3D打印砂型鑄造模具和型芯正在改變當(dāng)今高性能、大型金屬零件的制造方式。增材制造使現(xiàn)代鑄造廠能夠在交貨期內(nèi)快速生產(chǎn)出復(fù)雜的金屬零件。本文以約1米長(zhǎng)機(jī)械臂的重新設(shè)計(jì)和制造為例，闡述了將鑄件先進(jìn)設(shè)計(jì)與3D打印砂模相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。

砂型鑄造和工業(yè)3D打印

金屬鑄造是一種常見(jiàn)且成熟的制造方法，用于生產(chǎn)融入我們?nèi)粘Ｉ畹纳唐?。如今?0%的制造產(chǎn)品和機(jī)械都使用了鑄造零件。而當(dāng)前最流行的金屬鑄造工藝是砂型鑄造；超過(guò)70%的金屬零件都是采用這種生產(chǎn)工藝制造的。

砂型鑄造過(guò)程首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)犧牲模具，該模具由混合有粘合劑的壓實(shí)砂組成。通過(guò)澆注系統(tǒng)用熔融金屬填充模具的型腔，然后將模具破壞取出鑄造件。

大型砂型鑄造模具在3D打印和清洗后即可使用

砂型鑄造可以追溯到公元前 1 世紀(jì)。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為我們所熟知的工業(yè)流程。然而，數(shù)字制造和3D打印技術(shù)的出現(xiàn)使得現(xiàn)代鑄造企業(yè)進(jìn)一步得以發(fā)展。

使用 3D 打印砂模和型芯的砂型鑄造正在成為增材制造的一個(gè)關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用。直到最近，設(shè)計(jì)工程師和鑄造廠還主要將這種混合制造技術(shù)用于原型制作。今天， 越來(lái)越多的鑄造廠正在采用這種制造技術(shù)來(lái)增強(qiáng)其內(nèi)部流程。

3D打印的砂模和型芯是在工業(yè)3D打印系統(tǒng)中利用數(shù)字文件直接逐層制備的。打印頭將粘合劑材料液滴噴射在薄薄的沙層上來(lái)創(chuàng)建每個(gè)橫截面

使用3D打印模具和型芯進(jìn)行砂型鑄造的好處

? 3D 打印的砂模和型芯有助于創(chuàng)建合理的澆冒口系統(tǒng)，從而可以制備具有更少內(nèi)部缺陷的高性能的金屬零件，零件的材料強(qiáng)度最高可提高15%；

? 增材制造消除了對(duì)工藝裝備和鑄造模具的需求以及相關(guān)的幾何限制。這有利于生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的高性能的優(yōu)化零件；

? 3D 打印和其他數(shù)字制造技術(shù)有助于改變傳統(tǒng)鑄造廠的形象，吸引年輕人才和新的勞動(dòng)力進(jìn)入該領(lǐng)域。

使用3D打印砂模和型芯進(jìn)行砂型鑄造的局限性

然而，3D 打印只是一種工具。這種新技術(shù)在砂型鑄造方面的局限性包括：

? 零件設(shè)計(jì)仍需遵循鑄造工藝和 3D 砂型打印系統(tǒng)的限制。這些設(shè)計(jì)考慮包括壁厚、件截面的變化和壁與壁之間的間隔；

? 目前可用的工業(yè)砂型3D 打印機(jī)是有限的，而且 3D 打印模具的制造成本也相對(duì)較高。作為參考，砂型3D 打印的成本約為每立方英寸 0.1 美元，而傳統(tǒng)的鑄造廠對(duì)一個(gè)模具的收費(fèi)通常在 1-2萬(wàn)美元之間；

? 與每一項(xiàng)新技術(shù)一樣，獲得砂型3D打印知識(shí)和設(shè)計(jì)技能的途徑仍然有限。難以找到最佳設(shè)計(jì)案例和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這阻止了工程師和制造商最大限度的利用這項(xiàng)新技術(shù)。

