三维CAD和3D打印在复杂零件铸造中的应用
伏勇 邹新民 李远哲 李铭荣 普勇 赵玉鸰 云南飞隆劳尔设备有限公司精铸部 650114
摘要：本文主要介绍了三维CAD和3D打印机结合使用，在铸造生产中能很好
地、快速地完成传统工艺中难以造型、制芯的复杂铸件的铸造，使传统铸造能更好的适应当今快速发展的技术要求，以及在实际应用中需要注意的一些事项。图九幅，参考文献三篇
关键词：三维CAD；3D打印；铸造
铸造这门技术在我国据考证已经有几千年的历史。我国是世界上最早掌握铸造技术的文明古国之一。它给我们留下了璀璨的文明，推动社会从青铜器时代向铁器时代的迈进。在现代，铸造技术也广泛应用在我们生活的各方面。但随着社会的飞速发展，传统铸造工艺技术由于要绘制各种工艺图、样模制造、配沙、造型、制芯等复杂工序，导致生产周期长。无法满足客户对快速供货，小批量，多品种的灵活制造要求。另外，由于创新，产品设计形状复杂多样，传统生产方法很难完成造型、制芯等工作进而无法生产，使设计者许多奇思妙想无法实施。此外，由于生产要素更广地域范围的配置，生产中各种信息的及时传递也是铸造企业需要解决的问题。现在三维CAD+3D打印技术+互联网为我们提供了很好解决这一解决问题的方法，它们组合实现了传统铸造相关工序的数字化、信息化、少纸或无纸化，为不同地区间设计者和生产者提供快捷交流，缩短了工艺流程，从而提高了铸造的效率，更快、更好的满足用户对复杂零件需求。使铸造这门古老技术，在“创新驱动，智能转型”的浪潮中，焕发青春，为中国创造贡献力量，为中国质量，中国产品添砖加瓦。现将我们在实际工作的经验和教训与各位专家、同仁分享共同促进制造业的发展。
一、 常规铸造工艺过程介绍
铸造生产的基本过程就是根据所生产的铸件的要求，预先制备好铸型和一定的化学成分的液态金属或合金。然后在重力或其它作用力的作用下将液态金属或合金铸入铸型。待液态金属冷却凝固后从铸型中取出的过程。
1、 铸件的生产过程
铸件的生产过程一般从零件图开始到铸件检验合格入库为止。其间要经过许多道生产工序，涉及到铸件图的绘制、铸件工艺图绘制、然后依铸件工艺图进行样模的制造、型沙的配制、造型、制芯、合型、金属熔炼、浇注、铸件的落沙清理及热处理等多道工序。
2、铸造工艺设计
对于一个铸件来说，编制出这个铸件铸造生产过程中相关的工艺技术文件就是铸造工艺设计。铸造工艺设计过程中编制出的这些技术文件统称铸造工艺规程。它们是铸造生产的指导性文件，也是生产准备、生产控制和铸件验收的依据。
由于每个铸件的生产数量和要求不同，生产条件不同，因此铸造工艺设计的内容也不同。一般情况下铸造工艺设计包括以下几种主要的技术文件：①铸造工艺图;②铸造工艺卡片；③铸型装配图；④铸件毛坯图；⑤样模图；⑥芯盒图；⑦砂箱图；⑧样板图等主要技术文件。
这些工艺设计工作除了需要设计人员有相关知识和工作经验外，通常的基于纸和笔的图纸的绘制占用了他们大量的时间和精力。虽然二维的电子图板类的CAD的普及给设计人员许多便利但在直观性，使用便捷方面和不同种类设备间数据的传递方面依然有不足。最近这些年来随着三维软件技术的发展和日臻成熟，它有许多二维系统无法比拟的优越性。如对设计的直观详细的表达，使未经专业训练的人员也能看懂，与铸造CAE系统，工装模具CAD模块，加工CAM模块实现数据共享。以及我们此次所用的3D打印机间数据的传递都离不开三维CAD软件。
3、铸造工艺装备
铸造工艺装备指的是为完成铸造生产，生产中用到所有的各种模具、工装夹具等的总称。主要指模样、模板、芯盒、砂箱、浇冒口模、芯骨、烘芯板、定位销套、销紧卡子以及造型、下芯用的夹具、样板、模具和量具等。下面简绍模样、芯盒等常用工装的种类和特点，它们是铸造工序中比较费工、费时的环节。
(1) 模样
模样通常用在造型过程中，是铸造生产中最主要的工装之一。它对确保铸件的质量起着重要的作用，模样必须有足够的刚度和强度，有铸件需要的尺寸精度和表面粗糙度。不同的铸件需要制造不同的模样。有时由于铸件形状复杂模样的加工制造往往比较复杂，费工费时，影响交货周期。模样的种类按材料分可分为：木模、金属模、泡沫塑料气化模等。 （2）芯盒
