V法铸造模具的FDM增材制造工艺分析

V法铸造模具的 FDM增材制造工艺分析

赵书芳  戴美琴

常州市安平安全技术服务有限公司 江苏 常州 213003

摘要：本文简要介绍了V法铸造工法特点，阐述了FDM工艺优势，从模具硬度、抗压性能等视角分析了增材制造工艺的优化性与可行性，确保铸件生产具有精细性，减少铸件表层发生质量问题，显著缓解模具生产难度，提升模具生产速度，优化用材成本。

关键词：V法铸造；硬度；外观质量

引言：增材生产含有多种方法，比如选区熔化、激光熔化等。在制造期间，热源特点、材料属性、工法优化性均是增材生产的干扰条件。因此，以V法铸造工艺为视角，研究增材生产方式，确保增材产品质量，极具研究价值。

1V法铸造工法特点

V法造型工艺在实践使用时，主要是借助真空、薄膜等素材，有效粘合干砂，使其成形^[1]。相比普通砂型铸造工法，V法铸造工艺的使用，能够使铸件产品表层更具光洁性、规格更具精密性。V法铸造工艺表现出铸件外观质量优质、规格精细化等特点。铸件优异质量主要依赖于V法模具。V法模具有气孔、抗形变、耐高温等生产优势。其一，在转角、曲面等位置，具有覆膜困难性的区域，需要进行气孔设计，确保覆膜完整。其二，V法模具在形成铸件外观结构塑造时，会受到砂自重、真空挤压等多重作用，由此要求生产模具拥有较高强度。其三，V法铸造期间，含有烤模工序，对模具高温耐受性提出了一定要求。现阶段，V法模具在生产时，主要是以木材为生产用料，借助数控加工程序完成生产。然而，木模具整体加工操作所需时间较长，要求加工成本较高，对于工人操作专业性给出了较高标准，由此难以保障模具生产精细性。模具通气孔的设计点位，在多种因素的共同作用下，形成了生产制约效应。因此，使用FDM工法，积极解决木模生产问题。

2FDM工艺优势

FDM工艺是以3D技术为基础，使用PLA、ABS各类材料，在送丝设备作用下，传送至打印头。在打印结构的加热温度，依据耗材熔融需求，进行相应调节。打印装置以零件各层外部结构为主，逐一运行。与此同时，在各层零件、工作区表层进行熔融材料传输，在各层沉淀、用料凝固、用料冷却条件下，获得生产零件。FDM工艺表现出加工时间不长、所需成本较少、环保性等优势，现阶段获得了广泛应用，可作用于未来V法模具生产的主要工艺。

3增材制造工艺

3.1工艺准备

FDM打印用料，以现阶段使用较为广泛的聚乳酸成分为主，性能特点为：成形温度介于170与230摄氏度之间，温度耐受性处于70摄氏度与90摄氏度之间，收缩能力为0.3%，外观整体光泽性优异，表现出较高的透明性，具有可降解、延展性等优势。在模具处理时，填充比例为25%为基础，在顶层与底部两个位置设计壁厚时，厚度区间为[1.5，2.5]毫米。其余位置厚度设计成1.5毫米。模具工艺参数方案为：填充比例设计为25%，采取材质厚度1.5毫米、顶部2.0毫米、底部2.5毫米的层级性设计方法，填充比例增至50%。结合实测所知收缩比例，合理处理层级性模具模型，对其给出放大、缩小等处理。使用FDM给出梯形模具，同时开展V法外形铸造、浇注各项试验，操作游标卡尺、粗糙性测定设备，获取铸件生产精密性、表层平整性参数。

3.2模具硬度分析

使用邵氏硬度计，测定各类填充比例、模具各位置的硬度属性。在测定时，邵氏强度取值在80与84HD之间，获得的模具性能，在抗压强度方面具有优异性。使用FDM塑造材质时，邵氏强度检测结果，模具顶、底各位置给出的影响不大。因此，使用FDM工法进行塑造模具外形时，需要保持模具整体强度达标性，减少结构变形可能性，适当控制各位置厚度的填充比例。

