3D打印砂型鑄造模具和型芯正在改變當今高性能、大型金屬零件的製造方式。增材製造使現代鑄造廠能夠在交貨期內(nei) 快速生產(chan) 出複雜的金屬零件。本文以約1米長機械臂的重新設計和製造為(wei) 例，闡述了將鑄件先進設計與(yu) 3D打印砂模相結合的優(you) 點。

砂型鑄造和工業(ye) 3D打印

金屬鑄造是一種常見且成熟的製造方法，用於(yu) 生產(chan) 融入我們(men) 日常生活的商品。如今，90%的製造產(chan) 品和機械都使用了鑄造零件。而當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(chan) 工藝製造的。

砂型鑄造過程首先需要創建一個(ge) 犧牲模具，該模具由混合有粘合劑的壓實砂組成。通過澆注係統用熔融金屬填充模具的型腔，然後將模具破壞取出鑄造件。

大型砂型鑄造模具在3D打印和清洗後即可使用

砂型鑄造可以追溯到公元前 1 世紀。幾個(ge) 世紀以來，這種技術已經發展成為(wei) 我們(men) 所熟知的工業(ye) 流程。然而，數字製造和3D打印技術的出現使得現代鑄造企業(ye) 進一步得以發展。

使用 3D 打印砂模和型芯的砂型鑄造正在成為(wei) 增材製造的一個(ge) 關(guan) 鍵工業(ye) 應用。直到最近，設計工程師和鑄造廠還主要將這種混合製造技術用於(yu) 原型製作。今天， 越來越多的鑄造廠正在采用這種製造技術來增強其內(nei) 部流程。

3D打印的砂模和型芯是在工業(ye) 3D打印係統中利用數字文件直接逐層製備的。打印頭將粘合劑材料液滴噴射在薄薄的沙層上來創建每個(ge) 橫截麵

使用3D打印模具和型芯進行砂型鑄造的好處

• 3D 打印的砂模和型芯有助於(yu) 創建合理的澆冒口係統，從(cong) 而可以製備具有更少內(nei) 部缺陷的高性能的金屬零件，零件的材料強度最高可提高15%；

• 增材製造消除了對工藝裝備和鑄造模具的需求以及相關(guan) 的幾何限製。這有利於(yu) 生產(chan) 具有複雜幾何形狀的高性能的優(you) 化零件；

• 3D 打印和其他數字製造技術有助於(yu) 改變傳(chuan) 統鑄造廠的形象，吸引年輕人才和新的勞動力進入該領域。

使用3D打印砂模和型芯進行砂型鑄造的局限性

然而，3D 打印隻是一種工具。這種新技術在砂型鑄造方麵的局限性包括：

• 零件設計仍需遵循鑄造工藝和 3D 砂型打印係統的限製。這些設計考慮包括壁厚、件截麵的變化和壁與(yu) 壁之間的間隔；

• 目前可用的工業(ye) 砂型3D 打印機是有限的，而且 3D 打印模具的製造成本也相對較高。作為(wei) 參考，砂型3D 打印的成本約為(wei) 每立方英寸 0.1 美元，而傳(chuan) 統的鑄造廠對一個(ge) 模具的收費通常在 1-2萬(wan) 美元之間；

• 與(yu) 每一項新技術一樣，獲得砂型3D打印知識和設計技能的途徑仍然有限。難以找到最佳設計案例和設計準則，這阻止了工程師和製造商最大限度的利用這項新技術。

下麵的案例研究將設法解決(jue) 最後一點。通過將每個(ge) 決(jue) 策中的設計方法和實際考慮因素文件化， 我們(men) 希望讓製造商、設計師和工程師更容易的使用這項技術。

案例研究：拓撲優(you) 化的機械臂

為(wei) 了展示使用 3D 打印模具和型芯進行砂型鑄造的優(you) 勢，nTopology、賓夕法尼亞(ya) 州立大學、Flow 3D 和 Humtown的工程師聯手重新設計了一條一米長的機械臂。他們(men) 共同創建了一個(ge) 端到端的數字化鑄造工作流程--從(cong) 零件優(you) 化到可製造性設計，最後是製造。

金屬鑄造模具組件的分解試視圖

該團隊將拓撲優(you) 化等先進的設計技術與(yu) 隻能通過增材方式製造的先進鑄造特征（包括澆口、澆道和冒口）相結合。使用這種方法，該團隊設法達到以下幾個(ge) 目標：

• 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(ge) 砂模

• 在一個(ge) 星期內(nei) 製造出該零件

該項目的第一步是優(you) 化機械臂的幾何形狀。利用拓撲優(you) 化軟件，該團隊將零件的重量減少了40%--從(cong) 240 磅減少到 165 磅--同時仍然滿足規定負載條件的功能要求。

拓撲優(you) 化是一種仿真驅動的設計技術，該技術通常用於(yu) 航空航天和汽車工程領域，優(you) 化目標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隊能夠快速、輕鬆地進行設計修改。

nTopology 拓撲優(you) 化過程概述，從(cong) 原始設計到最終導出CAD主體(ti)

