淺析3D打印技術在鑄造成形中的應用

耿佩（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

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淺析3D打印技術在鑄造成形中的應用

耿佩（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

摘要：介紹了3D打印技術的原理、應用及設備，針對其在鑄造成形技術中的應用情況展開分析。以撥叉零件為研究對象，從CAD建模到3D打印，得出撥叉零件原型實體。后續可以此作為鑄造木模，對其進行砂型鑄造造型操作，可明顯縮短工時，降低成本，有助于提高實踐教學效果。3D打印技術作為橋梁連接了CAD建模與砂型鑄造造型過程，還可用于其它鑄造成形方法，進而縮短制模時間，節約成本，提高效率。最后對3D打印技術的應用發展進行了展望。

關鍵詞：3D打印；砂型鑄造； CAD模型

1　3D打印技術概述

隨著科學與生產技術的不斷革新與發展，快速成型技術，尤其是3D打印技術逐漸在制造業中已經占據非常重要的地位，成為不可或缺的一種成形制造方法。3D打印技術正在快速改變人們傳統的生活與生產方式。在不久的未來，以個性化、數字化、網絡化、定制化為突出特點的3D打印制造技術將推動第三次工業革命[1-4]。

3D打印，又稱作增材制造技術，是根據前期設計的CAD三維模型，借助計算機軟件控制，在打印設備上逐層增加材料堆積成所需制品造型的一種快速成形制造技術。其運作原理和傳統打印機工作原理基本相同。傳統打印機是只要輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副2D圖像。而3D打印機首先將物品轉化為一組3D數據，然后打印機開始逐層分切，針對分切的每一層構建，按層次打印。其最大的技術優點是能簡化制造程序，縮短產品研制周期，降低開發成本和風險。相比傳統的制造工藝，應用3D打印技術節省原材料，用料只有原來的1/3到1/2，制造速度快了3～4倍[5]。

2　3D打印技術應用現狀

自3D打印技術衍生之時起，就很快被業界人士關注，開始了廣泛的應用，其速度之快和應用之多令人難以置信。它在制造業的應用備受重視，比如新產品研發時，可使用3D打印技術制作出產品原型，能夠讓設計者更好的優化產品結構。建筑業里使用3D打印技術進行建筑模型的制造。這種方法快速、完美、精準、成本低且環保，同時又節省大量材料和人工時間。汽車制造業里，再進行汽車安全性測試工作時，可采用3D打印產品代替部分零部件，在追求效率的同時可降低成本。醫療行業，使用3D打印技術來制作人體骨骼，目前已有應用3D打印技術打印出人體下顎骨置換到人體內的成功案例[6-8]。那么，3D打印技術在教育行業也有很廣泛的應用，主要體現在給學生制作教學模型及演示操作，推廣3D打印技術及做學術研究所用。

3　3D打印撥叉過程

如前所述，3D打印技術可制作出產品原型，本案例首先基于UG軟件繪制撥叉零件的三維造型，借助3D打印技術制作出撥叉零件原型，其次以3D打印的撥叉零件作為鑄造模型，來進行砂型鑄造手工造型，整個操作過程快速、簡便、綠色環保且成本低廉，明顯減少制模時間，提高鑄造砂型鑄造成形效率。

3.13D打印設備

3D打印快速成型技術是將計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）集成于一體，根據計算機上構造的三維模型，無需傳統的加工機床和工模具，能在很短時間內直接制造產品原型。文中撥叉的打印采用HTS熔融擠壓臺式快速成型機完成，其設備外形見圖1。

圖1　HTS熔融擠壓臺式快速成型機

3.2撥叉CAD造型

撥叉的作用主要是撥動滑移齒輪，改變其在齒輪軸上的位置，可以上下移動或左右移動，從而實現不同的速度。3D打印技術是基于CAD三維模型來分層制造的，借助Pro-e三維造型軟件來完成撥叉零件的三維模型，如圖2所示，為后續3D打印過程準備好3D數據。

