浅析3D打印技术在铸造成形中的应用

耿佩（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）



浅析3D打印技术在铸造成形中的应用

耿佩（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）

摘要：介绍了3D打印技术的原理、应用及设备，针对其在铸造成形技术中的应用情况展开分析。以拨叉零件为研究对象，从CAD建模到3D打印，得出拨叉零件原型实体。后续可以此作为铸造木模，对其进行砂型铸造造型操作，可明显缩短工时，降低成本，有助于提高实践教学效果。3D打印技术作为桥梁连接了CAD建模与砂型铸造造型过程，还可用于其它铸造成形方法，进而缩短制模时间，节约成本，提高效率。最后对3D打印技术的应用发展进行了展望。

关键词：3D打印；砂型铸造； CAD模型

1　3D打印技术概述

随着科学与生产技术的不断革新与发展，快速成型技术，尤其是3D打印技术逐渐在制造业中已经占据非常重要的地位，成为不可或缺的一种成形制造方法。3D打印技术正在快速改变人们传统的生活与生产方式。在不久的未来，以个性化、数字化、网络化、定制化为突出特点的3D打印制造技术将推动第三次工业革命[1-4]。

3D打印，又称作增材制造技术，是根据前期设计的CAD三维模型，借助计算机软件控制，在打印设备上逐层增加材料堆积成所需制品造型的一种快速成形制造技术。其运作原理和传统打印机工作原理基本相同。传统打印机是只要轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副2D图像。而3D打印机首先将物品转化为一组3D数据，然后打印机开始逐层分切，针对分切的每一层构建，按层次打印。其最大的技术优点是能简化制造程序，缩短产品研制周期，降低开发成本和风险。相比传统的制造工艺，应用3D打印技术节省原材料，用料只有原来的1/3到1/2，制造速度快了3～4倍[5]。

2　3D打印技术应用现状

自3D打印技术衍生之时起，就很快被业界人士关注，开始了广泛的应用，其速度之快和应用之多令人难以置信。它在制造业的应用备受重视，比如新产品研发时，可使用3D打印技术制作出产品原型，能够让设计者更好的优化产品结构。建筑业里使用3D打印技术进行建筑模型的制造。这种方法快速、完美、精准、成本低且环保，同时又节省大量材料和人工时间。汽车制造业里，再进行汽车安全性测试工作时，可采用3D打印产品代替部分零部件，在追求效率的同时可降低成本。医疗行业，使用3D打印技术来制作人体骨骼，目前已有应用3D打印技术打印出人体下颚骨置换到人体内的成功案例[6-8]。那么，3D打印技术在教育行业也有很广泛的应用，主要体现在给学生制作教学模型及演示操作，推广3D打印技术及做学术研究所用。

3　3D打印拨叉过程

如前所述，3D打印技术可制作出产品原型，本案例首先基于UG软件绘制拨叉零件的三维造型，借助3D打印技术制作出拨叉零件原型，其次以3D打印的拨叉零件作为铸造模型，来进行砂型铸造手工造型，整个操作过程快速、简便、绿色环保且成本低廉，明显减少制模时间，提高铸造砂型铸造成形效率。

3.13D打印设备

3D打印快速成型技术是将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体，根据计算机上构造的三维模型，无需传统的加工机床和工模具，能在很短时间内直接制造产品原型。文中拨叉的打印采用HTS熔融挤压台式快速成型机完成，其设备外形见图1。

图1　HTS熔融挤压台式快速成型机

3.2拨叉CAD造型

拨叉的作用主要是拨动滑移齿轮，改变其在齿轮轴上的位置，可以上下移动或左右移动，从而实现不同的速度。3D打印技术是基于CAD三维模型来分层制造的，借助Pro-e三维造型软件来完成拨叉零件的三维模型，如图2所示，为后续3D打印过程准备好3D数据。

图2　拨叉Pro- e三维造型

3.33D打印拨叉原型

将拨叉零件的CAD三维模型保存为STL文件格式，并导入到HTS控制软件中，调整模型使其最大截面处于X-Y平面，并设置好工件参数和速度参数，然后生成支撑。打印前可在HTS控制软件中查看打印模拟过程，检查路径及模型是否正确，并生成数据文件；生成支撑后需要调整喷嘴位置，在X-Y平面上把成形头移动到平台的中心位置，然后调整Z向位置，使成形喷嘴距工作台面板位置为0.1 mm左右。最后要检查喷料是否正常，上述步骤完成后即可开始打印。图3所示为借助HTS熔融挤压台式快速成型机打印好的拨叉零件原型。

图3　3D打印的拨叉原型

3.4砂型铸造过程

以3D打印得到的拨叉原型作为铸造木模，对其进行砂型铸造造型过程并进行浇铸，得到拨叉零件实体。整个过程相比于原始的砂型铸造方法节省时间，铸件表面质量好，木模表面磨损小。对于批量生产来说，可明显提高生产效率，降低生产成本。

4　结束语

文中举例说明了3D打印技术在砂型铸造成形中的应用，借助3D打印技术制作拨叉零件原型，并以此代替铸造木模，进行手工造型。这种方法快速、便捷、绿色环保且成本较低，直接省去制作木模的时间与成本，且3D打印出的模型可选用不同材料，不易磨损，使用寿命远高于普通木模。

3D打印技术作为目前一种先进制造技术，近年来已得到快速发展，实际应用领域逐渐增多。但其推广力度还不够大，应该加强教育培训，促进3D打印技术的社会化推广；加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平，扩大其在铸造成形领域的技术应用。

参考文献

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[2] Karen M B T，Robert A H. Characterization of 2219 Aluminum Produced by Electron Beam Freeform Fabrication[C]//David L. Bourelleds The 13th solld Freeform Fabrication Symposium. Austin:University of Texas At Austin,2002:482- 489.

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[4] 游清治. 第三次工业革命和3D打印技术[J].新疆有色金属，2013（1）：105- 108.

[5] 曾光，韩志宇，梁书锦等.金属零件3D打印技术的应用研究[J].中国材料进展，2014，33（6）：376- 382.

[6] 王忠宏，李杨帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横，2013，1，91- 93.

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[8] 王月圆，杨萍. 3D打印技术及其发展趋势[J].印刷杂志，2013（4）：10- 12.

[9] 刘伟. 3D打印熔滴沉积与传统制造相结合技术发展前景[J].中国铸造装备与技术,2014(3).

[10] 臧加伦,孙玉成,李闯,等. 国内铸造快速成型技术与应用[J].中国铸造装备与技术,2015(4).

Analyses of the application of 3D printing in teaching practice

GENG Pei
(Xi'an Aeronautical Polytechnic, Xi'an 710089，Shaanxi,China)

Abstract:The principle、 application and the equipment of 3D printing technology are introduced and its application in casting practice are analyzed principally. Based on CAD model and 3D printing, the prototype of fork are printed. It’s used as a casting model to complete the sand casting operation. 3D printing technology is able to shorten working hours and lower costs obviously, and it is contributed to improve the effect of practice teaching. 3D printing technology，as a bridge，linked the CAD model and sand casting model process successfully. 3D printing technology became an important role for the casting professional teaching practice. At last, the application development of 3D printing technology is discussed.

Keywords:3D printing；sand casting；CAD model

作者简介：耿佩(1987—)，女，硕士研究生，主要从事铸造工艺研究.

收稿日期:2015- 08- 22

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .003

中图分类号：TG242.1；

文献标识码：A；

文章编号:1 006-9 658（2016）01 -0008 -02

稿件编号:1508- 1043