探讨3D打印技术和铸造模拟技术在精密铸造生产中的运用

探讨3D打印技术和铸造模拟技术在精密铸造生产中的运用

孔庆国

齐齐哈尔金车铸造有限责任公司

摘要：随着市场的全球化竞争加剧以及我国淘汰和限制低端产品产能及落后工艺设备政策的陆续出台，传统铸造行业急需有效地实现高效、高质量、柔性化、绿色、健康可持续发展。低污染、低排放、低能耗、经济高效且具有高度工艺灵活性的3D打印技术为我国铸造行业加快转型升级，改变技术和装备落后状态的提供了一种技术途径。目前关于3D打印技术的特点和基于3D打印技术的铸造工艺设计方法的研究还处于初级阶段，阻碍了3D打印技术优势的发挥和推广应用。

关键词：3D打印技术；铸造模拟技术；精密铸造；

前言：传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用。但在浇注大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺试验来确定工艺。传统生产制造这些零件通常采用铸造或解体加工的方法。生产周期可缩短十倍以上。实现了生产的低成本和高效益，达到了铸件生产的个性化、多样性、快速铸造的目的。

一、3D 打印技术概述

3D 打印是一种新型铸型制造技术。国内外经过几十年的研究与发展，开发出许多类型的 3D 打印设备和控制软件；并且材料由软到硬、印刷由单喷头到多喷头、扫描区域从线到面都实现了突破，但国内的相对落后。目前主要对型砂，粘结剂，打印工艺过程及后处理等方面进行大量的研究相较于传统的制作， 3D 打印制作流程更简单，无需制作模具和芯盒，从而有利于缩短研发周期。大部分工作用计算机控制机器完成，大大减轻了工人的工作量。而且成型过程精确到毫米级，能更精确地控制生产过程。增材制造过程是先进行建模，然后将得到的模型转换为STL格式，再对其进行文件分层，最后根据每层的信息逐层实现铸型实体的增材制造阵列扫描喷头沿设计路径喷粘结剂，粘结剂在固化剂作用下固结。3DP技术特别适合小批量中、大型铸件加工，有以下优点：（1）适合生产中型和大型的以及在内部的复杂结构，3DP技术采用喷头对指定位置喷射粘结剂，受到的设备工作区域限制少以及阵列喷头的使用提高了生产效率。（2）与传统铸造粘结剂同类型：粉末的粘接剂一般可选用呋喃树脂、酚醛树脂或硅酸盐粘结剂。（3）生产成本较低。不需要激光光源从而减少了能耗；降低了原材料的浪费，未喷粘结剂的粉末利于回收再利用。但是， 3D 技术加工得到的零件，表面受到粉末颗粒的影响使得粗糙度得不到保障，加大了后期处理的工作量，所以 3D 技术在零件精度方面应有所发展。

二、3D打印技术和铸造模拟技术在精密铸造生产中的运用

1. 浇注系统的类型与适用范围。浇注系统的作用是：保证金属液在铸型中的充型。构成浇注系统的结构大致有：浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道。浇注系统的结构在一定程度上关系到铸件的质量是否达标，设计浇注系统时应遵循以下原则：（1）调整充型过程中金属液体流动的方向并且调控金属液体流动的速度，从而使金属液体在充满型腔的过程能够保持平稳和连续。（2）保证金属液体充满型腔的时间适当，从而避免出现夹砂、皱皮等问题，得到轮廓清晰、完整的铸件。（3）调节铸型内部的温度分布，从而加强铸件的补缩能力，降低铸造应力，防止铸件产生变形等问题。目前，浇注系统大致有两种分类方法：一种是从各组元之间的断面积的比例关系来划分，可以分为封闭式、半封闭式、开放式；另一种则是根据内浇道在铸件上的相对位置，可以将浇注系统划分为顶注式、中注式、底注式和分层注入式充型后金属液体上部的温度要高于金属液体下部的温度，便于顺序凝固和冒口补缩，从而有利于提高铸件质量；分层注入式浇注系统需要设置多个内浇道，减轻了内浇道附近的金属液体的温度压力；但是分层注入式浇注系统造型大多复杂，甚至会需要多个分型面，对计算和结构设计的要求较高。

