基于3D打印技術的手輪鑄模設計與制造*

耿 佩 周 超 馬 麗

（西安航空職業技術學院航空材料工程學院, 陜西西安 710089）

3D打印，是根據已有的CAD零件模型，借助某種計算機輔助軟件，在快速成型設備上逐層進行材料堆積，進而完成零件整體成形的一種快速成形制造技術[1-2]。3D打印的核心思想是增材制造，它能簡化成形工序，縮短交付周期，降低制造成本，且具有綠色制造的特點。相比機加工和鑄鍛成形工藝，3D打印技術能大幅度節省了原材料，成形用材料只需原來的一半至1/3，制造速度增加了 3～4 倍[3-4]。

目前，3D打印技術的應用推廣，已覆蓋了制造、醫療、教育、航空航天、軍事等多個領域。它與鑄造技術的結合應用也逐步凸顯，尤其在替代傳統砂型鑄造的原型設計與制造方面。它對未來鑄造行業的智能鑄造、精密鑄造和智能鑄造工廠的建設等有著非常重要的促進作用和變革意義[4-6]。本文主要針對3D打印技術中的FDM技術在手輪零件砂型鑄造成形中的原型替代方面進行實驗研究。

1 手輪零件造型設計

手輪是機械制造工裝設備行業應用比較廣泛的機械零件之一，其成形方法大多數是通過鑄造技術和后期機加工方法制造完成。利用砂型鑄造技術完成手輪零件的鑄造成形時，常出現的鑄造缺陷是內部疏松和輪輻裂紋等，為此常采用的優化鑄造工藝是順序凝固或同時凝固，合理設計澆冒口系統和排氣系統。在傳統的鑄造專業教學領域，經常采用木質手輪模具，長期使用會出現木模開裂，表面粗糙度過大導致手輪鑄件形狀不規整、表面質量下降等問題。

圖1 手輪二維零件圖Fig.1 Hand-wheel 2D modeling part

本文研究對象是小型車床手輪，其零件圖如圖1所示，手輪的外圓為Φ130mm，輻條的寬度為15mm，中間有一個Φ30mm的實心圓柱，用于連接與支撐起輻條，起固定作用并承擔起受力作用。這也是在原有手輪零件基礎上針對輪輻出現裂紋過大甚至斷裂的問題進行尺寸優化后所設計的。基于Pro-e軟件完成手輪零件的三維造型設計如圖2所示。

圖2 手輪三維造型圖Fig.2 Hand-wheel 3D modeling drawing

2 手輪砂型鑄造工藝方案的確定

通過鑄造工藝性分析，確定手輪砂型鑄造的造型方法為挖沙造型，分型面選在輪緣最大截面處，如圖3所示。澆注位置可基于合金凝固理論和生產經驗確定，還要保證符合凝固順序，重要加工面朝下，避免夾砂結疤類缺陷等原則，因此手輪澆注位置選擇在輪緣中心位置。

圖3 手輪分型面位置Fig.3 Hand-wheel parting surface position

3 基于FDM技術打印手輪鑄模

3.1 FDM打印原理

本文選用3D打印技術中的FDM技術完成手輪鑄模原型的打印過程。FDM，就是熔融堆積技術， 是通過將絲狀的熔融性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭將熔融物料擠出來，熔融性材料在噴嘴里經過高溫融化后從噴嘴擠出，堆積在工作臺面板或者前一層已經固化好的物料上，當溫度低于材料固化溫度后，物料便開始固化，通過熱熔性材料的一層一層堆積便可形成出最終的產品[7-8]。FDM打印原理如圖4所示。

圖4 FDM技術打印原理圖Fig.4 FDM technology printing schematic

3.2.1 手輪三維模型數據的切片處理

快速成型技術其實質就是逐層打印，配合工作臺和噴頭的位置移動，進行相應形狀的層層堆積，進而實現整個零件的打印成形。對三維模型的切片處理，就是為了提取零件每層的截面信息，生成數據文件，也是為了確定噴頭在每層行走的軌跡，然后將生成的數據文件導入FDM快速成型機中。切片時切片厚度越小，成型件的質量越高，但相應打印時間就會拉長，反之則質量降低，加工時間縮短[7]。手輪零件切片處理后的打印參數設置如圖5所示。

圖5 手輪FDM打印參數設置Fig.5 Setting of Hand-wheel FDM printing parameters

3.2.2 打印成形并取件

將生成的切片數據文件導入快速成型機系統，噴頭便沿著文件指令逐層行走，并噴出熱熔性材料，待打印完畢，熱熔性材料已全部固化。本次打印成形使用的熱熔性材料是ABS，固化速度快，打印出的手輪原型表面相對光滑，結果如圖6所示。

圖6 3D打印的手輪鑄模原型Fig.6 3D printed hand-wheel casting prototype

4 砂型鑄造過程

對上述打印出來的手輪鑄模進行表面拋光處理，并以此作為鑄造模具，對其進行砂型鑄造挖沙造型并澆鑄。整個過程相比于原始的砂鑄方法節省時間，鑄件表面質量好，模具表面磨損小。對于單件小批量生產來說，可明顯提高生產效率，降低制造成本。

5 結語

通過FDM技術打印了手輪零件，將其作為砂型鑄造原型模具進行挖沙造型并澆鑄成形，得到的手輪鑄件，表面質量良好。此模具原型相比原有的木模原型使用壽命將會更長，還解決了原有木模易變性、易開裂導致鑄件質量變差的問題。

目前許多應用案例表明，通過3D打印砂型與鑄造工藝技術的結合，可將交貨周期從2～3個月縮短至3周，并且成本也大幅降低。未來3D打印技術將會隨著人工智能技術在新合金材料的研發應用發展，將會在更多行業逐步替代傳統制造技術。