圖2　撥叉Pro- e三維造型

3.33D打印撥叉原型

將撥叉零件的CAD三維模型保存為STL文件格式，并導入到HTS控制軟件中，調整模型使其最大截面處于X-Y平面，并設置好工件參數和速度參數，然后生成支撐。打印前可在HTS控制軟件中查看打印模擬過程，檢查路徑及模型是否正確，并生成數據文件；生成支撐后需要調整噴嘴位置，在X-Y平面上把成形頭移動到平臺的中心位置，然后調整Z向位置，使成形噴嘴距工作臺面板位置為0.1 mm左右。最后要檢查噴料是否正常，上述步驟完成后即可開始打印。圖3所示為借助HTS熔融擠壓臺式快速成型機打印好的撥叉零件原型。

圖3　3D打印的撥叉原型

3.4砂型鑄造過程

以3D打印得到的撥叉原型作為鑄造木模，對其進行砂型鑄造造型過程并進行澆鑄，得到撥叉零件實體。整個過程相比于原始的砂型鑄造方法節省時間，鑄件表面質量好，木模表面磨損小。對于批量生產來說，可明顯提高生產效率，降低生產成本。

4　結束語

文中舉例說明了3D打印技術在砂型鑄造成形中的應用，借助3D打印技術制作撥叉零件原型，并以此代替鑄造木模，進行手工造型。這種方法快速、便捷、綠色環保且成本較低，直接省去制作木模的時間與成本，且3D打印出的模型可選用不同材料，不易磨損，使用壽命遠高于普通木模。

3D打印技術作為目前一種先進制造技術，近年來已得到快速發展，實際應用領域逐漸增多。但其推廣力度還不夠大，應該加強教育培訓，促進3D打印技術的社會化推廣；加大科技扶持力度，提升3D打印技術水平，擴大其在鑄造成形領域的技術應用。

參考文獻

[1] Alan F J. Development of a Valve- based Cell Printer for The Formation of Human Embryonic Stem Cell Spheroid Aggregates[J]. Biofabrication.2013,(1):1- 12.

[2] Karen M B T，Robert A H. Characterization of 2219 Aluminum Produced by Electron Beam Freeform Fabrication[C]//David L. Bourelleds The 13th solld Freeform Fabrication Symposium. Austin:University of Texas At Austin,2002:482- 489.

[3] J ohn E M. Carbide Formation in a Nicke1 Based Super Alloy during Electron Beam Solid Freeform Fabrication[D]. Massaehusetts:MIT,1999.

[4] 游清治. 第三次工業革命和3D打印技術[J].新疆有色金屬，2013（1）：105- 108.

[5] 曾光，韓志宇，梁書錦等.金屬零件3D打印技術的應用研究[J].中國材料進展，2014，33（6）：376- 382.

[6] 王忠宏，李楊帆，張曼茵.中國3D打印產業的現狀及發展思路[J].經濟縱橫，2013，1，91- 93.

[7] 杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發展現狀[J].徐州工程學院學報，2014，29（1），20- 23.

[8] 王月圓，楊萍. 3D打印技術及其發展趨勢[J].印刷雜志，2013（4）：10- 12.

[9] 劉偉. 3D打印熔滴沉積與傳統制造相結合技術發展前景[J].中國鑄造裝備與技術,2014(3).

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

Analyses of the application of 3D printing in teaching practice

GENG Pei
(Xi'an Aeronautical Polytechnic, Xi'an 710089，Shaanxi,China)

Abstract:The principle、 application and the equipment of 3D printing technology are introduced and its application in casting practice are analyzed principally. Based on CAD model and 3D printing, the prototype of fork are printed. It’s used as a casting model to complete the sand casting operation. 3D printing technology is able to shorten working hours and lower costs obviously, and it is contributed to improve the effect of practice teaching. 3D printing technology，as a bridge，linked the CAD model and sand casting model process successfully. 3D printing technology became an important role for the casting professional teaching practice. At last, the application development of 3D printing technology is discussed.

Keywords:3D printing；sand casting；CAD model

作者簡介：耿佩(1987—)，女，碩士研究生，主要從事鑄造工藝研究.

收稿日期:2015- 08- 22

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .003

中圖分類號：TG242.1；

文獻標識碼：A；

文章編號:1 006-9 658（2016）01 -0008 -02

稿件編號:1508- 1043