鑄型的3D打印技術及應用

白嘉遠

摘 要：鑄造成形是現代制造業中的重要加工方法之一，鑄造用的鑄型大部分為砂型。鑄造成形結構復雜零件時，由于鑄造砂型加工困難，加工周期長，從而降低了生產效率。3D打印技術是新興的高新技術，該技術可根據零件的三維模型，直接驅動設備快速、準確地制造出產品原型。用3D打印技術制備結構復雜砂型，可實現鑄件的快速成型，降低生產成本。本文主要討論了鑄型的3D打印技術及應用情況。

關鍵詞：快速成型 鑄型 3D打印技術

中圖分類號：TG248 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0080-02

鑄造是一種人類掌握已久的金屬熱加工工藝。其一般方法是將熔融的液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄型中，待其冷卻凝固后，獲得零件或毛坯的方法，距今已有6000年的歷史，目前仍是現代機械制造工業的基礎工藝之一。鑄造結構復雜零件時，周期長，產品柔性差，存在許多不足[1]。3D打印技術是20世紀80年代末新興的高新技術，是以三維模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品。3D打印技術不需切削材料，也不需模具，可批量制造，尤其適用于結構復雜產品的快速制造，生產周期短。用3D打印技術制備結構復雜鑄型（砂型），可實現鑄件的快速成型，降低生產成本。本文主要討論了鑄型的3D打印技術及應用情況。

1 鑄造成形的基本情況

鑄造是材料成型領域中最基本的方法之一。其步驟是先將金屬原料熔煉成熔體，再澆到鑄型里，最后經冷卻凝固、清整處理后得到目標產品。鑄造后的毛坯近乎成形，減少了再加工時間，從而降低了成本。因此，鑄造在許多領域中都有著廣泛的應用[2]。

鑄造成形的主要工藝包括：鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理三個基本部分。鑄造金屬是指用于澆注的金屬材料，多用金屬和非金屬元素組成的合金，故也稱為鑄造合金，常用的鑄造金屬有鑄鐵、鑄鋼、有色合金等。鑄造過程中鑄型直接影響鑄件成形效率及成形質量，目前常用的鑄型為砂型，鑄造結構復雜零件時，復雜砂型制備比較困難，周期較長，從而影響成形效率及鑄件質量。鑄件處理包括清除型芯和鑄件表面異物、鏟磨毛刺和披縫，以及防銹處理和粗加工等。鑄造成形可生產形狀復雜的零件，特別是內腔結構復雜的毛坯。鑄造成形的毛坯經過加工后，其形狀、尺寸能夠滿足生產要求。另外，鑄造用的原材料來源廣泛，常用的金屬材料均可用于鑄造成形，價格也很低廉。鑄造零件的機械性能一般不如鍛件，內部組織粗大。相對其他的成型方法，鑄造工序繁多，影響因素復雜，容易產生缺陷，從而影響鑄件質量。因此，對鑄造材料及鑄造工藝有嚴格的要求。

2 3D打印技術簡介

3D打印技術是20世紀80年代末發展起來的一種先進制造技術。不同于傳統制造工藝，3D打印技術基于離散-堆積成形思想，依據零件的三維模型，分層切片得到各層截面的輪廓信息，然后通過激光、噴射等手段得到各截面的輪廓實體，并逐步疊加形成三維零件[3]。

3D打印技術最大的特點在于其制造的高柔性，即無需任何制造模具，只需根據零件的三維設計數據，就可以直接驅動設備快速、準確地制造出產品。3D打印技術主要包括：光固化成型法（SLA）、分層實體制造法（LOM）、選擇性激光燒結法（SLS）和熔融沉積法（FDM）等。

3 鑄型的3D打印技術及應用特點

鑄造成形復雜零件時，柔性較差，鑄型的制備往往需要一個較長的周期。鑄件尺寸和結構的改變將會直接影響鑄型的設計、制造、裝配等工藝過程。將3D打印技術與鑄造技術結合起來，采用3D打印技術直接或間接完成鑄型（砂型）的制造，將大大提高鑄件的柔性，使鑄造技術在制造柔性方面發生巨大的變化和明顯提高[4]。采用“離散-堆積成形”原理與工藝完成鑄型制造的技術方法稱鑄型3D打印技術。鑄型3D打印技術主要有以下兩種。

