机械铸造生产中快速成型技术的应用分析

机械铸造生产中快速成型技术的应用分析

聂越

成都桐林铸造实业有限公司 四川省 成都市 610000

摘要：3D打印技术与铸造技术的融合将发挥不可估量的作用。随着3D打印技术在铸造行业的广泛应用和铸造设备的高度发展，通过3D打印机、桁架机器人、AGV、自动浇注系统等设备的应用，成功解决了传统铸造车间存在的诸多问题。融合解决了3D打印材料和成本的问题，突破了铸造前只模具的瓶颈，加速了铸造产业的发展，为个性化创新工厂的快速发展和制造业的升级提供了可能。本文对快速成型技术在机械铸件生产中的应用进行了研究和分析，以供参考。

关键词:机械铸造;3D打印;应用程序

引言

自2000年以来，中国铸件产量已超过美国，连续多年位居世界第一。铸件年产值超过2500亿元，占世界总产量的1/4，已成为世界铸件生产基地。2021年，中国铸件总产量达到3960万吨，产值超过4000亿元。中国约有3万个铸造工厂，雇员约200万人。我国铸造企业众多，但企业平均产量远低于发达国家。现有铸造系统平均产量低，铸件附加值低，劳动力多，铸造技术水平低。此外，一些企业的铸造设备布置不合理，上一道工序需要交叉其他工序到下一道工序，进一步降低了铸造效率。3D打印铸造系统的应用打破了传统的铸造系统模式，可以在铸造过程中实现高效率和高自动化。

1铸造系统的工作流程

3D打印的工作流程如图1所示。砂料和液料通过集中供砂和液料供应系统提供。砂芯由砂芯打印机打印，砂芯在打印工作箱中。桁架机器人抓取砂芯后，驱动砂芯依次进行自动洗砂、自动浸涂、微波烘干。微波干燥后，由桁架机器人自动将砂芯组装在芯线上。岩心形成后的砂芯称为岩心包，放置在转移托盘上。岩心形成后，由砂芯输送AGV将输送盘输送到冶炼铸造区，也可由桁架机器人将输送盘输送到砂芯立体库进行缓存。铁芯成型后，将砂芯移至冶炼铸造区，浇注机系统将铁水倒入铁芯中。倒入铁水后，将铁芯放在铁芯托盘上。砂芯输送AGV将砂芯托盘输送到砂芯加工区，砂粒经落砂加工。落砂后的砂粒被回收，可送到砂芯打印机，实现砂粒的回收。

图1 3D打印成形工作流程

砂芯输送AGV在精加工区实现铸件输送。AGV将岩心包转移到翻箱机，翻箱机自动翻箱，使岩心包进入落砂区进行砂处理。铸件经砂处理后，由机械手依次进行时效、抛丸、精加工。处理完毕后，对铸件进行表面处理，用叉车将铸件转移到涂装室依次进行涂装和烘干。上述3D打印铸造系统以铸造一体化工艺设计为主导，以成型智能单元、熔浇智能单元、精加工智能单元、物流智能单元为支撑，形成了完整的PLM、LIMS、TDM(综合数字化管理)平台，建立了实时数据库、历史数据库和专家知识库。通过数据分析和推理，利用物联网/ERP/LIMS/VCS/智能单元等系统无缝高效集成，对设备、安全环境、生产、质量、成本等全过程进行监控，实现产品研发、工艺设计、仿真分析和制造数控;采用多种实时传感系统、测控设备、3D打印技术、机械手、AGV和立体库相结合的智能物流系统、工业信息安全防护等智能设备，实现了制造过程的自动化和网络化、物流采集信息化、物料输送自动化，为产业转型升级搭建示范和体验平台。