當然，工程團隊在設計階段就考慮了該零件的可製造性。最終的金屬零件用鋁鑄造時重 165 磅（或約 75 千克），其邊界尺寸為(wei) 39″ × 16″ × 16″（或 1.0 m × 0.4 m × 0.4 m）。機械臂的尺寸限製了團隊生產(chan) 這個(ge) 巨大零件的選擇。

按照傳(chuan) 統的製模方法（使用木模）會(hui) 帶來一些複雜性問題。由於(yu) 幾何形狀的複雜性，設計團隊將不得不做出許多妥協，從(cong) 而降低了零件的性能。

為(wei) 了展示該技術的能力，該團隊決(jue) 定直接 3D 打印整個(ge) 模具。通常情況下常見的生產(chan) 方式是隻打印模具的一部分，如模具的型芯或其他關(guan) 鍵的部位。

這一決(jue) 定使該團隊能夠優(you) 化模具的其他關(guan) 鍵特征，如澆口、澆道和冒口的幾何形狀和位置。這些優(you) 化將使金屬鑄件具有最小的內(nei) 部孔隙和較高的材料性能。

該模具是賓夕法尼亞(ya) 州立大學和 Flow3D 公司合作設計的。該團隊在設計過程中考慮到了兩(liang) 個(ge) 主要的設計要求：

• 熔融金屬必須盡可能順利地填充型腔。研究表明，低於(yu) 0.5米/秒的流速是必要的， 以盡量減少湍流，並減少由於(yu) 氧化層脫落和孔隙造成材料缺陷的可能性；

• 冒口必須在零件之後凝固。不均勻凝固是造成內(nei) 部缺陷、收縮、開裂和零件變形的另一個(ge) 常見原因。出於(yu) 這個(ge) 原因，鑄造後將被加工掉的部分必須最後凝固。

該模具是分體(ti) 製造的，然後在澆注熔融金屬之前進行組裝，這種螺旋狀的澆口設計無法用傳(chuan) 統模式製造

為(wei) 了確保在填充模具時不引入湍流，該團隊重新設計了澆注係統和冒口。他們(men) 使用了一個(ge) 螺旋形的澆口，而不是一個(ge) 向下的澆口。他們(men) 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(you) 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於(yu) 所需的閾值，並且熔融金屬會(hui) 均勻地凝固。此外，這些特征隻能使用增材製造技術來製造， 因為(wei) 使用傳(chuan) 統的製備工藝不可能製備出這樣複雜的澆冒口係統。

鑄造過程模擬幫助團隊確保速度流量保持在0.5毫米/秒的臨(lin) 界值以下

為(wei) 了確定最佳零件澆鑄方向和流道、澆口和冒口的最佳位置，該團隊使用鑄造模擬軟件進行了多次設計迭代。仿真的目的是優(you) 化冒口性能，最大限度地減少孔隙率，並驗證澆口流速。仿真階段確保了該部件一次成功製備，並將開發時間從(cong) 幾個(ge) 月減少到幾周。

3D 打印工藝獨特的直接生產(chan) 能力使這些先進的模具設計方法得以應用。而且能夠產(chan) 生顯著的性能改進。研究表明，與(yu) 傳(chuan) 統方法相比，使用這種模式生產(chan) 的鑄件具有：

• 內(nei) 部非金屬夾雜物總含量為(wei) 0.02%，缺陷減少99%；

• 使用相同材料鑄造時，強度可提高 8%-15%。

鑄造材料性能的提高使這一工藝對於(yu) 製造高性能或定製部件的鑄造廠來說最為(wei) 適用。

精簡製造過程，快速生產(chan) 所需的複雜形狀和結構的能力是零件製造的基礎，以滿足項目的目標。

Humtown 擁有四套ExOne SMax 粘合劑噴射 3D 打印係統，他們(men) 使用其中的一套打印係統來製作該模具。一旦 Humtown 的工程師收到最終的模具設計圖，他們(men) 就能在不到 24 小時內(nei) 打印出模具。由於(yu) Trumbull 鑄造廠與(yu) Humtown 的緊密合作，該廠能夠在一天內(nei) 完成零件的鑄造。

將熔融金屬倒入3D打印模具的過程與(yu) 在任何傳(chuan) 統鑄造廠進行的砂型鑄造過程是相同的

Humtown 是美國領先的 3D 打印砂模解決(jue) 方案供應商之一。他們(men) 已經接受了新技術，現在他們(men) 鼓勵其他鑄造廠采用新的鑄造方法，以創造一個(ge) 精益和敏捷的供應鏈生態係統。

模具在鑄造完成後被破壞以取出金屬零件，隨後金屬零件可以進行後處理操作

3D打印技術正在改變金屬鑄造的麵貌。3D砂型打印使設計和製造工程師能夠生產(chan) 具有複雜幾何形狀的優(you) 化的大型零件，通過優(you) 化設計鑄造模具能最大限度減少內(nei) 部材料缺陷，並能建立更精簡、更靈活的製造供應鏈。