铸型的3D打印技术及应用

白嘉远

摘 要：铸造成形是现代制造业中的重要加工方法之一，铸造用的铸型大部分为砂型。铸造成形结构复杂零件时，由于铸造砂型加工困难，加工周期长，从而降低了生产效率。3D打印技术是新兴的高新技术，该技术可根据零件的三维模型，直接驱动设备快速、准确地制造出产品原型。用3D打印技术制备结构复杂砂型，可实现铸件的快速成型，降低生产成本。本文主要讨论了铸型的3D打印技术及应用情况。

关键词：快速成型 铸型 3D打印技术

中图分类号：TG248 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0080-02

铸造是一种人类掌握已久的金属热加工工艺。其一般方法是将熔融的液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸型中，待其冷却凝固后，获得零件或毛坯的方法，距今已有6000年的历史，目前仍是现代机械制造工业的基础工艺之一。铸造结构复杂零件时，周期长，产品柔性差，存在许多不足[1]。3D打印技术是20世纪80年代末新兴的高新技术，是以三维模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品。3D打印技术不需切削材料，也不需模具，可批量制造，尤其适用于结构复杂产品的快速制造，生产周期短。用3D打印技术制备结构复杂铸型（砂型），可实现铸件的快速成型，降低生产成本。本文主要讨论了铸型的3D打印技术及应用情况。

1 铸造成形的基本情况

铸造是材料成型领域中最基本的方法之一。其步骤是先将金属原料熔炼成熔体，再浇到铸型里，最后经冷却凝固、清整处理后得到目标产品。铸造后的毛坯近乎成形，减少了再加工时间，从而降低了成本。因此，铸造在许多领域中都有着广泛的应用[2]。

铸造成形的主要工艺包括：铸造金属准备、铸型准备和铸件处理三个基本部分。铸造金属是指用于浇注的金属材料，多用金属和非金属元素组成的合金，故也称为铸造合金，常用的铸造金属有铸铁、铸钢、有色合金等。铸造过程中铸型直接影响铸件成形效率及成形质量，目前常用的铸型为砂型，铸造结构复杂零件时，复杂砂型制备比较困难，周期较长，从而影响成形效率及铸件质量。铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、铲磨毛刺和披缝，以及防锈处理和粗加工等。铸造成形可生产形状复杂的零件，特别是内腔结构复杂的毛坯。铸造成形的毛坯经过加工后，其形状、尺寸能够满足生产要求。另外，铸造用的原材料来源广泛，常用的金属材料均可用于铸造成形，价格也很低廉。铸造零件的机械性能一般不如锻件，内部组织粗大。相对其他的成型方法，铸造工序繁多，影响因素复杂，容易产生缺陷，从而影响铸件质量。因此，对铸造材料及铸造工艺有严格的要求。

2 3D打印技术简介

3D打印技术是20世纪80年代末发展起来的一种先进制造技术。不同于传统制造工艺，3D打印技术基于离散-堆积成形思想，依据零件的三维模型，分层切片得到各层截面的轮廓信息，然后通过激光、喷射等手段得到各截面的轮廓实体，并逐步叠加形成三维零件[3]。

3D打印技术最大的特点在于其制造的高柔性，即无需任何制造模具，只需根据零件的三维设计数据，就可以直接驱动设备快速、准确地制造出产品。3D打印技术主要包括：光固化成型法（SLA）、分层实体制造法（LOM）、选择性激光烧结法（SLS）和熔融沉积法（FDM）等。

3 铸型的3D打印技术及应用特点

铸造成形复杂零件时，柔性较差，铸型的制备往往需要一个较长的周期。铸件尺寸和结构的改变将会直接影响铸型的设计、制造、装配等工艺过程。将3D打印技术与铸造技术结合起来，采用3D打印技术直接或间接完成铸型（砂型）的制造，将大大提高铸件的柔性，使铸造技术在制造柔性方面发生巨大的变化和明显提高[4]。采用“离散-堆积成形”原理与工艺完成铸型制造的技术方法称铸型3D打印技术。铸型3D打印技术主要有以下两种。

