基於 3D 打印的泵殼快速鑄造方法
2023-5-9 來源： 北京浩（hào）鵬科技有限公司技術中心 作者： 武誌良
摘要 : 傳統的砂型鑄造工藝在鑄件生產時（shí），首先（xiān）需要製作模具，存在周期長（zhǎng）、費用高等問題，不能完全（quán）滿足新產品研發的周期要求（qiú）。采用 3D打（dǎ）印砂型或者砂芯，一方麵減少對技術工人的依賴，增強了產品品質。另一方麵速度快，縮短了交貨期。最後，為產品設計的靈活性提供了保障，3D 打印能夠及時應對設計變（biàn）更，提升產品研發的驗證效率。
1.引言
本文（wén）主要介紹了三維鑄造工藝設計、砂型3D 打印技術（shù）、光學三（sān）維掃描技術在小批量鑄件開發中的應用，結合泵殼的製造過程（chéng），比較了3D 打印砂型和傳統鑄造工藝的特點，結果表明，采用砂型 3D 打印的數字化（huà）鑄造技術（shù），能夠明顯縮短交貨期（qī）、降低產品研發成本，而且精（jīng）度高（gāo），工藝性能穩定。
3DP 砂型 3D 打印的原理（lǐ） : 將樹脂砂鋪在 3D打印平台上，用刮板機刮平，層厚大約（yuē）在 0.28-0.5mm。打印頭根據三維模型的二維（wéi）切片生成的路徑噴射呋喃樹脂膠，將樹脂砂粘接在一起，然後如此往複，完成整（zhěng）個三維模（mó）型的打印。3DP 打印砂型的（de）優點就是（shì）成本（běn）低（dī），效率高，力學性（xìng）能好。
通過比較 3DP 砂型打印（yìn）快（kuài）速鑄造和傳統鑄造工藝流程不難看出，3D打印砂型快速鑄造實現了無模（mó）製造，節（jiē）省了模（mó）具（jù）設計、製造、造型（xíng）、製芯等工序，同時 3D 打（dǎ）印砂型精度高，質量穩（wěn）定（dìng），節約生產製造周（zhōu）期。
2. 鑄造工藝設計
在砂型和砂芯 3D 打印之前，需要在產品三維（wéi）數模上進行（háng）工藝設計，包括預留加工餘量、澆鑄係（xì）統設計，必要（yào）時進行鑄造仿真模擬（nǐ），及時發現鑄造缺陷。
（1）添加加工餘量
某水泵殼（ké）體，材質為 HT200，考慮到鑄件在凝固過程中有收縮，所以需要對產品數模進行一定比例的放大（dà），灰鐵的收縮率為 1%。在 UGNX11 軟件中，比例因子選擇 1.01。見圖 1。
圖 1 圖 2
然後需要根據二（èr）維圖紙，對安裝麵增加加工餘量，目的是保證成品的尺寸公差。加工餘量的大小對產品質量和生產效率有很大影響，加工餘（yú）量過大，不僅增加機械（xiè）加工的工作量，增加能源消耗，也降低了生（shēng）產效率。而加（jiā）工餘量過小，機（jī）械加工無法加（jiā）工掉鑄造缺陷，也無法補償加工過程中產生的裝夾誤差，從而產生廢品。所以我們參考砂型（xíng）鑄造的精度，加工餘量增加 5mm。見（jiàn）圖 2。
（2）澆鑄係（xì）統設計
澆鑄係統是鑄型中液態金屬流入型腔通道的總稱，澆鑄係統的（de）設計主要考慮金屬液流動的速度（dù）和方向平穩、連續、均勻，不衝擊砂（shā）芯和型壁（bì），不產生飛（fēi）濺和渦流，不卷入氣體。澆鑄係統要結構簡單，不影響鑄（zhù）件（jiàn）的外觀（guān）。對（duì）於案例中（zhōng）的殼體設計澆（jiāo）鑄係統采用收縮式，也就是直澆道的橫截麵大於橫澆道的橫（héng）截麵，也大於（yú）內澆道的橫截麵（miàn）。見圖 3。
