3D打印技術(shù)以及在快速鑄造成形中的應(yīng)用

陳文莉

特變電工新疆新能源股份有限公司

3D打印技術(shù)以及在快速鑄造成形中的應(yīng)用

陳文莉

特變電工新疆新能源股份有限公司

3D打印技術(shù)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，其核心思想為增材制造。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。它無(wú)需模具，產(chǎn)生極少的廢料，有效縮短了加工周期，在非批量化生產(chǎn)中具有明顯的成本和效率優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)在鑄造行業(yè)中的引入推動(dòng)了傳統(tǒng)鑄造成形技術(shù)的發(fā)展和革新，并迅速改變著鑄造行業(yè)的面貌。

3D打印技術(shù)；快速鑄造成形；應(yīng)用

1 3D打印技術(shù)概述

隨著科學(xué)與生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，快速成型技術(shù)，尤其是3D打印技術(shù)逐漸在制造業(yè)中已經(jīng)占據(jù)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(lái)，以個(gè)性化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、定制化為突出特點(diǎn)的3D打印制造技術(shù)將推動(dòng)第三次工業(yè)革命。

3D打印，又稱作增材制造技術(shù)，是根據(jù)前期設(shè)計(jì)的CAD三維模型，借助計(jì)算機(jī)軟件控制，在打印設(shè)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(shù)。其運(yùn)作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)工作原理基本相同。傳統(tǒng)打印機(jī)是只要輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺(tái)噴墨打印機(jī)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(jī)首先將物品轉(zhuǎn)化為一組3D數(shù)據(jù)，然后打印機(jī)開(kāi)始逐層分切，針對(duì)分切的每一層構(gòu)建，按層次打印。其最大的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是能簡(jiǎn)化制造程序，縮短產(chǎn)品研制周期，降低開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。相比傳統(tǒng)的制造工藝，應(yīng)用3D打印技術(shù)節(jié)省原材料，用料只有原來(lái)的1/3到1/2，制造速度快了3～4倍。

2 3D打印的鑄造應(yīng)用

2.1 3D打印技術(shù)在精鑄模樣制作中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)首先被應(yīng)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(shù)均可用于蠟?zāi)５某尚?，但是由于獲得的蠟?zāi)?qiáng)度較低，在后續(xù)處理工序中易于破損，并不適合于薄壁件的鑄造生產(chǎn)。為解決模樣強(qiáng)度不足的問(wèn)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(jìn)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(zhì)量；但是此后又暴露出了新的問(wèn)題，如基于非蠟?zāi)又苽涞男蜌と菀组_(kāi)裂、脫模后殘余灰分高等。

在早期采用3D打印技術(shù)獲得模樣的嘗試中，型殼開(kāi)裂在使用非蠟基模料的情況下非常常見(jiàn)，其原因是在去除模樣的過(guò)程中，模樣因受熱膨脹而導(dǎo)致了型殼的開(kāi)裂。為解決這一問(wèn)題，3Dsystem公司采用了被稱為QuickCast的成形方案，通過(guò)在制備模樣時(shí)采用六角形、四方形或三角形的非實(shí)體打印模式，將模樣內(nèi)部材料重量減小95%，形成為內(nèi)部疏松的樹(shù)脂模樣，這種結(jié)構(gòu)可以在較低的溫度下就軟化并向模樣內(nèi)部潰縮，避免對(duì)型殼造成過(guò)大的應(yīng)力，因而可降低型殼的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，由于模樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，在涂掛工藝之前有必要在模樣表面浸蠟并進(jìn)行表面修整，以便獲得平整的型殼內(nèi)腔，進(jìn)而澆注出較高質(zhì)量的鑄件。ZCorp公司則采用一種膠質(zhì)淀粉原料Zp14進(jìn)行3D打印，所獲得的制件經(jīng)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(shù)在精鑄蠟?zāi)盒椭谱髦械膽?yīng)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(shù)件鑄件的鑄造生產(chǎn)。為了適應(yīng)于較大批量的鑄件需求，有研究者開(kāi)始將3D打印技術(shù)應(yīng)用于蠟?zāi)盒偷闹谱?，而后在通過(guò)所制作的壓型來(lái)批量壓制蠟?zāi)?，以提高鑄件的生產(chǎn)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(guò)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?zāi)?。直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、激光凈形制造(LENS)技術(shù)均被成功地應(yīng)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(chǎng)的需求。一些情況下，人們通過(guò)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?zāi)５膲盒?。室溫固化硅橡膠制模、環(huán)氧樹(shù)脂制模、噴涂金屬制模等技術(shù)都被成功應(yīng)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(shí)施過(guò)程如圖5所示，蠟?zāi)５闹苽湫枰ㄟ^(guò)如下步驟來(lái)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?zāi)?。所壓制的蠟?zāi)＝?jīng)修整、組合后，即可進(jìn)行涂掛制備型殼，完成后續(xù)的精鑄流程。工藝適用性評(píng)估表明，當(dāng)鑄件需求量在數(shù)十個(gè)的量級(jí)時(shí)，這一工藝具有較佳的適用性。

2.3 3D打印技術(shù)在鑄型制作中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)也被應(yīng)用于陶瓷型殼的直接成形。1993年，位于美國(guó)加州的Soligen Technology公司在麻省理工學(xué)院發(fā)展的3DPAM技術(shù)基礎(chǔ)上，搭建了直接型殼制作鑄造系統(tǒng)(DSPC)，直接制備出包含內(nèi)部芯子的陶瓷型殼，減少了傳統(tǒng)熔模精鑄中蠟?zāi)褐平M合、制殼脫蠟等繁瑣工序。該DSPC系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)噴頭噴射硅溶膠的方式將剛玉粉末粘結(jié)起來(lái)，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(jìn)行高溫焙燒以建立足夠的機(jī)械強(qiáng)度后，即可進(jìn)行金屬液的澆注。DSPC系統(tǒng)可以用于實(shí)現(xiàn)任意形狀的零件生產(chǎn)，同時(shí)也可適用于包括銅、鋁、不銹鋼、工具鋼、鈷鉻合金在內(nèi)的多種不同金屬材料的鑄件獲取，鑄件的生產(chǎn)周期可由傳統(tǒng)熔模精鑄的數(shù)周縮減至2-3天，目前這一系統(tǒng)已經(jīng)被用于制造鑄件原型及小批量的全功能鑄件生產(chǎn)。

3D打印技術(shù)也正在改變砂型鑄造工藝流程現(xiàn)狀。在傳統(tǒng)的砂型鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，需要熟練的技術(shù)工人依據(jù)圖紙或模樣來(lái)制作砂型，造型、制芯等工序往往耗費(fèi)大量人力和時(shí)間。通過(guò)引入3D打印技術(shù)，這種局面也正在得到改變— —人們已經(jīng)可以通過(guò)3D打印技術(shù)快速制備所需的砂型結(jié)構(gòu)，從而縮短造型工藝周期，減少對(duì)熟練技術(shù)工人的依賴。

3 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)作為目前一種先進(jìn)制造技術(shù)，近年來(lái)已得到快速發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多。但其推廣力度還不夠大，應(yīng)該加強(qiáng)教育培訓(xùn)，促進(jìn)3D打印技術(shù)的社會(huì)化推廣；加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平，擴(kuò)大其在鑄造成形領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用。

[1]于彥奇.3D打印技術(shù)的最新發(fā)展及在鑄造中的應(yīng)用[J].鑄造設(shè)備與工藝，2014，02：1-4.