鑄造砂型3D 打印機(jī)應(yīng)用及其效率提升的研究

蒙南華，田永剛，郝 鵬，杜銀學(xué)，王軍偉，馬 睿

（共享智能裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

近年來(lái)，增材制造技術(shù)快速滲透到各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，作為基礎(chǔ)制造業(yè)的鑄造領(lǐng)域自然也在其中。在當(dāng)前鑄造產(chǎn)業(yè)中，60%左右的鑄件是多品種、小批量類(lèi)，這些鑄件多以手工勞動(dòng)為主的傳統(tǒng)模式生產(chǎn)，要制作這些鑄件，需要提前制作一套模具，該模具制造周期長(zhǎng)且成本高，并且傳統(tǒng)的制芯工藝精度低，無(wú)法滿(mǎn)足一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高的鑄件要求。但隨著3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，特別是對(duì)3D 打印砂型技術(shù)的深入研究，發(fā)現(xiàn)3DP 技術(shù)具有型芯成型效率高、成型尺寸大、沒(méi)有熱應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，更適合大規(guī)模、柔性、快速、智能生產(chǎn)型芯[1]。但是目前，國(guó)內(nèi)外各公司的鑄造砂型3D 打印機(jī)工作效率普遍較低，如何提升其打印效率，成為推動(dòng)鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展亟待解決的問(wèn)題[2]。

1 3D 打印技術(shù)的功能原理

3D 打印技術(shù)的功能原理如下：3DP（三維印刷打?。┘夹g(shù)是采用粉末材料成形，如砂子、石膏等。打印成形時(shí)通過(guò)噴墨打印頭將粘接劑（如鑄造用樹(shù)脂）將砂型的截面印刷在粉末材料上面，這樣逐層打印成型。

圖1 3D 打印技術(shù)的功能原理

首先，利用三維軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建砂型的數(shù)據(jù)模型，將設(shè)計(jì)的模型格式轉(zhuǎn)換為STL 格式，然后對(duì)三維模型進(jìn)行分層處理，把數(shù)據(jù)輸入打印機(jī)中，進(jìn)行打印[3]。

其次，在打印開(kāi)始時(shí)，在打印工作臺(tái)上，鋪砂器均勻的鋪上一層砂子粉末材料，然后噴頭按照原型截面形狀，將粘結(jié)材料有選擇性地噴射到已鋪好的粉末上，使原型截面有實(shí)體區(qū)域內(nèi)的粉末粘結(jié)在一起，形成截面輪廓，一層打印完后，工作臺(tái)下降到一個(gè)截面的高度，然后重復(fù)上面的步驟，直至原型打印完成。

2 3D 打印技術(shù)給傳統(tǒng)鑄造帶來(lái)的變革

3D 打印技術(shù)具備了解決鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的優(yōu)勢(shì)，適于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，也更適于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。3D 打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用給傳統(tǒng)鑄造帶來(lái)顛覆性的變革，鑄件制造棄繁從簡(jiǎn)，提質(zhì)增效，制造過(guò)程以人為本，綠色制造，為鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供示范作用[4]，具體為：

（1）縮短鑄造生產(chǎn)流程。鑄件工藝直接從三維圖形數(shù)據(jù)制造出復(fù)雜的砂型，變革了傳統(tǒng)使用模具、制型、造型、合箱的鑄造方法[2]。

（2）提高鑄件質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率。此工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品精度高，砂型和砂型快速一體成形，大幅縮短了產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)周期[5]。

（3）設(shè)計(jì)靈活，節(jié)約成本，降低制造難度。此工藝具有靈活的修改模型設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高產(chǎn)品精度，降低砂鐵比效果突出，特別適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。

（4）以人為本，綠色鑄造，智能鑄造。大幅改善鑄造現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；機(jī)器換人，人力成本大幅下降；典型數(shù)字化制造，大幅提高鑄造生產(chǎn)的智能化水平。

（5）鑄造增材制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用對(duì)鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)、鑄造智能制造及未來(lái)鑄造智能工廠的建設(shè)將產(chǎn)生變革性的意義，影響深遠(yuǎn)。

3 提升3D 打印技術(shù)效率的研究

由于3D 打印技術(shù)有著諸多優(yōu)勢(shì)，并且可以成為推動(dòng)鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，如何將3DP 技術(shù)的打印效率進(jìn)一步提高，將直接推動(dòng)鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)以及產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展，以下將論述如何提升3D 砂型打印技術(shù)的效率。

