3D打印在精密铸造行业应用(yòng)
日期：2019-05-23 / 人气：
快速成形制造技术是目前國(guó)际上成型工艺中备受关注的焦点。铸造作為(wèi)一项传统的工艺，制造成本低、工艺灵活性大，可(kě)以获得复杂形状和大型的铸件。充分(fēn)发挥两者的特点和优势，可(kě)以在新(xīn)产品试制中取得客观的经济效益。
3D打印包括SLS、SLA、SLM等3D打印成型方 法,与传统制造方法不同，3D打印从零件的CAD几何模型出发，通过软件分(fēn)层离散和数控成型系统，用(yòng)激光束或其他(tā)方法将材料堆积而形成实體(tǐ)零件，所以又(yòu)称為(wèi)材料添加制造法。由于它把复杂的三维制造转化為(wèi)一系列二维制造的叠加，因而可(kě)以在不用(yòng)模具和工具的条件下几乎能(néng)够生成任意复杂形状的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。
与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成為(wèi)现代模型、模具和零件制造的强有(yǒu)力手段，是目前适合我國(guó)國(guó)情的实现金属零件的单件或小(xiǎo)批量敏捷制造的有(yǒu)效方法，在航空航天、汽車(chē)摩托車(chē)、家電(diàn)等领域得到了广泛应用(yòng)。 3D打印技术能(néng)够快捷地提供精密铸造所需的蜡模或可(kě)消失熔模以及用(yòng)于砂型铸造的木(mù)模或砂模， 解决了传统铸造中蜡模或木(mù)模等制备周期長(cháng)、投入大和难以制作曲面等复杂构件的难题。而精密铸造技术（包括石膏型铸造）和砂型铸造技术，在我國(guó)是非常成熟的技术，这两种技术的有(yǒu)机结合，实现了生产的低成本和高效益，达到了快速制造的目的。
3D打印技术的特点
3D打印的过程是首先生成一个产品的三维CAD实體(tǐ)模型或曲面模型文(wén)件，将其转换成特定的文(wén) 件格式，再用(yòng)相应的软件从文(wén)件中“切”出设定厚度的一系列片层，或者直接从CAD文(wén)件切出一系列的片层。这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，用(yòng)材料添加法并以激光為(wèi)加热源，依次将每一层烧结或熔结并同时连结各层，直到完成整个零件。成型材料為(wèi)各种可(kě)烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末或它们的混合粉末。 3D打印技术与传统方法相比具有(yǒu)独特的优越性，其特点如下：
1.方便了设计过程和制造过程的集成，整个生产过程数字化，与CAD模型具有(yǒu)直接的关联性， 零件所见即所得，可(kě)随时修改、随时制造，缓解了复杂结构零件CAD/CAM过程中CAPP的瓶颈问题。
2.可(kě)加工传统方法难以制造的零件材质，如梯度材质零件、多(duō)材质零件等，有(yǒu)利于新(xīn)材料的设计。
3.制造复杂零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用(yòng)工程材料直接成形机械零件时，不再需要设 计制造毛坯成形模具。
4.实现了毛坯的近净型成形，机械加工余量大大减小(xiǎo)，避免了材料的浪费，降低了能(néng)源的消耗， 有(yǒu)利于环保和可(kě)持续发展。
5.由于工艺准备的时间和费用(yòng)大大减少，使得单件试制、小(xiǎo)批量生产的周期和成本大大降低，特 别适用(yòng)于新(xīn)产品的开发和单件小(xiǎo)批量零件的生产。
6.与传统方法相结合，可(kě)实现快速铸造、快速模具制造、小(xiǎo)批量零件生产等功能(néng)，為(wèi)传统制造方 法注入新(xīn)的活力。
3D打印技术在铸造中的应用(yòng)
（1）精密铸造
