(jié)過程的建模研究[J].鑄造，2005，54（6）：545.

[6] 陳鵬，劉繼波，董志鵬，等.淺析快速成型技術在鑄造中的應用[J].鑄造設備與工藝，2017（4）：41-44.

[7] 根利光.3D打印技術在鑄造工藝中的應用[J].國外機車車輛工藝，2017（3）：19-20.

[8] 董選普，黃乃瑜，樊自田，等.快速成型技術及其在鑄造中的應用[J].中國鑄造裝備與技術，2002（5）：25-27.endprint