3.3测定模具抗压性能

借助材料具有的温度高、耐受性等特点，围绕试样开展性能压缩测试，检测试样整体抗压、弹性特点。检测期间发现：填充比例为50%的模具，相比25%填充的模具，在进行模具位置移动时，表现出更强的应力强度；在整体检测期间，试样中心区有膨胀表现，并未发现裂纹。在填充比例设定为25%时，在试样表面施加的载荷参数，在试样各位置厚度增长的情况下，载荷相应增加。在试样顶部、底部各位置厚度均值设定为1.5毫米时，填充比例调整为50%，试件能够承受的载荷最大值明显高于填充比例为25%、各类厚度的试样，包括厚度均值为2.5毫米、25%填充比例的试样。由此说明：填充比例对于试件抗压性能的作用，相比试件各位置厚度，更具影响力^[2]。

3.4模具外观质量分析

使用FDM工艺塑造获得的模具，测定模具外表质量，包括表层光滑性、结构收缩性等。模具产品表层凹凸性介于1.5与4.0um之间，远小于数控加工生产获得的环保性模具。在模具填充比例为1/4时，模具各位置厚度设计为1.5毫米。模具表层凹凸性处于均等水平。当模具各位置厚度设计为2毫米时，模具表层凹凸性明显减少。与此同时，各组生产方案的模具表层凹凸性差异性不大，说明模具顶层与底层两个区域的厚度设计，不会为模具表层凹凸性、光滑性产生较大影响。在填充比例由1/4转变成1/2时，模具表层凹凸性有所降低，表层光滑性有所增加。凹凸性测定结果不大于2um，证实填充比例对于模具表层质量具有明显作用。因此，在使用FDM工法塑造模具时，需要有效保持模具整体强度，减少模具结构变形问题，适当提升模具生产的填充比例，有效控制模具顶层、底层两个位置的厚度设计，确保模具表层光滑性达标。

使用FDM公司塑造获得的PLA材料，测定模具收缩能力时，测定结果为[-0.9，1.5]，远高于木材在水含量不足时的收缩能力，接近于金属模具，符合V法模具生产标准。在模具顶层、底层两个位置，厚度设计从1.5毫米，调整至2毫米，模具整体收缩能力有所增强。顶层、底层两个位置厚度2毫米、2.5毫米，两种模具在收缩变化时，并不具有较大差异。当模具厚度设计相同时，1/4与1/2两种收缩比例的模具相比时，表现出较大的收缩差异性。1/2填充比例的模具，在测定期间，发生反向收缩问题。与此同时，两种模具在收缩形变量对比时，表现出一定差异性。此种不同填充比例形成的模具生产差异，远小于厚度1.5毫米与2毫米之间的差异。因此，在使用FDM进行模具塑造时，需要适当增加模具填充比例，有效控制顶层与底部各位置的厚度设计。

3.5铸件外观质量分析

结合测量实际获得的铸件收缩表现，合理调节模具立体模型，进行有效的模型大小处理。使用FDM工艺塑造各层次模具，借助数控铣床加工法，合理给出环保型材料模具的各类生产方案，进行各层次铸件生产质量对比。对比铸件整体收缩大小、表层凹凸性，结合测量所得资料，进行性能对比。经对比发现：FDM工艺获得的各类模具，生产获得的铸件，其整体收缩能力介于1.15%与1.60%之间，铸件表层凸凹性取值为[2.5，4.5]um；环保型模具生产所得铸件，其整体收缩能力均为1.4%，铸件表层凸凹性取值为[4.4，5.5]um。在FDM工艺生产期间，收缩性最佳的生产方案为：填充比例为25%，层顶与底部各位置厚度设计为2毫米，此时获得收缩能力最大值1.6%。其他生产方案的铸件收缩能力均小于环氧树脂生产工艺。

结论：综上所述，与数控生产相比，FDM在模具打孔、标准件生产、材料回收等方面，表现出较强的环保性，能够有效优化模具生产所用时间，合理优化材料存储空间，确保生产精度达标，顺应模具生产要求。

参考文献：

[1]董选普,左春林,凌宏江.V法铸造模具的FDM增材制造工艺研究[J].铸造工程,2021,45(01):30-36.

[2]唐宏博.增材制造工艺影响因素的分析[J].机械管理开发,2019,34(12):281-283.