2  3D打印和铸造融合配套技术

2.1SLS技术

SLS技术属于通用打印技术。原则上，只要能将材料制备成粉末，中间部分是通过选择性加热熔化粉末或熔化粘结剂形成的。在铸造中，主要印刷材料有PS粉、蜡粉、涂覆树脂砂、涂覆陶瓷等。PS粉末印刷材料和工艺非常成熟，具有材料收缩、膨胀系数小、中等温度条件下尺寸稳定、材料和印刷成本低等优点，是各种精铸蜡模具的较好选择，但由于壳体在释放过程中的压差膨胀和焙烧过程中产生了大量的黑未氧化问题，要解决这两个问题，需要长期的专业铸造知识探索和较高的环保成本，应用并不广泛。目前主要用于硅溶胶精铸和石膏真空铸造。蜡粉印刷材料和工艺还不是很成熟，由于蜡的吸水性强，印刷变形和开裂非常常见，印刷参数非常困难，材料价格昂贵。但它不扩壳、环保，特别是对于薄壁、小零件有明显的优势，利用SLS技术做蜡件少，工业产品比较难用，小蜡印刷由其他印刷技术代替。覆膜树脂砂是涂有树脂的砂，用加热方法将树脂熔化粘合而成。虽然砂(芯)成型技术与3DP技术、SLS技术相比，热成型变化大，强度高，印刷效率低，成本高，由于强度高的优点，所以常用于制作细长的砂芯。由于成本高，废砂量大，可能会被淘汰。包覆陶瓷是将陶瓷颗粒涂上树脂，通过选择性加热将树脂熔化粘合，然后脱脂烧结而成。陶瓷的用途非常广泛，在铸造中，主要用于各种复杂零件的内芯。SLS打印陶瓷工艺复杂，变形控制差，难以大规模推广，逐渐被3DP等工艺所取代。

2.2SLA技术

SLA技术是一种光固化技术。有多种印刷材料，印刷零件精度高，表面光滑，长期以来受到塑料制品用户的青睐。在铸造方面，主要用于硅溶胶熔模铸造、塑料模具、硅胶模具。硅溶胶熔模铸造:硅溶胶熔模铸造采用薄壁空心结构，结合精度高、表面光滑等优点，但其缺点是产气量大、良率差、价格略高。塑料模具:结合高强度的特点，用印刷模具代替木模具。其精度和耐磨性能优于木模，但低于金属模，成本略高。硅胶模具:结合印刷SLA模具精度高、表面光滑等优点，通过真空注塑机将其变成硅胶模具，用于铸造蜡件。

2.33DP技术

3DP技术是从平面印刷技术演变而来的，不同的是3DP通过喷墨头喷洒树脂粘合剂，这种印刷技术的主要难点是喷墨头的寿命，由于粘合剂的腐蚀性强，喷墨头很容易腐蚀堵塞。目前还没有开发出专用于3DP打印的喷墨头。富士喷口用于平面印刷。由于消费有限，价格相对较贵。在铸造方面，主要用于砂、砂芯、泡沫塑料、陶瓷等。砂和砂芯是3DP技术中最成熟的技术。砂和砂芯属于冷成型工艺，可以打印任何复杂形状而不考虑分离问题。印砂和砂芯透气性好，可用于直砂铸造或金属砂芯。选用泡沫端塑料，通过粘结剂与泡沫端塑料粉粘结，印刷件用于熔模精密铸造蜡模和失模铸造。与SLS印刷相比，这种印刷方式具有印刷速度快、软化温度低、无壳膨胀、印刷尺寸大、气体产量小等优点，但价格高，推广速度慢。陶瓷是选用陶瓷粉末喷涂粘结剂，冷成型方法，然后脱脂烧结而成。陶瓷的用途非常广泛，在铸造中，主要用于各种复杂零件的内芯。3DP打印陶瓷工艺复杂，应用较少，具有良好的发展前景。

2.4SLM技术

SLM技术是一种直接选择印刷金属的方法。铸造方面，可用于有水道或加热的复杂模具，以及复杂结构件(如复杂腔体、细长油道)的插铸零件。复杂内腔结构和拉长油通道零件的生产非常困难，主要在于芯体的制造和清洗，采用芯体整体印刷和重铸的方法，很好地解决了内腔体的清洗和缺陷。

3结束语

综上所述，3D打印铸造系统技术的应用简化了建模过程，大大缩短了生产周期，降低了铸件制造成本，有效提高了新产品研发效率，可在结构复杂、质量要求高、小批量单件铸件制造领域广泛推广应用。

参考文献

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