基于3D打印技術(shù)的水槍扳機(jī)鑄造工藝改進(jìn)

呂炳邑

摘要：3D 打印機(jī)成本和打印材料價(jià)格逐漸降低、模具打印填充率為 20% 的設(shè)置下，相比制作木模等輔助件，3D 打印的成本大大降低。3D 打印技術(shù)可以與砂型鑄造完美結(jié)合，尤其在中小批量及產(chǎn)品個(gè)性化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，且成本較低。本工藝研究針對(duì)水槍扳機(jī)鑄造困難且成型精度難以保證的缺點(diǎn)，運(yùn)用3D打印技術(shù)成型快、制作精良等特點(diǎn)，進(jìn)行輔助件設(shè)計(jì)，大幅度縮短鑄造時(shí)間，提高鑄件成型效率。

Abstract： When the cost of 3D printer and the price of printing materials are gradually reduced and the filling rate of mold printing is 20%， the cost of 3D printing is greatly reduced compared with making auxiliary parts such as wooden mold. 3D printing technology can be perfectly combined with sand casting， especially in small and medium batches and product personalization， with unique advantages and low cost. This process research aims at the shortcomings of water gun trigger casting difficulty and difficult to guarantee the molding accuracy. It uses 3D printing technology to form fast and well-made， and performs auxiliary parts design， which greatly reduces the casting time and improves the casting molding efficiency.

關(guān)鍵詞：3D打印;鑄造工藝;木模;工藝設(shè)計(jì)

Key words： 3D printing;casting process;wood mold;process design

中圖分類號(hào)：TG248 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）19-0177-02

0 ?引言

傳統(tǒng)的砂型鑄造有著悠久的歷史，有著適應(yīng)范圍廣、可制造各種合金以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)代機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。砂型鑄造工序較多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，部分工序（如挖砂）質(zhì)量難以保證，在鑄造過程中容易出現(xiàn)縮孔和氣孔，而對(duì)于一些復(fù)雜的零件，砂型鑄造就更沒法保證零件是否能完整取出，以及零件需要添加型芯、滑塊時(shí)，這些輔助零件制作也是我們所要考慮的因素。另外對(duì)于多品種、小批量的產(chǎn)品，模具的制造成本普遍較高，隨著社會(huì)的發(fā)展，定制化、個(gè)性化趨于常態(tài)，而 3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，恰好迎合了目前鑄造行業(yè)的需求。

1 ?3D打印技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

3D打印技術(shù)是一種精確、可靠、低成本的新興技術(shù)，材料來(lái)源廣泛且對(duì)環(huán)境沒有污染，適用范圍廣。它是一種以數(shù)字模型文件為底層運(yùn)算原理，運(yùn)用可粘性材料，通過層層打印堆積方式來(lái)構(gòu)建物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)在生活中的應(yīng)用隨處可見，利用3D打印易建模造型設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，使得在工件中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，2017年清華大學(xué)的學(xué)者就提出基于 3D 打印成形的智能鑄型-鏤空靈巧鑄型結(jié)構(gòu)思想，采用殼型、空心夾層、桁架支撐等結(jié)構(gòu)，徹底改變鑄型的密實(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)鑄型智能化。

目前3D打印技術(shù)在砂型鑄造領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景。

①該技術(shù)的應(yīng)用，大幅度改善了造型、制芯等工序惡劣的勞動(dòng)環(huán)境;

②該技術(shù)的應(yīng)用省略了制作模具的環(huán)節(jié)，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品試制的速度與靈活性;

③該技術(shù)的應(yīng)用大幅提高了產(chǎn)品尺寸精度，增強(qiáng)了砂型尺寸的控制能力，將復(fù)雜的產(chǎn)品砂型變簡(jiǎn)單，增強(qiáng)產(chǎn)品品質(zhì)，提高了生產(chǎn)效率[1]。

因此，將 3D 打印技術(shù)和傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)鑄造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2 ?水槍扳機(jī)鑄造輔件設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)的砂型鑄造在鑄造水槍扳機(jī)（見圖1）等復(fù)雜造型的工件時(shí)，往往因?yàn)楣ぜ脑煨蛷?fù)雜、工件緊湊等特點(diǎn)，容易造成工件成型精度差，重要面缺失等缺陷。本工藝改進(jìn)結(jié)合3D打印技術(shù)，對(duì)水槍扳機(jī)等造型困難、難以成型的工件設(shè)計(jì)鑄造輔助件，以便在鑄造時(shí)能夠更好、更快的達(dá)到零件質(zhì)量要求。