精密铸造是所有(yǒu)铸造方法中精确的一种，精度一般优于0.5％，且可(kě)重复性好，铸件只需少量的 机加工就可(kě)以投入使用(yòng)。由于铸模是一次性使用(yòng)，使得制造内部结构复杂的零件成為(wèi)了可(kě)能(néng)，能(néng)生产锻造或机加工不能(néng)生产的零件。尽管精密铸造有(yǒu)着很(hěn)多(duō)的优越性，但其生产过程复杂且冗長(cháng)。压制蜡模的铝模制作，视其复杂程度和尺寸大小(xiǎo)，一般要花(huā)几周到几个月时间。得到铝模后，还要几周时间才能(néng)得到铸件。这几周主要是用(yòng)于制作型壳。除了耗时外，精密铸造还很(hěn)费工，50％～80％的费用(yòng)都出自于人工。此外，小(xiǎo)批量生产中的模具费用(yòng)分(fēn)摊至使单价昂贵。 3D打印和精密铸造是互补的，这两种方法都适用(yòng)于复杂形状零件的制造。如果没有(yǒu)快速自动成 型，铸模的生产就是精密铸造的瓶颈过程；然而没有(yǒu)精密铸造，快速自动成型的应用(yòng)也会存在很(hěn)大的局限性。
3D打印技术在精密铸造中的应用(yòng)，可(kě)以分(fēn)為(wèi)三种：
一是消失成型件（模）过程，用(yòng)于小(xiǎo)批量件生产；
二是直接型壳法，用(yòng)于小(xiǎo)量生产；
三是快速蜡模模具制造，用(yòng)于大批量生产。
（2）快速铸造
在制造业特别是航空、航天、國(guó)防、汽車(chē)等重点行业，其基础的核心部件一般均為(wèi)金属零件，而 且相当多(duō)的金属零件是非对称性的、有(yǒu)着不规则曲面或结构复杂而内部又(yòu)含有(yǒu)精细结构的零件。这些零件的生产常采用(yòng)铸造或解體(tǐ)加工的方法，快速铸造是所有(yǒu)采用(yòng)3D打印件做母模或过渡模来复制金属件的方法中具吸引力的一种。这是因為(wèi)铸造工艺能(néng)生产复杂形状的零件。 在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用(yòng)机加工的方法来完成的，有(yǒu)时还需 要钳工进行修整，周期長(cháng)、耗资大，从模具设计到加工制造是一个多(duō)环节的复杂过程，略有(yǒu)失误就可(kě)能(néng)会导致全部返工。
特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸體(tǐ)和缸盖等，模具的制造更是一个难度非常大的过程，即使使用(yòng)数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可(kě)行性方面仍存在很(hěn)大困难。 3D打印技术与传统工艺相结合，可(kě)以扬長(cháng)避短，收到事半功倍的效果。利用(yòng)3D打印技术直接 制作蜡模，快速铸造过程无需开模具，因而大大节省了制造周期和费用(yòng)。图2為(wèi)采用(yòng)快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用(yòng)几十万；用(yòng)快速铸造方法，3D打印铸造熔模3天，铸造10天，使整个试制任務(wù)比原计划提前了5个月。
3）石膏型铸造
精密铸造通常被用(yòng)来从3D打印件制造钢铁件。但对低熔点金属件，如铝镁合金件、石膏型铸造，效率更高。同时铸件质量能(néng)得到有(yǒu)效的保证，铸造成功率较高。在石膏型铸造过程中，3D打印件仍然是可(kě)消失模型，然后由此得到石膏模进而得到所需要的金属零件。 石膏型铸造的第一步是用(yòng)3D打印件制作可(kě)消失模，然后再将3D打印消失模埋在石膏浆體(tǐ)中得到 石膏模，再将石膏模放进培烧炉内培烧。
这样将3D打印消失模通过高温分(fēn)解，终完全消失干净，同时石膏模干燥硬化，这个过程一般要两天左右。后在专门的真空浇铸设备内将熔溶的金属铝合金注入石膏模，冷却后，破碎石膏模就得到金属件了。这种生产金属件的方法成本很(hěn)低，一般只有(yǒu)压铸模生产的2％～5％。生产周期很(hěn)短，一般只需2～3周。石膏型铸件的性能(néng)也可(kě)与精铸件相比，由于是在真空环境完成浇注，所以性能(néng)甚至更优于普通精密铸造。
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