下面的案例研究將設(shè)法解決最后一點(diǎn)。通過(guò)將每個(gè)決策中的設(shè)計(jì)方法和實(shí)際考慮因素文件化， 我們希望讓制造商、設(shè)計(jì)師和工程師更容易的使用這項(xiàng)技術(shù)。

案例研究：拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)械臂

為了展示使用 3D 打印模具和型芯進(jìn)行砂型鑄造的優(yōu)勢(shì)，nTopology、賓夕法尼亞州立大學(xué)、Flow 3D 和 Humtown的工程師聯(lián)手重新設(shè)計(jì)了一條一米長(zhǎng)的機(jī)械臂。他們共同創(chuàng)建了一個(gè)端到端的數(shù)字化鑄造工作流程--從零件優(yōu)化到可制造性設(shè)計(jì)，最后是制造。

金屬鑄造模具組件的分解試視圖

該團(tuán)隊(duì)將拓?fù)鋬?yōu)化等先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)與只能通過(guò)增材方式制造的先進(jìn)鑄造特征（包括澆口、澆道和冒口）相結(jié)合。使用這種方法，該團(tuán)隊(duì)設(shè)法達(dá)到以下幾個(gè)目標(biāo)：

? 將零件的重量減少40%

? 避免常見(jiàn)的鑄造缺陷

? 直接 3D 打印整個(gè)砂模

? 在一個(gè)星期內(nèi)制造出該零件

該項(xiàng)目的第一步是優(yōu)化機(jī)械臂的幾何形狀。利用拓?fù)鋬?yōu)化軟件，該團(tuán)隊(duì)將零件的重量減少了40%--從 240 磅減少到 165 磅--同時(shí)仍然滿足規(guī)定負(fù)載條件的功能要求。

拓?fù)鋬?yōu)化是一種仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)通常用于航空航天和汽車(chē)工程領(lǐng)域，優(yōu)化目標(biāo)通常是剛度最大化和重量最小化。nTopology 軟件中的的自動(dòng)光順處理和模型重建功能使該團(tuán)隊(duì)能夠快速、輕松地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

nTopology 拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程概述，從原始設(shè)計(jì)到最終導(dǎo)出CAD主體

當(dāng)然，工程團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)階段就考慮了該零件的可制造性。最終的金屬零件用鋁鑄造時(shí)重 165 磅（或約 75 千克），其邊界尺寸為 39″ × 16″ × 16″（或 1.0 m × 0.4 m × 0.4 m）。機(jī)械臂的尺寸限制了團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)這個(gè)巨大零件的選擇。

按照傳統(tǒng)的制模方法（使用木模）會(huì)帶來(lái)一些復(fù)雜性問(wèn)題。由于幾何形狀的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將不得不做出許多妥協(xié)，從而降低了零件的性能。

為了展示該技術(shù)的能力，該團(tuán)隊(duì)決定直接 3D 打印整個(gè)模具。通常情況下常見(jiàn)的生產(chǎn)方式是只打印模具的一部分，如模具的型芯或其他關(guān)鍵的部位。

這一決定使該團(tuán)隊(duì)能夠優(yōu)化模具的其他關(guān)鍵特征，如澆口、澆道和冒口的幾何形狀和位置。這些優(yōu)化將使金屬鑄件具有最小的內(nèi)部孔隙和較高的材料性能。

該模具是賓夕法尼亞州立大學(xué)和 Flow3D 公司合作設(shè)計(jì)的。該團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到了兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)要求：

? 熔融金屬必須盡可能順利地填充型腔。研究表明，低于0.5米/秒的流速是必要的， 以盡量減少湍流，并減少由于氧化層脫落和孔隙造成材料缺陷的可能性；

? 冒口必須在零件之后凝固。不均勻凝固是造成內(nèi)部缺陷、收縮、開(kāi)裂和零件變形的另一個(gè)常見(jiàn)原因。出于這個(gè)原因，鑄造后將被加工掉的部分必須最后凝固。