其工作流程：

①在電腦上利用3D軟件設(shè)計(jì)出與水槍扳機(jī)相符合搭配的輔助件，在設(shè)計(jì)過程中一定注意水槍扳機(jī)的重要工作面（圖2），此外還要考慮在砂型鑄造過程中一系列問題如取拿、缺陷等。

②輔助件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行分層結(jié)構(gòu)信息編程。

③將已經(jīng)設(shè)計(jì)好且分層設(shè)計(jì)完成的工件轉(zhuǎn)化為打印機(jī)可以識(shí)別的STL文件，將其輸入至3D打印機(jī)中。

④前期的工作做完后打印機(jī)在特定的工作面進(jìn)行層層堆積形成輔助件實(shí)體（圖 3）。

在實(shí)際鑄造過程中，將設(shè)計(jì)輔助件與水槍扳機(jī)相配合鑄造，不僅簡(jiǎn)化了工藝大大縮短時(shí)間并保證了工件成型精度。

現(xiàn)代，主流的3D打印技術(shù)有熔融沉積成型技術(shù)、光固化制造技術(shù)等。熔融沉積成型技術(shù)——FDM 3D打印機(jī)，主要采用的材料是塑料，利用塑料的熔點(diǎn)將其層層堆積而成，打印機(jī)的價(jià)格相對(duì)便宜。光固化制造技術(shù)——SLA 3D打印機(jī)，光敏樹脂為原材料進(jìn)行工作，價(jià)格相對(duì)與熔融堆積成型技術(shù)較貴一些，打印精度高[2]。本工藝研究采用打印機(jī)為FDM 3D打印機(jī)。

3 ?實(shí)施過程

利用3D打印技術(shù)將輔助件打印出，與工件（水槍扳機(jī)）進(jìn)行配合，見圖4，鑄造前進(jìn)行零件放置設(shè)計(jì)，模擬放置現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行基本的放置處理，以防止出現(xiàn)鑄造過程中一系列缺陷，再進(jìn)行傳統(tǒng)的砂型鑄造，將水槍扳機(jī)組件進(jìn)行砂型鑄造，見圖5，將其進(jìn)行完整的兩箱鑄造，得到實(shí)物。在鑄造過程中的注意事項(xiàng)：

①鑄造工件傾向于定向凝固，冷卻速度改變了凝固方式。適當(dāng)調(diào)整其冷卻速度。

②鑄件進(jìn)行鑄造過程中可能會(huì)出現(xiàn)鑄件定位不精確，造成鑄造錯(cuò)位，利用3D打印技術(shù)可以對(duì)零件的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，通過建模來(lái)模擬實(shí)際應(yīng)用過程中的場(chǎng)景。

③鑄造工件尺寸與原型不符，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)候適當(dāng)調(diào)整，遵循熱脹冷縮。

4 ?工藝對(duì)比論證

從鑄件表面以及流程中可以得到結(jié)論，使用3D打印模型與傳統(tǒng)砂型鑄造相結(jié)合不僅保證了表面粗糙度質(zhì)量，大幅度節(jié)省了鑄造時(shí)間（相比于傳統(tǒng)的木模輔助件時(shí)間節(jié)約近32%），相對(duì)的提高了工件外觀品質(zhì)，通過對(duì)鑄件進(jìn)行檢查，無(wú)論是強(qiáng)度、硬度還是工件的壁厚均是滿足于圖紙要求，通過對(duì)鑄件的組織成分還是金相組織的檢測(cè)，均符合技術(shù)要求。

5 ?結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)鑄件水槍扳機(jī)的輔助件設(shè)計(jì)配合，不僅提高了鑄件的成型精度并且大幅度的減少了水槍扳機(jī)鑄造時(shí)間，同時(shí)，通過對(duì)工藝技術(shù)的改進(jìn)，能有效避免鑄件過程中氣泡及疏松問題。通過砂型鑄造技術(shù)與新興3D打印技術(shù)的結(jié)合，不僅可以節(jié)省時(shí)間，更是在表面質(zhì)量上達(dá)到了一個(gè)新的起點(diǎn)，利用3D打印技術(shù)成型快、制作精良的優(yōu)勢(shì)，不僅在砂型鑄造中可應(yīng)用，未來(lái)會(huì)更進(jìn)一步進(jìn)步，應(yīng)用于更多技術(shù)之中。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬濤，李哲，程勤，馬浩楠，陳玉丹.3D打印技術(shù)在砂型鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用前景淺析[J].現(xiàn)代鑄鐵，2019，39（02）：38-40，50-51.

[2]段望春，高佳佳，董兵斌，李研，劉少偉，楚瓏晟.3D打印技術(shù)在金屬鑄造領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與展望[J].鑄造技術(shù)，2018，39（12）：2895-2900.

[3]黃宏俊.3D打印技術(shù)在鑄造實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（20）：253-255.