劉怡樂，李翔光，胡 健

（貴州航天風華精密設備有限公司，貴州貴陽 550009）

傳統(tǒng)砂型鑄造需要模具廠家配合來進行生產(chǎn)，不能滿足新產(chǎn)品的快速研制及開發(fā)需求。3DP打印技術利用三維模型造型，能夠?qū)鹘y(tǒng)鑄造的模具制造、造型、制芯、合箱等四個工序全部由3D打印及智能成型一個工序?qū)崿F(xiàn)，手工、體力工作將被智能機器代替。該技術可以打印出任何形狀的砂型，在產(chǎn)品研發(fā)及復雜零件制作上具有巨大優(yōu)勢，同時3DP 砂型打印在打印精度、打印速度及砂型質(zhì)量等方面都具有一定的優(yōu)勢[1-3]。

1 3DP 砂型打印技術

3DP 砂型打印即三維粉末粘接技術，該技術利用微滴噴射技術，將砂型模型進行切片處理后，計算機根據(jù)砂型模型的輪廓精準控制打印頭的噴射速度及噴射量，將打印頭樹脂噴在預混的砂子上，待砂子固化后，打印臺下降一個層面，打印頭繼續(xù)噴射出樹脂，重復往返，砂子層層進行堆積得到所需砂型模型。

2 3D 砂型數(shù)模設計

2.1 設計原則

對鑄造過程而言，在生產(chǎn)過程中最重要的就是鑄件砂型。在鑄件砂型模型設計時，主要從以下幾個方面來進行：

（1）分型面。分型面選取的優(yōu)劣，對鑄件精度、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)率影響很大，特別是3DP 砂型打印后需要對砂型進行清砂，要充分考慮造型設計是否能順利清砂，從而保證砂型的完整精確。同時，要盡可能減少分型面數(shù)目并簡化砂型造型。

（2）定位方式。為了保證砂芯模型的位置，提高鑄件的尺寸精度，提高工作效率，設計合理的定位方式對于砂型模型的設計是十分重要的。

（3）排氣系統(tǒng)。為了保證鑄件的質(zhì)量，砂型模型設計過程中要保證砂型結(jié)構有利于鑄件充分的排氣，避免因排氣不良而導致鑄件報廢。

（4）砂型強度。3DP 砂型不同于傳統(tǒng)的手工造型，砂型造型設計時要考慮砂型的強度是否能滿足鑄造生產(chǎn)過程。一般來說，砂型造型時要保證鑄件與四周的壁厚≥35mm；多個鑄件同時造型時，要保證相鄰鑄件間距≥10mm。

（5）吊裝方式。對于實際生產(chǎn)過程來說，鑄件砂型應方便進行搬運，合適的吊裝方式可以大大提高生產(chǎn)效率。小型鑄件可以采用手柄式設計進行搬運，大型砂型可以采用吊裝方式進行搬運。

2.2 砂型數(shù)模后處理

砂型模型設計好以后需要將模型導入到3DP打印設備上進行排版優(yōu)化，進而滿足砂型的打印需求。

2.2.1 導入模型類型

砂型模型設計好后需要將模型導出為“.stl”格式的文件，在對砂型模型進行格式轉(zhuǎn)換時，模型是以三角片面的方式對其進行劃分，因此三角片面的數(shù)量直接影響了砂型的精度。三角片面數(shù)量太少，模型在一定程度上會發(fā)生變形，但數(shù)量太多，又會導致設備的計算量增大，影響設備的運行效率。砂型模型導出時，模型的三角公差及相鄰公差應≤0.05，從而保證模型的精度符合使用需求。

2.2.2 模型位置調(diào)整

由于3DP 砂型打印是逐層進行打印的，模型排版時要盡量保證大平面朝下，減少模型打印過程受重力的影響。如圖1 所示，當砂型模型高度方向存在斜面或曲面時，模型的擺放位置不合理就會導致打印出的砂型在重力作用下產(chǎn)生臺階效應甚至發(fā)生變形，影響砂型的精度，嚴重時甚至導致砂型的報廢。當設計不得不采用小平面朝下時，應設計相應的輔助模型來防止砂型因重力影響導致的變形。

圖1 砂型模型位置

2.2.3 模型排版

模型位置調(diào)整完成后，需要對模型進行三維排版，排版時要保證模型之間留有一定的距離。兩模型距離太近，導致砂型粘合在一起，導致模型的報廢；模型距離太遠，設備的空間利用率低，導致打印及清砂時間增加，降低工作效率。一般來說，兩砂型距離為10～30mm。

2.3 砂型打印

（1）試樣性能測試。模型排版完后需要放入一定數(shù)量的測試試樣，用于檢測及記錄其性能。因每次打印時砂型性能都會存在一定的變化，因而需要測試試樣來測試其抗彎性能、抗剪性能及發(fā)氣量，保證砂型的質(zhì)量符合使用需求，并對其性能進行記錄。

（2）砂型打印。試樣性能測試合格后，方可進行砂型的打印工作，在打印過程中注意觀察是否存在異常，以便后期對砂型模型進行修改及調(diào)整。

（3）砂型烘烤。為了使打印好的砂型性能達到最佳狀態(tài)，將打印好的砂型放入烘箱中于100℃烘烤2～3h 取出方可進行使用。烘烤時間過長或過短，都會直接影響鑄件的質(zhì)量。

3 生產(chǎn)應用及前景

目前，我廠已成功將3DP 砂型打印技術應用于鑄件和冷鐵的砂型打印，因其打印的砂型表面質(zhì)量優(yōu)良，可以大大減少后期砂型的修整及鑄件的打磨工作量，提高鑄件的生產(chǎn)效率。我廠打印的冷鐵砂型如圖2 所示。

圖2 冷鐵砂型圖

相比于傳統(tǒng)鑄造生產(chǎn)，3DP 砂型打印具有精度高、快讀成型及無需模具的優(yōu)點，可以隨時調(diào)整產(chǎn)品的尺寸結(jié)構，滿足快速研制及生產(chǎn)的需求，在航空航天、交通運輸及機械制造領域具有不可比擬的優(yōu)勢。同時，3DP 砂型打印完全不受零件形狀的影響，設計人員可以根據(jù)產(chǎn)品功能要求，制定合適的工藝方案；并且完全顛覆傳統(tǒng)的鑄造方式，做到無拔模、無工藝補貼、澆冒口的開設也可以不受任何限制，完全可以按照最優(yōu)的方式進行。為新產(chǎn)品研制及開發(fā)提供極為便利的條件，降低研制及生產(chǎn)的費用，增加產(chǎn)品的附加值，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。與此同時，隨著3DP 砂型打印在鑄造行業(yè)的應用逐漸增多，如何將3DP 打印設備國產(chǎn)化及進一步降低打印成本也將是值得重點關注的問題。