3D打印技術以及在快速鑄造成形中的應用

陳文莉

特變電工新疆新能源股份有限公司

3D打印技術以及在快速鑄造成形中的應用

陳文莉

特變電工新疆新能源股份有限公司

3D打印技術是制造業領域正在迅速發展的一項新技術，其核心思想為增材制造。它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體。它無需模具，產生極少的廢料，有效縮短了加工周期，在非批量化生產中具有明顯的成本和效率優勢。3D打印技術在鑄造行業中的引入推動了傳統鑄造成形技術的發展和革新，并迅速改變著鑄造行業的面貌。

3D打印技術；快速鑄造成形；應用

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。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。

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。

2 3D打印的鑄造應用

2.1 3D打印技術在精鑄模樣制作中的應用

3D打印技術首先被應用于鑄造模樣的制作，尤其是熔模精鑄中的模樣制作。SLS、FDM、SLA技術均可用于蠟模的成形，但是由于獲得的蠟模強度較低，在后續處理工序中易于破損，并不適合于薄壁件的鑄造生產。為解決模樣強度不足的問題，人們將成形所用的蠟料替換為其它類型材料，這樣制備出的模樣可以進行一定程度的加工以改善其表面光潔度，提高鑄件的表面質量；但是此后又暴露出了新的問題，如基于非蠟模樣制備的型殼容易開裂、脫模后殘余灰分高等。

在早期采用3D打印技術獲得模樣的嘗試中，型殼開裂在使用非蠟基模料的情況下非常常見，其原因是在去除模樣的過程中，模樣因受熱膨脹而導致了型殼的開裂。為解決這一問題，3Dsystem公司采用了被稱為QuickCast的成形方案，通過在制備模樣時采用六角形、四方形或三角形的非實體打印模式，將模樣內部材料重量減小95%，形成為內部疏松的樹脂模樣，這種結構可以在較低的溫度下就軟化并向模樣內部潰縮，避免對型殼造成過大的應力，因而可降低型殼的開裂風險。需要注意的是，由于模樣內部結構較為疏松，在涂掛工藝之前有必要在模樣表面浸蠟并進行表面修整，以便獲得平整的型殼內腔，進而澆注出較高質量的鑄件。ZCorp公司則采用一種膠質淀粉原料Zp14進行3D打印，所獲得的制件經浸蠟后涂掛耐火材料，以制備型殼并最終澆注零件。

2.2 3D打印技術在精鑄蠟模壓型制作中的應用

受打印周期的限制，模樣的直接3D打印一般適用于單件或數件鑄件的鑄造生產。為了適應于較大批量的鑄件需求，有研究者開始將3D打印技術應用于蠟模壓型的制作，而后在通過所制作的壓型來批量壓制蠟模，以提高鑄件的生產效率。

壓型的3D打印制備分為直接打印和間接獲得兩種方式。壓型的直接獲得意味著通過3D打印直接制備出壓型，所制得的壓型再用于壓制一定批量的蠟模。直接金屬激光燒結(DMLS)、激光凈形制造(LENS)技術均被成功地應用于壓型的3D打印[6，7]，以滿足快速將中等或較大批量鑄件快速推向市場的需求。一些情況下，人們通過3D打印首先獲得母模，然后使用母模翻制壓型，即間接獲得用于壓制蠟模的壓型。室溫固化硅橡膠制模、環氧樹脂制模、噴涂金屬制模等技術都被成功應用于壓型的間接3D打印制造。以采用室溫固化硅橡膠制模工藝的精密鑄造為例，其工藝實施過程如圖5所示，蠟模的制備需要通過如下步驟來完成：(a)建立鑄件的CAD模型；(b)采用SLA方法制備光固化模樣；(c)翻制RTV硅橡膠壓型；(d)壓制蠟模。所壓制的蠟模經修整、組合后，即可進行涂掛制備型殼，完成后續的精鑄流程。工藝適用性評估表明，當鑄件需求量在數十個的量級時，這一工藝具有較佳的適用性。

2.3 3D打印技術在鑄型制作中的應用

3D打印技術也被應用于陶瓷型殼的直接成形。1993年，位于美國加州的Soligen Technology公司在麻省理工學院發展的3DPAM技術基礎上，搭建了直接型殼制作鑄造系統(DSPC)，直接制備出包含內部芯子的陶瓷型殼，減少了傳統熔模精鑄中蠟模壓制組合、制殼脫蠟等繁瑣工序。該DSPC系統通過多個噴頭噴射硅溶膠的方式將剛玉粉末粘結起來，未被粘接的剛玉粉被移除，從而獲得型殼，所制備的型殼在進行高溫焙燒以建立足夠的機械強度后，即可進行金屬液的澆注。DSPC系統可以用于實現任意形狀的零件生產，同時也可適用于包括銅、鋁、不銹鋼、工具鋼、鈷鉻合金在內的多種不同金屬材料的鑄件獲取，鑄件的生產周期可由傳統熔模精鑄的數周縮減至2-3天，目前這一系統已經被用于制造鑄件原型及小批量的全功能鑄件生產。

3D打印技術也正在改變砂型鑄造工藝流程現狀。在傳統的砂型鑄造生產過程中，需要熟練的技術工人依據圖紙或模樣來制作砂型，造型、制芯等工序往往耗費大量人力和時間。通過引入3D打印技術，這種局面也正在得到改變— —人們已經可以通過3D打印技術快速制備所需的砂型結構，從而縮短造型工藝周期，減少對熟練技術工人的依賴。

3 結語

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。

[1]于彥奇.3D打印技術的最新發展及在鑄造中的應用[J].鑄造設備與工藝，2014，02：1-4.