案例 l 3DP技术解决重型工业大型与复杂的零件铸造挑战

一般来说，铸件尺寸越大，需要制造的砂芯数量就越多。3DP技术用于大型铸件砂模制造方面存在着砂芯排气、砂芯固定，以及外冷铁设置和固定等挑战。不仅如此，这些砂模在金属铸造过程中通常还要满足超高温、超厚宽断面、高承压、干净、无损等要求。接下来我们结合voxeljet维捷的几个典型应用案例并结合玉柴的铸造应用，为您盘点3DP技术如何满足大型零部件铸造的挑战。

曼的柴油发动机缸盖
3D打印技术应对复杂性的挑战在柴油发动机的铸造中对于砂模的要求是很高的，需要保证砂型的形状尺寸，以及形状之间的相对位置，能够保证铸件的壁厚均匀。

柴油发动机70%到80%的零件都是铸造完成的，曼开发了一个柴油发动机缸盖的砂型模具，模具由一个顶部和底部的外框以及19个核心部分组成，其中7个核心部分具有不同的几何形状，砂型模具被分为两半，还包括了溢流口、冒口和排气孔等部分。曼希望在两周内完成砂型模具的制造并将发动机缸盖铸造出来。

满足曼的要求是挑战巨大的，这个发动机缸盖的设计包括了很多干涉部分。voxeljet维捷所用的打印成型材料为190μm平均晶粒尺寸的沙粒，打印层厚为0.4毫米。这样的系统工作了29个小时将两块砂模打印完成，完整的外部尺寸为1460×1483×719毫米。

在模具设计过程中还采取了各种运输保护措施，以确保运输过程中不发生破损，这些保护部分跟砂型一起被打印出来，并且很容易被拆除，另外模具部件的良好稳定性也确保了在整个运输过程中没有损坏情况发生。随后通过对EN-GJS 400-15 铸铁材料在1360°C温度下的铸造，完成了曼的柴油发动机缸盖的铸造。

此外，国内也开始将3DP技术应用于柴油发动机研发试制领域，广西玉柴在铸造集成式复合气缸盖的砂芯组方面进行了积极的探索，成功铸造出零件复杂程度高的集成式复合气缸盖。集成式复合气缸盖的复杂性包括进排气道、喷油器安装孔、缸盖上水套、缸盖下水套、气缸孔、缸孔水套和凸轮挺杆孔。3D打印在其中发挥的作用是组合砂型的缸盖上水套砂型、缸盖下水套砂型、进气道砂型和排气道砂型是由3D打印出来的。玉柴保证了进排气道与缸盖水套的进排气道外壳的复杂形状相应匹配及壁厚的均匀。而且缸盖上水套、缸盖下水套、进气道、排气道一次精确成型，成功确保进排气道在浇铸过程中无上浮，能够解决各个气道位置一致性的问题，从而确保气道参数良好性。

荷兰Nijhuis的泵叶轮
3D打印技术实现砂模的无模制造

世界知名的泵公司包括美国ITT公司、TACO公司、GORMAN—RUPP公司、荷兰Nijhuis公司，其中Nijhuis公司用在重工业及水处理领域用到的泵是非常庞大的，例如一款Nijhuis的泵与叶轮就重达800公斤，这样的产品在设计迭代的过程中，涉及到昂贵的开模成本，周期也非常长。

大型泵体与叶轮由于工作环境较恶劣，需要承受较大的变载荷作业，这就要求这些大型零件不仅外观质量好，尺寸精度高，同时内在质量也必须保证，还要具有较佳的综合力学性能，尤其是耐腐蚀及抗疲劳性。此外，这些零件曲面流道多，多涡室，结构复杂，试验压力大，铸造工艺复杂，铸件成形过程很难控制，这些都给砂型模具的制造提出了挑战。

在传统的原型制造中，从图纸到成品铸造需要几个月的时间。通过voxeljet维捷的3D打印机，一旦CAD设计完成，信息通过电子邮件发送给voxeljet维捷的订单处理部门,再确认建模信息并设置好打印参数后，其余的砂模打印工作就交给VX4000这台设备来完成。

voxeljet维捷金属铸造砂型按需生产中看到了VX4000巨大的市场潜力。特别是Nijhuis这样的公司，产品定位比较特殊，靠技术制胜。高性能的VX4000打印机构建尺寸高达4 x 2 x 1米，砂模的尺寸为852 x 852 x 428 mm，重量为269kg,共分为4个部分来打印，打印时间为13小时。

由于3D打印能力，泵制造商可以更快地开发新产品，甚至减少库存。即使是复杂的几何形状，可以产生高度的细节精度。铸件表面要求光滑，不得有气孔、砂眼、裂纹等缺陷。在随后的铸造工艺中，voxeljet维捷打印的砂模性能良好，铸件没有出现裂纹，以及缩孔这些现象，在测试中没有出现漏水、冒汗等现象。

3D打印机砂型铸造模具给大型零件的设计迭代创造了很大的优势-从更短的交货时间到更少的后处理工作，甚至更好的表面质量，铸造大型零件正走向“快、好、省”的模式。

弗朗西斯型水轮机叶轮的快速迭代
完整制造复杂的叶轮弧度

对于叶轮的设计迭代来说，每一个新的几何形状的设计都关乎水轮机的工作性能。而由于3D打印砂模技术带来的快捷性，现在铸造厂只需要把新设计的叶轮模型CAD数据发送到voxeljet维捷。

voxeljet维捷收到设计模型的数据后会做一个检查，随后这些数据处理并被3D打印设备读取，短短的几个小时内，叶轮的砂型就被设备打印出来。

打印工作完成后，多余的沙子被去除，然后通过压缩空气来清洗砂型，随后运到铸造厂。在铸造厂，这些砂型模具被涂黑，组装完成好的砂模被送至1650°C的铸造环境下，来铸造耐腐蚀不锈钢材料的叶轮。

这个过程主要用于叶轮原型的生产，因为3D打印砂型不需要使用传统的方法来生产昂贵的砂型模具，这节省了大量的成本，而且当新的设计迭代要求做出改变的时候，只需要点击鼠标，新的砂型又可以开始生产了。

与传统的先制造木模再生产砂型的方法不同的是，3D打印还带来了设计的自由度。传统方式制造叶轮，由于叶轮设计弧度的问题，常常不得将叶轮分为几块来生产，以解决干涉问题，而通过3D打印，这些复杂的设计可以被完整的制造出来。

这使得铸造精度更高，并减少清洗要求，减少铸造缺陷。高质量、低成本、短交货期，使得铸造厂越来越依赖3D打印的方式来完成砂型制造。

来源：3D科学谷
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太专业了，醍醐灌顶