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普及：砂型铸造与3D打印

来源：南极熊浏览数：
责任编辑：传说的落叶时间：2016-08-23 09:31

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[导读]鸣谢：南极熊整理了3D打印与砂型铸造的文章，从工艺实现到优缺点进行大篇幅介绍。

在铸件生产时，砂型铸造是一种常用的铸造工艺。但铸件的结构形状越复杂，铸模造型也就越麻烦。快速成型技术使得成形过程的难度与待成形物理实体形状的复杂程度无关。因此，今天砂型铸模的许多造型任务都要用3D打印机来完成，这一宝贵技术特征使它能最好地适应当代制造业市场的竞争环境而飞速地发展起来。

据了解，快速成型技术只需要传统加工方法30%～50%的工时和20%～35%的成本就能直接制造产品样品或模具。3d打印原型已广泛地应用于机械、电子、汽车、航空、航天领域，随着该项技术的日臻完善，已经给制造业带来一场革命。

最初,3d打印技术的第一个重要应用是产品的概念原型与功能原型制造。采用 3d打印技术制造产品的概念原型, 用于展示产品设计的整体概念、立体形态和布局安排, 进行产品造型设计的宣传, 作为产品的展示模型、投标模型、面市模型使用;

3d打印技术发展到今天, 其发展重心已从3d打印原型向快速制造及金属零部件的快速直接制造方向转移, 3d打印领域各种各样的新材料及新工艺不断出现。3d打印技术不仅应用于设计过程, 而且也延伸到制造领域。在制造业中,限制产品推向市场时间的主要因素是模具及模型的设计制造时间, 3d打印是快速设计的辅助手段, 而更多的厂家则希望直接从 CAD 数据制成模具或产品。

△卫星专用金属3d打印部件

现在就为大家来揭秘3d打印在铸造中的应用，着重来看砂型3d打印：

快速原型作为铸造模具可以用于砂型铸造、熔模铸造、陶瓷型精密铸造、石膏型精密铸造。直接3d打印砂型,省去了传统工艺的模型, 按照铸型 CAD 模型(包括浇注系统等工艺信息)的几何信息精确控制造型材料的堆积过程,直接制造铸型,是传统铸造过程的重大变革。

复杂的3d打印砂型模具

铸造在零件的复杂性和材料适应性方面具有无可比拟的优势，但其柔性较差，铸型的形成往往需要一个较长的周期，铸件的尺寸和结构的改变将会直接影响铸型的设计、制造、装配等工艺过程。将快速成型技术与铸造技术结合起来，采用快速成型技术直接或间接完成铸型的制造，将大大提高铸件的柔性，使铸造技术在制造柔性方面发生巨大的变化和明显提高。

直接铸型制造与传统造型工艺比较

也就是说, 直接铸型制造工艺造型最有竞争力的优势在于是单件小批量、型腔较复杂的大、中型铸件的造型,其制造周期、制造成本及加工效率都是传统方法无法相比的。而对于形状简单、大批量生产的小型铸件, 与传统造型法相比, 直接铸型制造工艺则显示不出太大优势。

快速铸型制造又可分为间接3d打印铸型制造和直接3d打印铸型制造，直接3d打印铸造运用RP技术直接完成可供浇注的铸型，如裹覆砂型、树脂砂型等，称为直接RP铸型制造。直接RP铸型制造又可根据RP使能技术细分为微滴喷射技术RP铸型制造和激光束RP铸型制造两大类。下面分别介绍几种快速成型技术。

大尺寸砂型/蜡型3d打印机EP-S7250

砂型3d打印机成型工艺

1.PCM

PCM 工艺称为无模铸型制造,它是将快速制造理论引进到树脂砂造型工艺中,采用轮廓扫描喷射固化工艺,实现了无模型铸型的快速制造。该工艺由清华大学研制成功,并推出商品化机型。

首先从零件 CAD 模型得到铸型 CAD 模型, 分别喷射树脂和固化剂的两个喷头在每一层铺好压实的型砂上分别精确地喷射粘接剂和催化剂。粘结剂与催化剂发生胶联反应, 粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起,其他地方型砂仍为颗粒态干砂。

