3D打印砂型技术在铸件开发中的运用思考

3D打印砂型技术在铸件开发中的运用思考

杨志彪,1 ,陈小童2

肇庆学院   广东省肇庆市  526060

摘要：3D打印技术作为快速成型技术，将数字模型文件为基础，采用粉末状金属或塑料等可黏性材料，通过逐层打印文件的方式来构造物体。3D打印技术目前常用于模型制造、工业设计等领域中，目前也用于一些产品的直接制造，也采用该技术打印零部件。3D打印技术在珠宝、工业设计、建筑、汽车、牙科、土木工程、航空航天等领域广泛应用。3D打印技术被认定为促进第四次工业革命发展的很重要技术，常规统一生产的产品复杂性、成本以及可行性都达到极限的情况下，3D打印技术则发挥着重要的作用。本文针对3D打印技术的发展以及特点进行分析，分析3D打印砂型技术在铸件开发中的应用效果，通过研究发现，采用3D打印砂型技术提高了复杂铸件开发的效率，有效节省了铸造的成本。

关键词：3D打印砂型技术；铸件开发；应用效果

   引言

3D打印技术实现了数字化砂芯的生产，代替了传统的芯盒、模具等，从CAD数据直接打印砂型和砂芯，实现了无模化生产。3D打印机的原理为：将混有固化剂的砂通过铺粉器均匀的铺在工作台上，从而完成铺砂的操作；带引头要根据计算机截面图形将树脂选择性的喷射在砂层上，完成固化；工作台上一层粘结完成后，成型钢要下降0.28mm；逐层进行固化，重复的完成砂型打印；多余的砂被收集后，被固化的砂在成型中发挥支持作用，成型完成后则容易去除；清理为固化的砂子获得需要的砂型，完成所有流程。采用3D打印砂型技术后，浇筑获得的铸件精准度较高、容易清理，适用于新产品的开发以及复杂单件的小批量生产；3D打印砂型技术设计只需要更改三维模型就可以快速完成设计和切换。3D打印砂型技术打印成本较高，普通铸件无法生产的砂型则可采用3D打印砂型技术来完成。

一、3D打印技术的发展进程 

3D打印技术最早提出在上世纪末期，其原理就是通过光固化和纸层叠技术快速成型的装置。随着第一代原型机在德国制造出来并获得了专利，该技术就得到积极的发展，越来越多的科研机构也纷纷加入研究3D打印技术，经过不断的开发与研究，3D打印技术也得到极大的创新，在工业、医学等领域都得到广泛的应用。3D打印技术的特点为：（1）速度快。能够实现无模生产，交货期从几周可以缩短到几天。（2）适用于单件以及小批量生产。成本效益是3D打印技术竞争的关键因素，受到打印速度和材料成本的影响，3D打印技术目前适用于小批量、单件生产，产量与成本的关系见图1。随着科学技术的发展，经济批量也得到进一步拓展，实现了大批量生产[1]。（3）打印出的产品具有极高的精准度，细节非常完善。对结构复杂性不敏感，复杂结构的成本也不会提高。随着对3D打印技术的持续研究，该技术在商业、工业、医学行业等都有极高的发展前景。

图1  3D打印的产量和成本关系

二、3D打印砂型技术

喷墨砂型3D打印技术是3D打印技术的一种类型，通过喷墨式砂型打印机将三维数据转变为二维，然后喷墨打印头打印出黏结剂将砂黏在一起，层层叠加则生产出砂型。相比传统技术，3D打印砂型技术能够节约了制模的环节，缩短了产品生产的周期；能够直接制作不同图案、不同形状的砂型砂芯，不会受到模具以及工艺的限制；保证了砂型的精准度，根据合理的浇注系统设计，有效提高了铸件的成品率，从而节约了成本[2]。3D打印砂型技术的发展较为迅速，技术日益成熟，打印材料为硅砂、人造砂和塑料。关于3D打印砂型常用的黏结剂特点见表1。