芯盒用在制芯过程中，是制造砂芯的模具。砂芯和造型一起合型构成铸件的形状。制造砂芯除用车板、刮板外，一般采用芯盒制造。同样芯盒也必须有有足够的刚度和强度，有铸件需要的尺寸精度和表面粗糙度，使制造出的砂芯满足铸件的要求。但对复杂砂芯的芯盒制造周期长。而有的复杂砂芯可能要分解成几个相对简单的砂芯，最后又要拼合才能组成。这就需要更多的芯盒，更高的员工素质，更高的成本。
二、3D打印技术介绍
3D打印是一种通过材料的逐层添加制造三维实体的数字化增材料制造技术，是一种变革性的技术。它将信息、材料、控制等技术融合在一起将对未来的制造生产模式产生重大深远的影响。
1、3D打印的优势
优势1：制造复杂产品不增加生产成本。对一般的制造而言，物体形状的复杂程度与其制造成本成正比。对3D打印机而言，打印一个形状复杂的产品与打印一个简单的产品相比只要它们打印中所需移动的距离一致并不消耗更多的时间、技能或成本。 优势2：产品多样化不增加生产设备。一台3D打印机可以打印许多形状，而一般的制造设备功能较少，做出的形状种类有限，要做出一个复杂零件经常需要许多台不同的设备组合起来才能完成。
优势3：能整体成型，减少对产品零件的拆分。对于一些复杂的零件由于加工条件 的制约，设计师不得不把一个零件拆分成几个使其满足制造的要求。
优势4：设计空间不受限制。设计者可以按自己的想法设计不再太受加工手段的制约。
优势5：低技能制造。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对员工技能的要求，然而一般的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，其操作人员所需操作技能较少。
优势6：减少加工余量对材料的浪费及模具。传统金属加工中为了得到所需零件，经常产生许多废弃的副产品。在铸造中为了得到铸件经常需要许多不同的模具。3D打印机用于生产就可以减少这些，甚至不用。
2、3D打印的方式
在 3D 打印技术各个环节中成型技术是最核心、最关键的部分，成型技术的优劣直接决定打印的产品质量。目前，常用的成型技术主要有熔融沉积成型（ FDM Fused Deposition Modeling）、三维打印黏结成型（3DP 3DPrinte），选择性激光烧结技术（SLS Selective Laser Sintering）、直接金属粉末激光烧结技术（DMLS Dirce Metal Laser Sintering）。
（1）熔融沉积成型（FDM）
FDM（ Fused deposition Modeling）的工作原理是将热塑性材料丝在喷头处加热融化，通过喷头底部的微细喷嘴将融化的材料以一定压力喷出，随喷头移动材料形成一个层，一个层打印完成后工作台移动再打印下一个层，挤出的材料熔结在上一个层上，这样一层层打印直至完成整个实体。这种原理的打印机结构简单、成本低廉、成型尺寸是所有成型技术中最大的，但产品表面质量较差，适合于桌面级和低精度工业产品使用。 （2）三维打印黏结成型（3DP）
3DP 也叫三维打印黏结成型或喷墨沉积。原理比较像普通的喷墨打印机，由麻省理工学院开发。该技术的工作过程是首先在加工平台上按照层厚精确地铺上一层材料粉末，按照该层的形状喷头在粉末上喷撒特殊胶水使粉末固化，完成一个层的固化后再在完成部分上继续铺粉末，喷胶水，直到打印完成整个实体，然后把未固化的粉末清理回收。
（3）选择性激光烧结技术（SLS）
SLS 称为选择性激光烧结，是工业生产中使用最多的一种，制造产品的精度相当于精密铸造，打印速度比较快，使用材料最广泛。工作过程与 3DP 相似。同样是对粉末进行加工但成型是由高强度的 CO2激光器有选择的扫描，使粉末温度升高至熔点烧结。 （4）直接金属粉末激光烧结技术（DMLS）