圖 3 圖 4
3. 砂型（芯）設計（jì）與 3D 打印
我們采用 UG NX 11 軟件，對三維數模進行砂型（xíng）和砂芯分模設計（jì），需要考（kǎo）慮產品結構（gòu）、3D打印設備的打印範圍等因素。對於本次殼體的砂芯和砂型設計，考慮到（dào）尺寸最（zuì）大是（shì） 200mm。一次成型兩件也在 3D 打印設備範圍內，所以砂型和砂芯（xīn）采用整體打印。分上下兩部分合模（mó），方便清理澆道內多餘的砂子（zǐ）。
打印砂型的精度是（shì） ±0.5mm，3D 打印（yìn）砂型的材料是呋喃（nán）樹脂自硬砂，砂子粒度為 70 目（mù）。3D 打印設備成型尺（chǐ）寸為 2000mm×1000mm×800mm，砂型的抗拉強度在（zài） 1.4-1.9MPA，發氣量 12-15ML/g。要打（dǎ）印的砂型和砂（shā）芯（xīn）。見（jiàn）圖 4。
4.合型、澆鑄
砂型打印完成之後（hòu），清理表麵的浮砂，然後合型，圍箱澆（jiāo）鑄。澆（jiāo）鑄重量 10kg，澆鑄溫度為 :1370-1380℃。澆鑄完成後，冷卻 12 小時，然（rán）後敲掉砂（shā）型和砂芯，做拋丸（wán）處理，並打磨掉澆鑄口，檢查鑄件有無氣孔、砂眼、夾渣、縮孔、縮鬆、裂紋等鑄造缺陷。最後對配合麵進行數控加工，確保尺寸公（gōng）差在要求範圍內。見圖 5。
圖 5 圖 6
5. 尺寸檢測
尺寸檢測的方式很多，可以采用三坐標、二次元、光（guāng）學三維掃描（miáo）儀等。其中光學三維掃描（miáo）儀具有精度高、操作方便（biàn）等優點，而且是全（quán）尺寸檢測，所以廣受歡迎。光學（xué）三維掃描屬於非接觸（chù）式掃（sǎo）描，可以對柔軟、易碎的物體進行測量，其缺點是很難掃描高反光（guāng）、高（gāo）透光的表麵，而且掃描後的點雲質（zhì）量（liàng）一（yī）般，需要噴顯像劑才能提高掃描的點雲質量。光學掃描儀根據光源的（de）不同，分為白光、藍光、激光等不同的類（lèi）型。
白光和藍光都屬於結構（gòu）光，適合掃描小件，精度高，但是使用不如激光掃描儀方便。激光（guāng）三維掃描儀在中大型（xíng）產品的掃描上比（bǐ）較出（chū）色。對於本（běn）次泵殼（ké）的尺寸檢測，采用（yòng）藍光三維掃描。因為產品小，精度要求高（gāo）。藍光三維掃描（miáo）儀的設備參數見下表。
將數控加工後的泵殼進行 3D 掃描，獲取點雲數據，在 Geomagic Qualify 軟件中，將產品的 3D 數模和點雲數據導入，根據基準進行對齊，做 3D 尺寸比（bǐ）較。最後得到全尺寸的檢測報告。見圖 6。
6. 結論
本文介紹（shào）通過砂型 3D 打印技術在快速鑄造方麵的應用，將泵殼的開發周期（qī）從 2 個（gè）月降到 20天內，縮短了接近 70%。同時因為減少（shǎo）了模具設計、開發、製造等工序，降低（dī）了成本。最後，砂型 3D 打印快速（sù）鑄造的工藝減少了砂芯的（de）數量，也就減少了組芯的誤（wù）差，能有效保證鑄件的精度，適合在新品（pǐn）開發（fā）中推廣應用。
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