表1  3D打印砂型常用的黏结剂[3]

三、3D打印砂型技术在汽缸盖铸件中的开发与应用

气缸体、汽缸盖的铸造产品，由于产品结构较为复杂、砂芯数量较多，所需的工装也非常多，因此导致铸件产品开发的投入大、周期长。铸件调试过程是一个复杂的过程，开发有很大的难度。同时，由于新产品结构不确定性较强，若是产品更改就会导致工装发生变化，造成产品开发投入大且周期长。3D打印砂型技术的应用实现了无模操作，不再需要考虑起模的问题，砂芯的设计和装配设计也发生了本质上的变化[4]。见表2。

表2  乘用车发动机缸体样件开发对比

（一）气缸盖铸件基本情况

气缸盖为六缸、四气门柴油机气缸盖。铸件的尺寸为1090×337×151mm，重量为157kg。铸造公差为CT8～CT9级之间，材质为HT250。气缸盖的内腔中有隔板，水套芯有两层，气缸盖水套芯采用的是分体水套，这种结构明显降低了水套砂芯的强度。

（二）气缸盖铸件试制工艺方案

通过组芯造型的手段，采用冷芯/自硬砂芯等，采用三维扫描对比。一般来说，气缸盖可分为顶盖芯、底板芯、排/进气道芯以及侧边芯等不同砂芯。气缸盖铸造结构较为复杂，使用到的砂芯数量也非常多，并且水套砂芯和气道砂芯的结构也非常复杂，很难采用手工的方式来进行生产。通过3D打印砂型技术，能够实现无模操作，节省了模具的成本也减少了调试的时间[5]。新的3D打印砂型技术中采用了4种砂芯，分别为底板芯、进/排气道芯、下水套芯组。新技术减少了砂芯的数量，相应的砂芯之间的定位和配合位置也减少，铸件的尺寸精度得到明显的提升。

（三）铸件试制

3D打印砂型技术关注在砂芯的强度和发气量指标方面。通过检测，发气量≤10ml/g，抗拉强度在1.75MPa以上，抗弯强度在2.75MPa以上。3D打印砂芯表面粗糙度与工装制芯相比的等级较差，需要采用浸涂涂料才能达到铸件质量的要求。在设计工艺阶段，要考虑到涂料对铸件尺寸带来的影响。铸件浇筑工艺为：温度在1440～1460℃之间，浇注时间为16～18s，浇注铁水量为200kg。铸件清理后实施铸件扫描检测，铸件尺寸、材质等都达到了设计要求，砂芯的数量明显减少因此提高了铸件的精准度。

结语

    通过3D打印砂芯技术的设计自由度较大，砂芯可以实现集成设计，从而减少了砂芯装配错误的几率，也能保证铸件的精度。通过砂芯3D打印代替传统的砂芯生产方式，有效节省了成本，提高了开发的进度。铸件产品结构要发生改变，通过3D打印技术仅更改数据就可以实现结构的变化，不需要更改工装。由此可知，3D打印砂芯技术在铸件开发中具有极高的应用价值，提高了开发的效率、节省了开发成本。

参考文献：

[1]卢宝胜,程东霞.3D打印砂芯技术在铸件开发中的应用[J].铸造技术,2021,42(12):1026-1029+1037.

[2]谭锐,尹绍奎,娄延春,于瑞龙,王岩,白金春,刘加军,李延海.砂型喷墨3D打印用呋喃树脂的制备工艺与性能研究[J].铸造,2021,70(10):1217-1222.

[3]李彬,廖慧敏,曾明,李玉和.3D打印在砂型铸造中的应用及发展现状[J].特种铸造及有色合金,2020,40(09):953-957.

[4]王跃,尚红标,刘旭飞.3D打印技术在缸体铸件生产中的应用[J].现代铸铁,2019,39(01):22-25.

[5]尚红标,王跃,刘旭飞,韦民.缸体铸件砂型的3D打印快速成型技术及应用[J].现代铸铁,2018,38(01):70-72.