DMLS 也称金属粉末直接激光烧结。DMLS 与 SLS 相似都是利用激光光能对金属粉末加热熔融烧结，打印过程需要惰性气体保护打印产品，不同之处在于DMLS 是边铺粉末边烧结而 SLS 是先铺平整个截面粉末再烧结。
3、三维CAD与3D打印机间数据交换方式
三维CAD建好的实体模型需要转换成3D打印机能识别的格式文件。目前，多采用STL文件格式。
三、三维CAD和3D打印在实际铸造中的应用
三维CAD和3D打印技术的发展使传统铸造工艺中，一些难以做到的，或做起来费工费
时的事变得容易。我们在工作中的一些经验与大分享。在铸造中有时会遇到有复杂管系的零件。这些管系空间尺寸复杂，通过传统工艺用芯盒制造困难，工作量大，工作周期长，尺寸难以保证。在工作中把三维CAD和3D打印机结合使用，对这一类零件的制造起得了较好的效
图一
果。如我们遇到的这个零件内部管系较复杂而且最小的部位仅有7mm。传统工艺方
法中砂芯制作非常困难，而且批量少，用传统的模样，芯盒方法生产成本高周期长，于是决定用3D打印机来制作无需制造模样，芯盒以提高效率，节约成本。
1、铸件工艺及模具设计
首先，用三维CAD软件把客户提供零件的三维模型去除需要机加保证或添加需要预留加工余量的部分，其内部管系无法机加形成需要铸造时铸出，形成铸件三维图（其外表面透明处理后，如图一）。形成铸件图的过程中工艺设计人员需与产品设计人员充分沟通解决遇到的问题，现在的网络技术真正实现了“天涯若比邻”使不同地区人员便捷的交流。而三维模型在交流中的应用使设计人员间传递信息更加完整清晰，减少了出错的可能。
工艺设计过程需根据铸件情况确定浇注系统参数，其原则和传统铸造一样这里就不细述了。
其次，在三维CAD中用相关模块对铸件进行分模，形成铸件的模具（图二)。
图二
模具设计时，需根据零件材料选择合适收缩率。由于我们此次3D打印所用的材料为覆膜砂，其为，圆球度高，流动性好，砂的表面包裹酚醛树脂而成。所用宝珠砂的圆球度高，流动性好，可振动清砂，涣散性好、铸件表面光洁度高，热稳定性好、导热性好、耐
高温、抗粘砂性好、固化速度快。所以采用的收缩率和传统铸造时一样。
原砂的颗粒形状对型砂的性能的影响：1、采用圆形砂配制的树脂砂，其它条件相同的情况下，砂型的抗拉强度比用多角形砂者可能提高一倍或更多一些。但是，两者的抗压强度切大致相同，用三角形砂者可能更高一些。2、采用圆形砂配制的树脂砂，流动性比多角形砂者好很多。在相同的紧实情况下，前者制成的试样或铸型，比后者制成的尺寸相同的试样
或铸型重15%～17%.也就是说，铸型的密度将提高15%～17%.3、造成上述抗拉强度差别的主要原因是用圆形砂者试样的密度高、粘结桥数量多，而不是砂粒表面积的改变。4、圆形砂作原砂时，砂型的脱模性能比用多角形砂者好得多，对于有深砂台、脱模困难的铸型应
图三
采用圆形砂。
砂芯(如图三)设计时，采用整
体结构，提高铸件的尺寸精度。砂芯要求定位准确，所以采用定位芯头。芯头和芯头座间应留一定间隙，保证砂芯安装。此外，为了提高铸件表面质量铸型和砂芯表面要涂涂料，设计模具时为保证尺寸精度，应在成型部分留出涂料厚度。我们根据实际情况一般采用的涂料厚度在0.2～0.5之间。
设计好的模具零件可根据需要在适当位置做加强或支撑，保证零件3D打印时和打印后清理运输过程的强度，待合模时去除就行了。就可以分别转换成STL格式的文件传递到3D打印机中进行打印了。
2、3D打印模具
我们此次的3D打印机采用的是选择性激光烧结技术（SLS）。STL文件被打印机中软件网格化，并按规定厚度“切片”， 切片的厚度根据零件的精度要求，零件最小厚度等因素确定，这个模具用厚度为0.15。3D打印机用CO2激光器，功率25w，扫描速度2000m/s，扫描方式按切片信息，分区优化，轮廓优化等各种方式选择。最终打印出来的零件见图四。
图四
仅用2天时间，就完成了过去需要几个星期才能完成的工作，极大的缩短了生产周期。并且节约了生产模具所需的费用
铸件的浇注系统由于成本等原因未直接打印出，打印出的模具可容易的通过简单的工具