3D打印结合铸造的方法研究

施允洋 刘方方 房开拓 王晓华 马郡

摘要：3D打印技术作为一个高度讨论的话题，此前研究已经充分表明，该技术不仅对制造业企业，而且对社会发展都有深远的影响。文章介绍了3D打印技术的种类及其特点，分析了3D打印与铸造相结合带来的优点，尤其是在快速成型技术中的应用，得出3D打印技术可以给铸造行业带来新的元素和新的契机，从而推动其快速发展。

关键词：3D打印；铸造；发展趋势

随着科技的快速发展，尤其是机械、电子、材料成型等技术的不断进步，近年来，3D打印技术发展速度迅猛，广泛应用于制造、医疗、建筑等行业，如汽车发动机缸体、汽车零部件的维修、医疗用的赝复体支架等[1-2]。3D打印是一种突破性制造技术，可以改变产品生产流程，具有取代传统制造的潜力。

1 3D打印技术

1.1 3D打印技术简介及现状

3D打印是一种根据数字模型文件，采用层层堆积的方法来构造三维物体，材料常采用塑料或者金属粉末，是一种增财制造技术[3]。该技术两大优点可以让其具有良好的生存空间：（1）该技术通过计算机三维建模后即可直接打印出对象，设计更加自由多样化，而且定制的产品不再需要高昂的成本。因此，当前的产品或者生产过程可以由增材制造取代。（2）在消费者方面，增材制造允许私营和工业用户设计和打印自己的产品，这将会对现有公司产生较大的竞争威胁[4]。

1.2 3D打印技术分类

根据3D打印过程所需材料性质及片层结构获取方式的不同，3D打印技术主要有以下3种方式[5]。

1.2.1 SLA，立体光刻法

该方法根据三轴激光雕刻原理，在生产过程中通过激光头扫描使得液态光敏树脂固化，经过层层扫描即可得到固体工件。该方法适合产品体积小、精度高的场合，缺点是成本高，使用的软件较冷门，入门难，且产品机械性能较差。

1.2.2 SLS，激光分层烧结法

该方法首先在零件己成型部分上表面铺粉，加热工作平台到粉末的熔点，控制激光束以该层界面轮廓进行烧结，在与已成型部分粘结后，下移工作台然后重新铺粉，逐层烧结，零件烧结完成后冷却数小时即可。该方法可加工金属零件、工艺简单、精度高，与SLA相比，无需支撑、生产周期短、适合中小零件的生产等优点，广泛应用于汽车、航空航天领域。其缺点是金属粉末成本高、产品表面粗糙且精度不如SLA技术。

1.2.3 FDM，熔融堆积法

该方法是对喷头进行加热，将蜡、热蜡性材料（如ABS、PC材料）的细丝加热成液态，通过打印头挤出，根据程序控制选择性涂覆在工作面板上，冷却固化，然后逐层堆积而成。该方法市场占有率高，成本低，打印模型硬度高，而且可以打印多种颜色，更加贴近消费者。缺点是精度较低，零件表面较粗糙。

2 3D打印与铸造的结合

3D打印作为一种快速成型技术，其与铸造结合可以带动快速铸造的发展，可以分两大类。

2.1间接快速铸造

间接快速铸造，是通过3D打印技术直接打印出模型用来取代木模、金属模或者蜡模等，可用于砂型鑄造、消失模铸造等铸造方法。以3D打印取代木模并应用于砂型铸造为例，其操作流程如图l所示。

采用3D打印生产铸件的具体流程如图2所示，相比传统制作木模，该方法具有制造周期短，更加便捷；设计自由化，铸件更加个性化；成本低，效率高等优点。

2.2直接快速铸造

直接快速铸造，该方法直接用3D打印机打印出铸型，如用SLS方法打印树脂砂型和砂芯、无模铸型制造、直接型壳制造法等。

采用3D打印方式制作树脂砂型、砂芯方法如下：将原砂、树脂、固化剂和添加剂按照一定覆膜工艺制成覆膜用砂，其中固化剂在覆膜砂被加热时候分解，与树脂中残留的水反应生产甲醛，从而树脂由热塑性变为热固性而固化。将覆膜砂铺上一层，通过控制激光束将该层覆膜砂烧结成型，然后层层成型最终制成铸型。该方法生产周期短，生产出来的铸件表面光洁、棱角清晰，尺寸精度高，多用于中小铸型制造中。

无模铸型制造技术（ Pattemless Casting Manufacturing，PCM），是快速成型技术的一种，该方法无需模具、无需手工造型，在CAD_维建模后可以快速制造出发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等复杂铸件，其工艺流程如图3所示。PCM无模铸型铸造技术在铸件生产过程中可以大大缩短制造周期、节约成本及降低风险。发动机缸体制造过程中两种工艺对比如表l所示。

33D打印技术在铸造中应用的趋势

随着3D打印技术日趋成熟，铸造行业与3D打印技术的相结合必不可少，其便捷、快速、节约成本、个性化生产等优点也将促进铸造行业的快速发展，同时，由于3D打印技术自由化程度高，这也将促使中小批量定制生产变得更加容易上手，小型铸造厂也将成为热点。在快速制造模型与砂型方面，二者的结合可以加速产品研发速度，降低工艺研究的成本和风险；在激光修复方面，可以减少废品率，节约成本。目前该技术发展一大挑战是3D打印原材料成本较高，现阶段使用的金属合金粉末价格十分昂贵，如何解决是下一阶段的研究方向。

[参考文献]

[1]张雷青.基于数字化设计和3D打印的颌骨缺损赝复体修复及3D打印金属材料细胞毒性的初步研究[D].杭州：浙江大学，2016.

[2]王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].长春：吉林大学，2014.

[3]高志鹏.3D打印方法制作钴铬钼合金的性能研究[D].北京：北京工业大学，2016.