3D 打印機(jī)工作原理是：鋪砂器先鋪設(shè)一層底砂，打印頭再?lài)娚錁?shù)脂；經(jīng)過(guò)多層的鋪砂及噴射后，要分別對(duì)鋪砂器以及打印頭進(jìn)行清潔工作；重復(fù)以上工作直至打印完成。因此，要提升3D 打印機(jī)工作效率，要對(duì)以上各個(gè)工序進(jìn)一步分開(kāi)研究。

3.1 提升打印噴頭的幅寬

如下圖所示，成型工作臺(tái)尺寸為M×N，目前市面上常用的打印機(jī)有三種打印頭A、B、C，其噴射幅寬分別是M、M/2、M/4。

打印頭A 每噴射完一層，需要沿X 方向運(yùn)動(dòng)N 的距離，共需要1 PASS 完成一層噴射；

圖2 打印頭A 噴墨軌跡

打印頭B 需要沿X 方向運(yùn)動(dòng)N 距離后，再沿Y 方向步進(jìn)M/2 距離，再沿X 方向返回，等待下層噴射，共需要2 PASS 完成一層噴射。

圖3 打印頭B 噴墨軌跡

打印頭C 需要沿X 方向運(yùn)動(dòng)N 距離后，再沿Y 方向步進(jìn)M/4 距離，再沿X 方向返回，再沿Y方向步進(jìn)4/M 距離，之后再沿X 方向運(yùn)動(dòng)N 距離后，再沿Y 方向步進(jìn)M/4 距離，再沿X 方向返回等待下層噴射，共需要4 PASS 完成一層噴射。

圖4 打印頭C 噴墨軌跡

綜上市面上常采用的三種打印方式可以得知，打印頭A 打印效率最高，只需要1 PASS 即可完成整個(gè)幅面噴射；打印頭B 次之，需要2 PASS完成整個(gè)幅面噴射；打印頭C 最低，需要4 PASS完成整個(gè)幅面噴射。噴頭作為一種進(jìn)口的超精密配件，其有效噴射寬度基本固定在65mm 左右，因此，大幅寬的打印頭需要由小噴頭來(lái)組合排列，噴射幅寬越大，表示包含的噴頭越多，其造成的成本以及后期維護(hù)費(fèi)用亦越大。實(shí)際應(yīng)用中，要考慮達(dá)到最大的打印效率，應(yīng)優(yōu)先選擇可以1 PASS 完成噴墨的打印頭A。

3.2 提升各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行速度

打印機(jī)主要的運(yùn)動(dòng)部件由鋪砂器、打印頭、舉升機(jī)組成，其中，鋪砂器在Y 方向做鋪砂運(yùn)動(dòng)，打印頭在X 方向運(yùn)動(dòng)噴射樹(shù)脂，舉升機(jī)在Z 方向升降工作箱，因此，對(duì)以上三個(gè)部件的運(yùn)行速度依次提升，對(duì)打印機(jī)效率提升有很大作用。

首先是提升鋪砂器Y 方向的鋪砂速度。鋪砂器內(nèi)部貯存有混好固化劑的砂子，沿Y 方向邊運(yùn)動(dòng)邊鋪砂，其運(yùn)動(dòng)速度對(duì)砂面的密度、平整度影響較大。鋪砂速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致砂面局部不下砂或者下虛砂，造成打印的砂型密度不足和外觀缺陷。所以在設(shè)計(jì)鋪砂器時(shí)應(yīng)綜合考慮，在滿(mǎn)足合格鋪砂質(zhì)量的前提下，盡可能高的提升鋪砂器沿Y 方向的鋪砂速度。

其次是提升打印頭X 方向噴墨運(yùn)行的速度。噴頭沿X 方向運(yùn)行速度為噴頭方向分辨率和頻率之積，即V=Xdpi×f，由于噴頭的頻率一般廠家會(huì)推薦使用固定值，為了不影響其壽命暫不改變，因此只需要提升X 方向分辨率即可提升噴頭X 方向的運(yùn)行速度。為了提升噴墨速度，X 方向噴墨分辨率設(shè)定為0.12mm，噴頭頻率為9000Hz，則噴頭X 方向速度為0.12mm×9000Hz=1080mm/s。由于目前市面上多用的噴頭是美國(guó)富士的SG1024 系列，其有8 列噴孔，每列有128 個(gè)噴孔，共有1024個(gè)噴孔，其中噴孔之間Y 方向分辨率固定為噴孔間距0.0635mm。因此，為了保證噴墨的精度，X、Y方向的分辨率不能相差太多，具體情況可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定。