（1）選擇性激光燒結法（SLS）。選擇性激光燒結法（SLS）是一種將粉末材料通過激光直接燒結成各種實體形狀的增材成型技術，普遍用于燒結蠟粉、金屬粉和覆膜砂等。一般步驟是先在工作臺上鋪上一層粉末材料，然后在計算機的控制下，激光束按照截面輪廓的信息對零件實心部分所在的粉末進行燒結。一層完成后，工作臺下降一個層厚，再按上述步驟進行下一層的鋪粉燒結。不斷循環，最終得到三維產品。

覆膜砂具有加熱固化的特點，其固化溫度一般為200℃～280℃。當激光掃描覆膜砂時，表面的覆膜砂吸收的光能轉化成熱能并向深層的覆膜砂傳播，使固化溫度范圍內的砂粒發生固結，所以在選擇性激光燒結（SLS）中使用覆膜砂可以快速制作鑄造用的砂型。實驗表明，掃描速度、激光功率等工藝參數對最終的砂型強度有著重要影響。如果功率過大，覆膜砂會因表面的樹脂膜發生過燒和炭化而失去粘結作用。基于覆膜砂的激光快速成型方法具有包括：成型速度快、效率高、成型件的機械性能及表面質量高等特點[5]。

（2）無模鑄型制造。無模鑄型制造通過輪廓掃描、噴射固化等工藝，實現了無模型鑄型的快速制造。首先根據零件的三維模型，利用專業的設計軟件建立相應的鑄型模型。再在每一層鋪好壓實的型砂上，依據模型數據，用分別噴射樹脂和固化劑的兩個噴頭精確地噴射粘結劑和催化劑。在噴射過程中，粘結劑與催化劑發生膠聯反應，二者共同作用地方的型砂會被固化在一起，而其他地方的型砂仍為顆粒態干砂。固化完一層后再粘結下一層，循環往復，直至所有的層粘結完，就可以得到一個三維實體。因為原砂在粘結劑沒有噴射的地方仍是干砂，容易清除，故清理完未固化的干砂部分就可以很快得到一個有一定壁厚的鑄型。最后在砂型的內表面涂敷或浸漬涂料之后就可用于澆鑄金屬[6，7]。

4 結語

鑄型的3D打印技術是一種全新的數字化鑄造方法。其僅使用精密成型設備和計算機軟件控制，即可實現增材成型，大大縮短了鑄造毛坯開發流程和周期，特別適合復雜鑄件的快速制造，同時也實現了傳統鑄造行業的數字化、信息化轉型。

SLS成形方法適用于結構復雜的覆膜砂型制作，產品不易發生變形，但在實際生產中仍需考慮容易發生變形的地方，并對這些地方設計支撐結構。無模型鑄型的快速制造是通過粘結劑和催化劑將砂子粘結在一起，可快速制備結構復雜的砂型。上述兩種方法可以實現復雜零件的直接生產，得到精確的產品試樣，為模具設計提供有利參考。

參考文獻

[1] 程精濤.幾種快速成型方法在鑄造中的應用[J].鑄造技術，2015，36（1）：242-243.

[2] 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）：3-4.

[3] 李偲偲，徐志鋒.快速成形工藝在航空鋁合金鑄件試制中的應用[J].特種鑄造及有色合金，2014，34（2）：212-215.

[4] 蘆剛，李康.基于SLS燒結覆膜砂工藝參數對成型尺寸精度的影響規律[J].鑄造技術，2013，34（3）：314-316.

[5] 姚山，陳寶慶，曾鋒，等.覆膜砂選擇性激光燒結過程的建模研究[J].鑄造，2005，54（6）：545.

[6] 陳鵬，劉繼波，董志鵬，等.淺析快速成型技術在鑄造中的應用[J].鑄造設備與工藝，2017（4）：41-44.

[7] 根利光.3D打印技術在鑄造工藝中的應用[J].國外機車車輛工藝，2017（3）：19-20.

[8] 董選普，黃乃瑜，樊自田，等.快速成型技術及其在鑄造中的應用[J].中國鑄造裝備與技術，2002（5）：25-27.endprint