固化完一层后再粘接下一层,所有的层粘接完之后就可以得到一个三维实体,原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂,比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型,在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇铸金属。

无模砂型制造工艺示意图

该工艺采用传统树脂砂工艺中的水洗砂、树脂和固化剂, 原材料的准备过程与传统工艺相同,与以上工艺相比无需单独制备原材料,且成本低廉, 铸型强度高,无需特殊的后处理, 尤其适合制造大中型铸件。

选择性激光烧结工艺示意

2.SLS

SLS 工艺称为选择性激光烧结, SLS 工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面, 并刮平; 用高强度的 CO2 激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面; 材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接; 在非烧结区的粉末仍呈松散状,作为工件和下一层粉末的支撑。当一层截面烧结完后, 铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面, 如此循环,最终形成三维实体,

粉末材料可以是金属、陶瓷、石蜡、聚碳酸酯等聚合物粉末, 也可以是铸造用覆膜砂, 用包覆粘接剂的陶瓷粉末或覆膜砂作为成形材料,按照铸型CAD 模型(包括浇注系统等工艺信息) 的轮廓信息精确控制激光束在造型材料粉末层进行扫描, 使包覆在陶瓷粉末或覆膜砂表面的粘结剂熔化粘结, 逐步堆积可得到铸型的型壳, 清理出型腔内未烧结的松散粉末, 就可用于浇注金属零件。铸型和砂芯可分别制造再装配成完整铸型,也可一体化制造, 减少下芯装配带来的误差。SLS 工艺用于制造铸型型壳, 若选用粒度较细的陶瓷粉和覆膜砂,选择较小的分层厚度,可以得到表面质量较好的铸型。但受成形设备成形空间和成形速度的限制,只适合于制造中小件。

3.3DP

3DP 工艺称为三维印刷,它采用逐点喷洒粘接剂来粘接粉末材料的方法制造原型。3DP 工艺与 SLS 工艺类似, 采用粉末材料成形, 如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过多通道喷头用粘接剂( 如硅胶) 将零件的截面“ 印刷” 在材料粉末上面,粘结时只进行一次扫描,由于用粘接剂粘接的强度较低, 还必须将其置于加热炉中,作进一步的固化或烧结,以提高粘结强度。

直接壳型铸造工艺示意图

美国 Solig en 公司根据 3DP 原理开发的直接壳型铸造工艺( DSPC )如图 3 所示。该技术使用陶瓷粉末为造型材料,粘接材料选用硅溶胶。由于陶瓷粉末颗粒尺寸在 75 m～150 m 之间, 所以 DSPC 工艺造型的表面质量较高,但这种硅酸盐水溶液分层粘接起来的陶瓷铸型强度较低,必须经过焙烧之后才能用于浇注金属, 如果是大型铸件的铸型就需要价格高昂、体积庞大的加热设备,所以 DSPC 工艺不适合大中型铸件的生产。

4.GS

GS( Gener is sand) 工艺德国 Generis 公司也从事砂型的快速成形研究, 其工艺路线是将砂粒铺平之后, 先用多通道喷头向砂床均匀喷洒树脂,然后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂,催化剂遇树脂后发生胶联反应, 使铸型层层固化堆积成形。

GS 砂成形工艺示意图

该工艺砂箱尺寸可达 1500 mm×750 mm×750 mm,分层厚度可达 0. 3 m m,可用于制造大中型铸型, 但其缺点是十分明显的, 由于树脂喷洒在整个砂床表面,铸型制作完

毕后是在含有树脂的砂包围之中, 这样给后续取砂型时清砂带来困难, 需特殊处理工序,同时也影响了砂型的精度和表面质量。

不同工艺3d打印直接铸型制造方法特点:

1. SLS 和 3DP 工艺, 由于采用粒度很细的陶瓷粉末等材料, 其激光束或多通道喷头使成形单元较小, 所以与采用原砂的 PCM 工艺相比, 具有较高的铸型表面质量。但受

成形设备成形空间和成形速度的限制, 只适合于制造中小件。SLS 与 3DP相比, 因没有后处理工序, 并且可利用现有的覆膜砂造型, 故在铸造上的应用更具优势。

2. PCM 工艺和 GS 工艺采用的扫描运动系统和喷射技术使其具有较大的成形空间, 其扫描系统的运动精度高,制造铸型的尺寸误差可以控制在许可范围以内, 而且这一

误差不会随铸型尺寸增大而显著增大。成形设备的运动精度一般远小于这一误差, 所以可制造大、中型铸型。 PCM 工艺因原砂、树脂等原材料的准备过程与传统工艺相同, 且无GS 工艺烦杂的后处理工序和专用设备, 铸型的精度和表面质量更易保证, 优势明显,但表面质量仍有待进一步提高。总之, 与传统造型方法相比,直接铸型制造工艺有着无可比拟的优越性。任何一种工艺都有一定的适用范围, 这是工程问题的特点, 直接铸型制造工艺并不例外,它也不能取代传统造型工艺。传统造型方法在大批量生产中具有很大的优越性。由于模样可以重复利用,传统方法生产铸件的成本和周期与生产批量有反比关系, 而直接铸型制造工艺的

基于覆膜砂激光快速成型方法的铸造工艺

覆膜砂具有加热固化的特点，其固化温度一般为200～280℃。当激光扫描覆膜砂时，表面的覆膜砂吸收的光能转化成热能并向深层的覆膜砂传播，使固化温度范围内的砂粒发生固结。激光功率、扫描速度等工艺参数对最终的砂型强度有重要影响。通过热相仪测温、Ansys有限元软件数值模拟及现场实验的办法，得到了不同功率条件下覆膜砂的热固结宽度及深度曲线，给出了覆膜砂SLS法成型的合理工艺参数，并指出功率过大，会因覆膜砂的树脂膜发生过烧和炭化而使其失去粘结作用。

利用覆膜砂过热炭化失效的特点，可以产生一种基于激光束轮廓线扫描直接获得覆膜砂铸型的方法。首先利用CAD软件，在计算机中建立要加工零件的三维立体模型，并用分层切片软件对其进行处理，得到不同高度上每一截面层的平面几何信息。CAD/CAM系统根据截面信息生成x-y激光束在各层粉末上的数控运动指令。在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在粉末上扫描出截面形状，激光的功率要足够大，使得轮廓边界处的粉末完全炭化而失去固化作用，逐层扫描直至堆积出零件的三维曲面结构的分型面。按照覆膜砂固化工艺条件的要求对砂箱内型砂进行加热固化，使固化后的覆膜砂沿着分型面分型，就可得到目标铸型。其有主要特点是：成型速度快，效率高：成型件的机械性能及表面质量高：成型材料选择范围广。

基于快速成型方法的石膏型精密铸造工艺
快速成型技术与精密铸造技术相结合，为铸造模具快速设计与制造提供了新途径，并大大提高铸造生产的柔性，其中将RP原型运用到石膏精密铸造技术中就是新发展之一。

快速成型技术与石膏型精密铸造相结合主要有两种途径：一种是采用LOM、FDM、SLS或SLA工艺制造的原型作为母模或硅橡胶中间转化模，进行石膏型拔模精密铸造，由于最终的得到零件或模具是RP原型翻制模，即RP原型与生产出的铸件互为铸件、铸型关系，结构正好相反，因而被称为间接RP-石膏型制造工艺：另一种是采用RP原型作为主模型，翻制硅橡胶，采用硅橡胶翻制蜡型或直接采用LOM等工艺制造的原型，进行石膏型熔模精密铸造，铸造最终产物与RP原型尺寸、结构完全相同，是RP原型不同材质的翻版，因而称为直接RP-石膏型制造工艺。

采用直接RP-石膏型制造技术，尤其是基于SLS工艺的直接RP-石膏型制造技术，极高的提高了石膏型熔模精密铸造的柔性。石膏型熔模铸造技术正是在直接RP-石膏型制造技术的推动下，展现出无限的生机。

