3DP 砂型打印在鑄造生產中的應用研究

劉怡樂，李翔光，胡 健

（貴州航天風華精密設備有限公司，貴州貴陽 550009）

傳統砂型鑄造需要模具廠家配合來進行生產，不能滿足新產品的快速研制及開發需求。3DP打印技術利用三維模型造型，能夠將傳統鑄造的模具制造、造型、制芯、合箱等四個工序全部由3D打印及智能成型一個工序實現，手工、體力工作將被智能機器代替。該技術可以打印出任何形狀的砂型，在產品研發及復雜零件制作上具有巨大優勢，同時3DP 砂型打印在打印精度、打印速度及砂型質量等方面都具有一定的優勢[1-3]。

1 3DP 砂型打印技術

3DP 砂型打印即三維粉末粘接技術，該技術利用微滴噴射技術，將砂型模型進行切片處理后，計算機根據砂型模型的輪廓精準控制打印頭的噴射速度及噴射量，將打印頭樹脂噴在預混的砂子上，待砂子固化后，打印臺下降一個層面，打印頭繼續噴射出樹脂，重復往返，砂子層層進行堆積得到所需砂型模型。

2 3D 砂型數模設計

2.1 設計原則

對鑄造過程而言，在生產過程中最重要的就是鑄件砂型。在鑄件砂型模型設計時，主要從以下幾個方面來進行：

（1）分型面。分型面選取的優劣，對鑄件精度、生產成本和生產率影響很大，特別是3DP 砂型打印后需要對砂型進行清砂，要充分考慮造型設計是否能順利清砂，從而保證砂型的完整精確。同時，要盡可能減少分型面數目并簡化砂型造型。

（2）定位方式。為了保證砂芯模型的位置，提高鑄件的尺寸精度，提高工作效率，設計合理的定位方式對于砂型模型的設計是十分重要的。

（3）排氣系統。為了保證鑄件的質量，砂型模型設計過程中要保證砂型結構有利于鑄件充分的排氣，避免因排氣不良而導致鑄件報廢。

（4）砂型強度。3DP 砂型不同于傳統的手工造型，砂型造型設計時要考慮砂型的強度是否能滿足鑄造生產過程。一般來說，砂型造型時要保證鑄件與四周的壁厚≥35mm；多個鑄件同時造型時，要保證相鄰鑄件間距≥10mm。

（5）吊裝方式。對于實際生產過程來說，鑄件砂型應方便進行搬運，合適的吊裝方式可以大大提高生產效率。小型鑄件可以采用手柄式設計進行搬運，大型砂型可以采用吊裝方式進行搬運。

2.2 砂型數模后處理

砂型模型設計好以后需要將模型導入到3DP打印設備上進行排版優化，進而滿足砂型的打印需求。

2.2.1 導入模型類型

砂型模型設計好后需要將模型導出為“.stl”格式的文件，在對砂型模型進行格式轉換時，模型是以三角片面的方式對其進行劃分，因此三角片面的數量直接影響了砂型的精度。三角片面數量太少，模型在一定程度上會發生變形，但數量太多，又會導致設備的計算量增大，影響設備的運行效率。砂型模型導出時，模型的三角公差及相鄰公差應≤0.05，從而保證模型的精度符合使用需求。

2.2.2 模型位置調整

由于3DP 砂型打印是逐層進行打印的，模型排版時要盡量保證大平面朝下，減少模型打印過程受重力的影響。如圖1 所示，當砂型模型高度方向存在斜面或曲面時，模型的擺放位置不合理就會導致打印出的砂型在重力作用下產生臺階效應甚至發生變形，影響砂型的精度，嚴重時甚至導致砂型的報廢。當設計不得不采用小平面朝下時，應設計相應的輔助模型來防止砂型因重力影響導致的變形。

圖1 砂型模型位置

2.2.3 模型排版

模型位置調整完成后，需要對模型進行三維排版，排版時要保證模型之間留有一定的距離。兩模型距離太近，導致砂型粘合在一起，導致模型的報廢；模型距離太遠，設備的空間利用率低，導致打印及清砂時間增加，降低工作效率。一般來說，兩砂型距離為10～30mm。

2.3 砂型打印

（1）試樣性能測試。模型排版完后需要放入一定數量的測試試樣，用于檢測及記錄其性能。因每次打印時砂型性能都會存在一定的變化，因而需要測試試樣來測試其抗彎性能、抗剪性能及發氣量，保證砂型的質量符合使用需求，并對其性能進行記錄。

（2）砂型打印。試樣性能測試合格后，方可進行砂型的打印工作，在打印過程中注意觀察是否存在異常，以便后期對砂型模型進行修改及調整。

（3）砂型烘烤。為了使打印好的砂型性能達到最佳狀態，將打印好的砂型放入烘箱中于100℃烘烤2～3h 取出方可進行使用。烘烤時間過長或過短，都會直接影響鑄件的質量。

3 生產應用及前景

目前，我廠已成功將3DP 砂型打印技術應用于鑄件和冷鐵的砂型打印，因其打印的砂型表面質量優良，可以大大減少后期砂型的修整及鑄件的打磨工作量，提高鑄件的生產效率。我廠打印的冷鐵砂型如圖2 所示。

圖2 冷鐵砂型圖

相比于傳統鑄造生產，3DP 砂型打印具有精度高、快讀成型及無需模具的優點，可以隨時調整產品的尺寸結構，滿足快速研制及生產的需求，在航空航天、交通運輸及機械制造領域具有不可比擬的優勢。同時，3DP 砂型打印完全不受零件形狀的影響，設計人員可以根據產品功能要求，制定合適的工藝方案；并且完全顛覆傳統的鑄造方式，做到無拔模、無工藝補貼、澆冒口的開設也可以不受任何限制，完全可以按照最優的方式進行。為新產品研制及開發提供極為便利的條件，降低研制及生產的費用，增加產品的附加值，提高產品的質量。與此同時，隨著3DP 砂型打印在鑄造行業的應用逐漸增多，如何將3DP 打印設備國產化及進一步降低打印成本也將是值得重點關注的問題。