与3D打印结合:减少砂型铸造的交货时间和成本

导读：3D打印（也称为增材制造 (AM)）在制造方面拥有很多优势，它的蓬勃发展也给传统制造工艺带来了很多的变化。近年来砂型铸造工艺发生了巨大变化，但砂型铸造企业不会因为3D打印而倒闭，AM和传统的砂型铸造工艺可以是合作伙伴，AM的加入能使传统的砂型铸造技术变得更快、更具成本效益且更灵活。



即使加入3D打印，砂型铸造流程仍然基本相同：
●使用预期最终版本的复制品或图案模具
●该模型放置在一个由两部分组成的模具中，模具中有型芯以在成型时形成内部通道
●专用型砂在砂箱或模具室内和模型面上被压实。
●浇口等关键部位仍然保留

3D 打印改变了这一传统工艺的步骤是模具和核心设备的制造方式。


△减材制造模式与增材制造模式

传统的制造方法使用减材制造技术，例如金属或塑料的CNC铣削，使用机床选择性地去除不需要的材料，将一块材料加工成所需的形状。相比之下，AM 是一个"从无到有"的过程，只在构建体积或构建平台中逐层添加所需的材料。增材制造技术工艺可提供各种聚合物的部件，包括标准热塑性塑料、热固性塑料、填充树脂和光聚合物树脂，甚至金属。

与传统制造相比，建议使用 3D 打印铸造模型：
●对破旧的模型设备进行逆向工程——在使用增材制造时，砂型铸造过程变得更加精确、自动化和可重复。3D扫描仪用于扫描原始零件或模型设备。可以使用 3D CAD 软件调整或完成设计文件，然后根据适当的公差和收缩系数进行 3D 打印。

●用于铸件设计的合金发生变化时——当合金发生变化时，收缩率也会随之改变，3D 打印工具可以快速复制，以正确生产具有正确合金收缩率的铸件，从而消除滞后和模型损坏。

●快速的交货时间——3D 打印模型可以在短短几小时和几天内生产出来，这在制作原型或交付一批短期零件时成为一个主要优势。

●需要对模型进行多次迭代、不断调整或重大调整——与调整传统制造的模具设备相比，调整CAD文件然后重新打印会更快、更具成本效益且自动化程度更高。

●体积较小的复杂型芯铸件——结合 3D 打印聚合物模型和 3D 打印砂芯的 3D 工艺应用，可以快速生产铸件，减少成本和时间。



并非所有3D打印技术都相同
3D 打印技术的数量和范围很广，包括粘合剂喷射砂/金属、粉末床激光熔融、SLA 光固化打印、长丝挤出或颗粒挤出。在选择砂型铸造模型设备的最佳技术时，应考虑零件几何形状、模型尺寸和材料要求等因素。大幅面 3D 打印机将满足许多砂型铸造模型的更大尺寸要求。例如，直接颗粒供给式的3D打印可以使用范围广泛的材料，沉积速率比丝材3D打印高出10倍。此外，颗粒材料成本比丝材低10倍，这使得颗粒挤出成为减材技术的一种经济高效的替代方案。

虽然 3D 打印技术本身为铸造工艺带来了显着优势，但将增材和减材结合到混合平台中时，砂型铸造应用也有几个优势。每种3D打印技术都不是万能的，都有它自身的局限性然而，只有和减材制造很好的结合起来，才能发挥各自的最大优势。


△PLA 长丝打印


△ABS 颗粒打印，0.4 毫米喷嘴，0. 2 毫米层


△颗粒打印和 ABS 加工

为了帮助说明混合平台在砂型铸造应用中的有效性，我们可以看一个实际应用的例子。Proveedora de Servicios y Suministros Industriales (PSSI) 希望采用增材制造来降低制造模型设备的成本，同时压缩时间。他们的目标是在保持图案尺寸质量的同时将时间和成本减少 50%。

利用混合平台，Titan颗粒挤压3D打印机，PSSI 能够消除典型木模设备的木材组装和加工过程。与 CNC 机器不同，Titan 3D 打印机不需要持续的劳动力来操作设备，因此可以实现长时间制造，并将交付时间缩短 60% 以上，同时降低了总成本。此外，所选材料 PETG 不仅比木材具有更好的耐用性，而且在最终后处理中具有同等的加工性能。这样就可以直接从打印机上获得速度更快、成本更低的近净形解决方案。


△图片由 Proveedora de Servicios y Suministros Industriales 提供


△泵组件模型和芯盒

在将增材制造技术引入砂型铸造的过程中，需要注意几个事项：

1.减少砂型铸造模型的表面粗糙度：
●考虑使用高性能聚合物，例如玻璃或碳纤维填充的 ABS、PC、尼龙或 PEKK，它们具有更高的耐用性。
●考虑到除聚烯烃（PP、PE）外，底漆/油漆对大多数高性能聚合物的附着力都很好，专为打印对象设计涂层是可行的。

2.高吞吐量模式：
●在合理的情况下，分段打印并组装图案设备。这减少了打印问题的影响，并通过多台打印机并行而不是串行生成工具。
●始终针对增材制造 (DfAM) 进行设计，以最大限度地减少材料、打印时间、减少支持和打印缺陷，例如遵循45度规则和设计。
●对于高磨损区域，该区域可以组装到图案中并在过度磨损时更换。
●大力开发CAD功能。
●设计和生产模具设备，保证与增材制造设备的无缝连接。

通过将增材制造集成到砂型铸造工艺中，铸造厂和模型车间变得更加敏捷和更具竞争力，与传统方法相比，能够以更低的价格更快地将高质量铸件推向市场。