基于快速成型方法的冷冻铸造工艺

冷冻铸造技术在国内外都尚处于起步阶段，有资料报道的只有美国的Duramax公司在1991年开始致力于冷冻铸造工艺的研究，并申请了美国专利。另外，近些年有些研究者将快速成型技术(RP)和冷冻铸造技术结合起来，形成了快速冷冻工艺并取得了一定的进展，具有代表性的是美国的密苏里大学和中国的清华大学，他们都分别设计了自己的RFP系统并利用该系统对有关的工艺参数进行了研究。

冷冻冰模可以用于陶瓷型和熔模铸造。用冷冻冰模翻制铸型与传统的陶瓷型和熔模铸造工艺的主要区别是：一些工序必须在低温环境中进行。造型材料必须为适应低温环境作出相应调整或重新选择。目前，较多的研究集中在熔模铸造中。

目前对冷冻铸造的研究面还应当拓宽，不仅在熔模铸造和陶瓷型铸造技术中，而且还可以拓展到其它铸造工艺，并借鉴其它工艺的一些原理和方法克服冷冻铸造中的工艺难点。另外，在制模技术研究中，采用RFP技术制模，不需要压型，可以缩短生产准备的周期，这在单件多品种生产中具有优势，但由于水物理性质和该成形方法的特点，使冰模的成形速度较慢。因此，这种方法并不适合批量生产方式。因此，研究适合批量生产的更有效、更简捷、更可靠的冰模制作技术非常重要。通过选择、开发低温性能良好的软模材料，设计操作简单，保证程度高的压型结构是提高冰模应用性能的重要保证。

著名砂型3d打印机公司Exone

Exone公司就是一家该领域中的领先企业。早在1999年这家集团公司包括今天的企业负责人Rainer Höchsmann先生在内的工程师们就研发成功了砂型和砂芯用的3D打印机样机。今天，作为Exone公司经营业务的一个组成部分，它们的砂芯铸模3D打印技术已经发展成为国际上领先的技术。

Exone集团公司开发这项技术的主要目的是：经快速制造进入实际铸造生产之中。新一代造型机的成本和费用与传统造型机的相同，但却可以极大的提高铸件的质量和精度。目前，已有两种型号的设备可供用户选用：小型的S-Print和大型的S-Max。由于这一技术有着非常广泛的应用领域，因此它具有很强的生命力。

ExOne的3D砂型、砂芯打印机产品具有很大优势，能取代现有工业生产中的复杂的砂型制作流程，采取的是Binder Jetting Techonolgy(喷墨砂型打印技术)，SLS和SLA两种技术主要采用激光热熔技术，这种技术下3D打印机机的工作状态可以理解为以一个点一个点来成型，然后直接做出产品。喷墨砂型打印技术则是一个平面一个平面打印，直到做出产品的砂型，然后用传统的铸造技术和这个砂型制造出需要的产品。

目前S-Max系列产品最大能打印出长1.8米×宽1米×高0.7米的砂型产品，另外，因为只打印砂型而不是直接打印产品，所以可以用砂型制作各种金属的产品甚至各种合金都可以灌注入砂型成型。传统制造砂型的过程短则1个月多则需数月，而3D打印砂型缺耗时很少，比如一台发动机的3D打印砂型也只需11个小时就可制作完成。ExOne成立至今一共卖出72台3D打印机，每台售价在100万欧元左右，主要销售市场是美国、欧洲，以及亚洲。

直接铸型制造工艺的分析与比较
直接铸型制造工艺和传统的铸型制造技术相比,直接铸型制造工艺具有无可比拟的优越性, 它不仅使铸造过程高度自动化、柔性化、敏捷化, 降低工人劳动强度,而且在技
术上突破了传统工艺的许多障碍, 使设计、制造的约束条件大大减少, 具体表现在以下几个方面:

1. 无需模型。在传统铸造生产中,模型制造是一个重要环节。模样一般用木材、塑料、金属等材料由手工或机器加工而成, 有时需要钳工修理,费时耗资, 且精度不易保证。对一些形状复杂的铸件, 例如发动机叶片、船用螺旋桨、汽车缸体、缸盖等,虽然目前有些模样的加工采用数控机床、仿形铣等先进的设备和工艺,但由于编程复杂以及刀具干涉对几何形状的制约都使难度增大, 造成成本高、周期长;而直接铸型制造工艺则完全避免了传统铸型制造技术的这一最大缺陷, 从而在缩短砂型制造时间、降低砂型制造成本等诸多方面, 都使砂型制造技术有了一个质的飞跃。

2. 制造时间短。铸型的制造时间是指从铸型设计结束到制造完成用于浇铸之前的这一段时间。传统方法制造铸型必须先加工模样, 无论是普通加工还是数控加工, 模样的制造周期都比较长。对于大中型铸件来说, 铸型的制造周期一般以月为单位计算。由于采用计算机自动处理, 直接铸型制造工艺的信息处理过程一般花费几小时至几十小时。相对于整个铸造过程而言, 这一段时间可以忽略。

3.一体化造型。传统造型由于需要将模型从铸型中取出,所以必须沿铸件最大截面处(分型面) 将其分开,也就是采用分型造型。这样往往限制了铸件设计的自由度,某些型面和内腔复杂的铸型不得不采用多个分型面, 使造型、合箱过程的难度大大增加,易使铸件产生错箱、飞边等缺陷,加大了清理工作量和机加工量。直接铸型制造工艺采用堆积成形原理, 没有起模过程,所以分型面的设计并不是主要障碍。分型面的设计甚至可以根据需要不设置在铸件的最大截面处, 而是设在铸件的非关键部位。对于某些铸件, 完全可以采用一体化造型方法,即上、下型同时成形。一体化造型的最显著的优点是省去合箱,减少设计约束和机加工量,使铸件的尺寸精度更容易控制。

4.型、芯同时成形。由于采用离散/ 堆积成形原理, 因此直接铸型制造工艺很容易实现型、芯同时成形。传统工艺出于起模考虑,型腔内部一些的结构设计成型芯,型、芯分开制造, 然后再下芯将二者装配起来,装配过程需要准确定位,还必须考虑芯子的稳定性。直接铸型制造工艺制造的铸型,型芯可同时堆积而成, 无需下芯装配,位置精度更易保证。

5.无拔模斜度。由于直接铸型制造工艺是无模样的直接堆积造型,没有拔模问题,所以传统铸型设计必不可少的拔模斜度等约束在此失去意义, 因而可减轻铸件重量。

6.可制造含自由曲面( 曲线)的铸型。传统工艺中,采用普通加工方法制造模样的精度难以保证;数控加工编程复杂,另外刀具干涉等障碍无法克服。所以传统工艺制造含自由曲面或曲线的铸件精度不易保证。而基于离散/堆积成形原理的直接铸型制造工艺, 不存在成形的几何约束,因而能够很容易地实现任意复杂形状的造型, 且易保证精度。

7.可制造组合零件( 功能零件)。由于传统铸造工艺的限制,在零件的设计制造过程中,某功能件需要分成几个零件,分别进行铸造和加工, 然后装配而成。而基于离散/堆积成形原理的直接铸型制造工艺, 无需模型,不存在起模问题对零件的形状限制, 可以将传统工艺下的几个零件组合成功能零件一次成形,减少了机加工和装配工作量,彻底消除了加工和装配误差带来的精度损失。可见这项新工艺还可以带来设计思想的变革,可大幅度提高生产效率,降低制造成本。

8.铸型 CAD体化。在铸件 CAD 模型的基础上,可进行计算机绘制浇注铸型:补偿收缩的尺寸定标,添加圆角; 同时确定铸型数与浇注系统类型。可将铸件制造过程中的收缩、变形通过有限元模拟和误差数据统计,可以实现早期的、多回路的、闭环控制的误差反馈系统;进一步可用流动/固化软件来模拟检查原 CAD 模型的设计和工艺参数的确定是否合理, 以便预测、发现并解决铸造过程中的各种问题。从而实现了铸造过程的计算机集成制造。