該模具是分體制造的，然后在澆注熔融金屬之前進(jìn)行組裝，這種螺旋狀的澆口設(shè)計(jì)無(wú)法用傳統(tǒng)模式制造

為了確保在填充模具時(shí)不引入湍流，該團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了澆注系統(tǒng)和冒口。他們使用了一個(gè)螺旋形的澆口，而不是一個(gè)向下的澆口。他們選擇了具有球形或半球形的冒口，而不是圓柱形的冒口。

這種優(yōu)化的澆口和冒口的幾何形狀確保了熔融金屬的流動(dòng)速度低于所需的閾值，并且熔融金屬會(huì)均勻地凝固。此外，這些特征只能使用增材制造技術(shù)來(lái)制造， 因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)的制備工藝不可能制備出這樣復(fù)雜的澆冒口系統(tǒng)。

鑄造過(guò)程模擬幫助團(tuán)隊(duì)確保速度流量保持在0.5毫米/秒的臨界值以下

為了確定最佳零件澆鑄方向和流道、澆口和冒口的最佳位置，該團(tuán)隊(duì)使用鑄造模擬軟件進(jìn)行了多次設(shè)計(jì)迭代。仿真的目的是優(yōu)化冒口性能，最大限度地減少孔隙率，并驗(yàn)證澆口流速。仿真階段確保了該部件一次成功制備，并將開(kāi)發(fā)時(shí)間從幾個(gè)月減少到幾周。

3D 打印工藝獨(dú)特的直接生產(chǎn)能力使這些先進(jìn)的模具設(shè)計(jì)方法得以應(yīng)用。而且能夠產(chǎn)生顯著的性能改進(jìn)。研究表明，與傳統(tǒng)方法相比，使用這種模式生產(chǎn)的鑄件具有：

? 內(nèi)部非金屬夾雜物總含量為0.02%，缺陷減少99%；

? 使用相同材料鑄造時(shí)，強(qiáng)度可提高 8%-15%。

鑄造材料性能的提高使這一工藝對(duì)于制造高性能或定制部件的鑄造廠來(lái)說(shuō)最為適用。

精簡(jiǎn)制造過(guò)程，快速生產(chǎn)所需的復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的能力是零件制造的基礎(chǔ)，以滿足項(xiàng)目的目標(biāo)。

Humtown 擁有四套ExOne SMax 粘合劑噴射 3D 打印系統(tǒng)，他們使用其中的一套打印系統(tǒng)來(lái)制作該模具。一旦 Humtown 的工程師收到最終的模具設(shè)計(jì)圖，他們就能在不到 24 小時(shí)內(nèi)打印出模具。由于Trumbull 鑄造廠與 Humtown 的緊密合作，該廠能夠在一天內(nèi)完成零件的鑄造。

將熔融金屬倒入3D打印模具的過(guò)程與在任何傳統(tǒng)鑄造廠進(jìn)行的砂型鑄造過(guò)程是相同的

Humtown 是美國(guó)領(lǐng)先的 3D 打印砂模解決方案供應(yīng)商之一。他們已經(jīng)接受了新技術(shù)，現(xiàn)在他們鼓勵(lì)其他鑄造廠采用新的鑄造方法，以創(chuàng)造一個(gè)精益和敏捷的供應(yīng)鏈生態(tài)系統(tǒng)。

模具在鑄造完成后被破壞以取出金屬零件，隨后金屬零件可以進(jìn)行后處理操作

3D打印技術(shù)正在改變金屬鑄造的面貌。3D砂型打印使設(shè)計(jì)和制造工程師能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的優(yōu)化的大型零件，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)鑄造模具能最大限度減少內(nèi)部材料缺陷，并能建立更精簡(jiǎn)、更靈活的制造供應(yīng)鏈。