（1）选择性激光烧结法（SLS）。选择性激光烧结法（SLS）是一种将粉末材料通过激光直接烧结成各种实体形状的增材成型技术，普遍用于烧结蜡粉、金属粉和覆膜砂等。一般步骤是先在工作台上铺上一层粉末材料，然后在计算机的控制下，激光束按照截面轮廓的信息对零件实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再按上述步骤进行下一层的铺粉烧结。不断循环，最终得到三维产品。

覆膜砂具有加热固化的特点，其固化温度一般为200℃～280℃。当激光扫描覆膜砂时，表面的覆膜砂吸收的光能转化成热能并向深层的覆膜砂传播，使固化温度范围内的砂粒发生固结，所以在选择性激光烧结（SLS）中使用覆膜砂可以快速制作铸造用的砂型。实验表明，扫描速度、激光功率等工艺参数对最终的砂型强度有着重要影响。如果功率过大，覆膜砂会因表面的树脂膜发生过烧和炭化而失去粘结作用。基于覆膜砂的激光快速成型方法具有包括：成型速度快、效率高、成型件的机械性能及表面质量高等特点[5]。

（2）无模铸型制造。无模铸型制造通过轮廓扫描、喷射固化等工艺，实现了无模型铸型的快速制造。首先根据零件的三维模型，利用专业的设计软件建立相应的铸型模型。再在每一层铺好压实的型砂上，依据模型数据，用分别喷射树脂和固化剂的两个喷头精确地喷射粘结剂和催化剂。在喷射过程中，粘结剂与催化剂发生胶联反应，二者共同作用地方的型砂会被固化在一起，而其他地方的型砂仍为颗粒态干砂。固化完一层后再粘结下一层，循环往复，直至所有的层粘结完，就可以得到一个三维实体。因为原砂在粘结剂没有喷射的地方仍是干砂，容易清除，故清理完未固化的干砂部分就可以很快得到一个有一定壁厚的铸型。最后在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇铸金属[6，7]。

4 结语

铸型的3D打印技术是一种全新的数字化铸造方法。其仅使用精密成型设备和计算机软件控制，即可实现增材成型，大大缩短了铸造毛坯开发流程和周期，特别适合复杂铸件的快速制造，同时也实现了传统铸造行业的数字化、信息化转型。

SLS成形方法适用于结构复杂的覆膜砂型制作，产品不易发生变形，但在实际生产中仍需考虑容易发生变形的地方，并对这些地方设计支撑结构。无模型铸型的快速制造是通过粘结剂和催化剂将砂子粘结在一起，可快速制备结构复杂的砂型。上述两种方法可以实现复杂零件的直接生产，得到精确的产品试样，为模具设计提供有利参考。

参考文献

[1] 程精涛.几种快速成型方法在铸造中的应用[J].铸造技术，2015，36（1）：242-243.

[2] 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）：3-4.

[3] 李偲偲，徐志锋.快速成形工艺在航空铝合金铸件试制中的应用[J].特種铸造及有色合金，2014，34（2）：212-215.

[4] 芦刚，李康.基于SLS烧结覆膜砂工艺参数对成型尺寸精度的影响规律[J].铸造技术，2013，34（3）：314-316.

[5] 姚山，陈宝庆，曾锋，等.覆膜砂选择性激光烧结过程的建模研究[J].铸造，2005，54（6）：545.

[6] 陈鹏，刘继波，董志鹏，等.浅析快速成型技术在铸造中的应用[J].铸造设备与工艺，2017（4）：41-44.

[7] 根利光.3D打印技术在铸造工艺中的应用[J].国外机车车辆工艺，2017（3）：19-20.

[8] 董选普，黄乃瑜，樊自田，等.快速成型技术及其在铸造中的应用[J].中国铸造装备与技术，2002（5）：25-27.endprint