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，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， 越來越多的鑄造廠正在采用這種制造技術(shù)來增強(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)的鑄造廠對一個(gè)模具的收費(fèi)通常在 1-2萬美元之間；
? 與每一項(xiàng)新技術(shù)一樣，獲得砂型3D打印知識和設(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，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)動的設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)通常用于航空航天和汽車工程領(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）會帶來一些復(fù)雜性問題。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、開裂和零件變形的另一個(gè)常見原因。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速度低于所需的閾值，并且熔融金屬會均勻地凝固。此外，這些特征只能使用增材制造技術(shù)來制造， 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于制造高性能或定制部件的鑄造廠來說最為適用。
精簡制造過程，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打印模具的過程與在任何傳統(tǒng)鑄造廠進(jìn)行的砂型鑄造過程是相同的
Humtown 是美國領(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、更靈活的制造供應(yīng)鏈。
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