3D打印砂型鑄造模具和型芯正在改變當今高性能、大型金屬零件的制造方式。增材制造使現代鑄造廠能夠在交貨期內快速生產出復雜的金屬零件。本文以約1米長機械臂的重新設計和制造為例，闡述了將鑄件先進設計與3D打印砂模相結合的優點。
砂型鑄造和工業3D打印
金屬鑄造是一種常見且成熟的制造方法，用于生產融入我們日常生活的商品。如今，90%的制造產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工藝制造的。
砂型鑄造過程首先需要創建一個犧牲模具，該模具由混合有粘合劑的壓實砂組成。通過澆注系統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。幾個世紀以來，這種技術已經發展成為我們所熟知的工業流程。然而，數字制造和3D打印技術的出現使得現代鑄造企業進一步得以發展。
使用 3D 打印砂模和型芯的砂型鑄造正在成為增材制造的一個關鍵工業應用。直到最近，設計工程師和鑄造廠還主要將這種混合制造技術用于原型制作。今天， 越來越多的鑄造廠正在采用這種制造技術來增強其內部流程。
3D打印的砂模和型芯是在工業3D打印系統中利用數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建每個橫截面
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于創建合理的澆冒口系統，從而可以制備具有更少內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%；
? 增材制造消除了對工藝裝備和鑄造模具的需求以及相關的幾何限制。這有利于生產具有復雜幾何形狀的高性能的優化零件；
? 3D 打印和其他數字制造技術有助于改變傳統鑄造廠的形象，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 打印只是一種工具。這種新技術在砂型鑄造方面的局限性包括：
? 零件設計仍需遵循鑄造工藝和 3D 砂型打印系統的限制。這些設計考慮包括壁厚、件截面的變化和壁與壁之間的間隔；
? 目前可用的工業砂型3D 打印機是有限的，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，而傳統的鑄造廠對一個模具的收費通常在 1-2萬美元之間；
? 與每一項新技術一樣，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，這阻止了工程師和制造商最大限度的利用這項新技術。
下面的案例研究將設法解決最后一點。通過將每個決策中的設計方法和實際考慮因素文件化， 我們希望讓制造商、設計師和工程師更容易的使用這項技術。
案例研究：拓撲優化的機械臂
為了展示使用 3D 打印模具和型芯進行砂型鑄造的優勢，nTopology、賓夕法尼亞州立大學、Flow 3D 和 Humtown的工程師聯手重新設計了一條一米長的機械臂。他們共同創建了一個端到端的數字化鑄造工作流程--從零件優化到可制造性設計，最后是制造。
金屬鑄造模具組件的分解試視圖
該團隊將拓撲優化等先進的設計技術與只能通過增材方式制造的先進鑄造特征（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 打印整個砂模
? 在一個星期內制造出該零件
該項目的第一步是優化機械臂的幾何形狀。利用拓撲優化軟件，該團隊將零件的重量減少了40%--從 240 磅減少到 165 磅--同時仍然滿足規定負載條件的功能要求。
拓撲優化是一種仿真驅動的設計技術，該技術通常用于航空航天和汽車工程領域，優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、輕松地進行設計修改。
nTopology 拓撲優化過程概述，從原始設計到最終導出CAD主體
當然，工程團隊在設計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）。機械臂的尺寸限制了團隊生產這個巨大零件的選擇。
按照傳統的制模方法（使用木模）會帶來一些復雜性問題。由于幾何形狀的復雜性，設計團隊將不得不做出許多妥協，從而降低了零件的性能。
為了展示該技術的能力，該團隊決定直接 3D 打印整個模具。通常情況下常見的生產方式是只打印模具的一部分，如模具的型芯或其他關鍵的部位。
這一決定使該團隊能夠優化模具的其他關鍵特征，如澆口、澆道和冒口的幾何形狀和位置。這些優化將使金屬鑄件具有最小的內部孔隙和較高的材料性能。
該模具是賓夕法尼亞州立大學和 Flow3D 公司合作設計的。該團隊在設計過程中考慮到了兩個主要的設計要求：
? 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部缺陷、收縮、開裂和零件變形的另一個常見原因。出于這個原因，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行組裝，這種螺旋狀的澆口設計無法用傳統模式制造
為了確保在填充模具時不引入湍流，該團隊重新設計了澆注系統和冒口。他們使用了一個螺旋形的澆口，而不是一個向下的澆口。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來制造， 因為使用傳統的制備工藝不可能制備出這樣復雜的澆冒口系統。
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。仿真的目的是優化冒口性能，最大限度地減少孔隙率，并驗證澆口流速。仿真階段確保了該部件一次成功制備，并將開發時間從幾個月減少到幾周。
3D 打印工藝獨特的直接生產能力使這些先進的模具設計方法得以應用。而且能夠產生顯著的性能改進。研究表明，與傳統方法相比，使用這種模式生產的鑄件具有：
? 內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，強度可提高 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，快速生產所需的復雜形狀和結構的能力是零件制造的基礎，以滿足項目的目標。
Humtown 擁有四套ExOne SMax 粘合劑噴射 3D 打印系統，他們使用其中的一套打印系統來制作該模具。一旦 Humtown 的工程師收到最終的模具設計圖，他們就能在不到 24 小時內打印出模具。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 打印砂模解決方案供應商之一。他們已經接受了新技術，現在他們鼓勵其他鑄造廠采用新的鑄造方法，以創造一個精益和敏捷的供應鏈生態系統。
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行后處理操作
3D打印技術正在改變金屬鑄造的面貌。3D砂型打印使設計和制造工程師能夠生產具有復雜幾何形狀的優化的大型零件，通過優化設計鑄造模具能最大限度減少內部材料缺陷，并能建立更精簡、更靈活的制造供應鏈。
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