圖5 SG1024 噴頭噴孔排列圖

圖6 SG1024 噴頭局部放大圖

最后提升舉升機(jī)沿Z 方向升降工作箱底板速度。在正常打印工作中，Z 方向每次步進(jìn)距離為一個(gè)層厚，僅為0.2mm～0.5mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間僅為0.1s左右，提升其速度對(duì)整體效率基本無(wú)影響，所以不用考慮其效率提升。

3.3 優(yōu)化各輔助部件的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍

3D 砂型打印機(jī)整體工作流程如下：打印開(kāi)始，工作箱在輥道電機(jī)驅(qū)動(dòng)下就位，舉升系統(tǒng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)工作箱活動(dòng)底板升至最高限位處，混砂罐將3D 打印用砂子及液料等經(jīng)混砂罐混合后定量加入對(duì)應(yīng)的鋪砂器；則鋪砂器沿Y 方向完成工作箱上方的鋪砂動(dòng)作后，打印頭沿X 方向在已完成鋪砂的工作箱上方的砂子表面進(jìn)行一個(gè)來(lái)回全覆蓋的打印工作。此時(shí)工作箱頂升系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作箱的活動(dòng)底板下降（根據(jù)工藝要求下降距離0.1mm～1mm，優(yōu)選0.2mm～0.5mm），重復(fù)上述鋪砂、打印過(guò)程，直至工作箱活動(dòng)底板下降至最低限位，完成整個(gè)打印工作。

在上述過(guò)程中，鋪砂器是在打印系統(tǒng)中往復(fù)鋪砂的部件，其底部安裝的刮砂板與砂面直接接觸，經(jīng)過(guò)多層鋪砂后，砂面上的灰塵以及浮砂會(huì)粘在刮砂板底部，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)變成一種比較堅(jiān)硬的黑色狀薄層物質(zhì)，打印中若不及時(shí)清除該物質(zhì)，則會(huì)對(duì)砂面造成缺陷，因此需要一個(gè)清掃機(jī)構(gòu)對(duì)刮砂板底部定時(shí)清潔。清掃機(jī)構(gòu)動(dòng)作的節(jié)拍和打印頭同步運(yùn)行時(shí)其節(jié)拍最緊湊，效率最高。具體如下：鋪砂器鋪完砂，運(yùn)動(dòng)到清掃位置，此時(shí)清掃機(jī)構(gòu)與噴頭同時(shí)動(dòng)作且互不干擾，噴頭噴完墨開(kāi)始下次鋪砂前，清掃機(jī)構(gòu)剛好對(duì)刮砂板清潔完成。這種打印方式節(jié)拍最為緊湊，效率最高。

打印頭距離噴射砂面2mm～3mm，經(jīng)過(guò)多層的噴射后，其底板上會(huì)沾上砂面上飄起來(lái)的浮砂及灰塵，如果長(zhǎng)期不清潔，會(huì)造成噴孔堵塞、損壞等問(wèn)題，影響噴頭使用壽命。因此，打印頭同樣需要一個(gè)清潔機(jī)構(gòu)對(duì)其底部定時(shí)清潔，且清潔機(jī)構(gòu)動(dòng)作的節(jié)拍和鋪砂器同步運(yùn)行。具體如下：打印頭噴完墨，運(yùn)動(dòng)到清潔位置，此時(shí)清潔機(jī)構(gòu)與打印頭同時(shí)動(dòng)作且互不干擾，鋪砂器鋪完砂開(kāi)始下次噴墨前，清潔機(jī)構(gòu)剛好對(duì)打印頭底板清潔完成。這種打印方式節(jié)拍最為緊湊，效率最高。具體動(dòng)作流程圖圖7 所示。

圖7 優(yōu)化后的3DP 打印流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

3D 打印機(jī)工作效率的提升，不僅能帶動(dòng)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，而且能夠新一輪的技術(shù)革新[6]。更高效率的砂型3D 打印機(jī)在鑄造行業(yè)大發(fā)展的時(shí)代發(fā)揮重要作用，使鑄件制造棄繁從簡(jiǎn)，提質(zhì)增效，制造過(guò)程以人為本，綠色環(huán)保，為鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供示范作用，并且有利于引導(dǎo)鑄造業(yè)向綠色、智能、柔性、快捷、高端的方向發(fā)展，增強(qiáng)鑄造行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，全面提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，培養(yǎng)和引進(jìn)一批高端裝備科技創(chuàng)新人才，擴(kuò)充國(guó)防高端裝備制造業(yè)科研隊(duì)伍，持續(xù)為鑄造行業(yè)提供創(chuàng)新發(fā)展活力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)向“智能化”、“綠色化”轉(zhuǎn)型升級(jí)，引領(lǐng)中國(guó)鑄造由“鑄造大國(guó)”邁向“鑄造強(qiáng)國(guó)”。