2.铸造过程数值模拟。随着计算机硬件和数值计算技术的迅速发展，数值模拟已成为与实验技术并行发展的科学研究方法。数值计算是使用时间和空间上的有限离散节点来近似区域的连续分布从而解决时、空上特定区域连续分布的问题。这种方法在理论上不如通过数学分析直接求解微分方程那样直观，但在针对铸件凝固传热时更加实用。常见的数值计算方法有(有限元法) 、 (有限差分法)和 (边界元法)。可以进行流场、温度场、电磁场等模拟分析。铸造数值模拟是通过对铸件充型凝固过程的数值计算，可以提前预测铸件质量和铸件缺陷，对所设计的铸造工艺进行验证和优化从而得到质量良好的铸件。在满足铸件实际生产要求的同时，降低生产成本。其中针对模拟仿真过程中对充型和凝固过程时流场和温度场，分析得到可能会产生的浇不足、冷隔和产生缩松缩孔等缺陷的位置。另外还可通过观察组织分布情况以及晶粒尺寸的大小来预测其组织力学性能等。对凝固过程的温度场进行数值模拟分析，对预测铸件收缩类缺陷以及粘砂缺陷非常重要。SolidWorks 是目前来说较为主流且具有优势的三维 CAD 软件。SolidWorks 拥有较为强大的功能，而且具有众多的组件。利用 SolidWorks 可以为设计提供方便的方案、降低在设计过程中可能犯错误的几率，从而从一定程度上提高设计产品的质量。除了拥有独特的功能之外，也便于工程师和设计者的操作。基于 的易于上手学习的操作以及其在设计方面足够强大的功能特性，利用设计的产品可以说是完全可编辑的，同时，其零件设计、装配设计以及工程图之间关联性也极强，对于使用者的设计有很大的帮助。

3. 打印中的砂芯，应当尽可能实现型芯一体化。对于带有内部孔道结构的铸件，传统中需要设置和装配砂芯。所示为一空心圆柱体管套铸件，其中的圆柱孔采用圆柱形砂芯铸出，由于采用模具造型，砂芯必须单独制造后安装到铸型中，不仅需要设计和制造芯盒，具备制芯设备，装配砂芯时还会产生形位和尺寸误差。3D 打印则可以方便地进行型芯一体化制造，不需要设计和制造芯盒，不需要制芯设备，也不需要额外的制芯时间，不仅简化了工序，还减少了装配误差.铸件浇注完成后各部位的温度示意图可以知道铸件充型不会出现浇不足的现象，且铸件各部位金属液温度近似，而上端的冒口和浇道温度较高以及壁厚较厚有助于铸件的顺序凝固。铸件各部位的凝固时间，可以得到铸件的凝固顺序：基本是自下而上的顺序，且冒口处的凝固发生在铸件的凝固后，该处会产生热节但不会影响铸件的质量，由此说明该工艺基本合理。通过模拟软件中 Niyama 判据对缩松缩孔缺陷进行预测可以得到有概率出现缺陷的位置，基本主要集中在冒口和浇道上，铸件上仅有少量存在，证在针对大型铸型时，铸型需要进行分块便于刷涂料和搬运，但同时需要考虑到合型装配，所以针对大型铸型时要设计好各分块的结构。应尽量减少铸型分块数量；内壁表面有复杂细薄结构的部分应尽量分在基于 3D 打印的铸造工艺设计同一型块上；铸型分块的大小和结构要便于型块的搬运与合型装配；对于具有薄壁大平面的铸件，3D 打印铸型分型面可以是斜面，以实现倾斜浇注。铸型砂块在打印机砂床应尽量密集排布，砂块的排布应使砂床的高度最低，以提高 3D 打印效率。带斜面的铸型砂块应使斜面垂直放置在砂床中，带曲面的铸型砂块应使曲面水平放置，以避免台阶效应。

结束语：

3D打印技术可以大幅缩短生产周期，为新产品研制和开发获得了大量宝贵时间，降低了生产成本，极大地提高了铸造车间精密铸造水平，为确保后续型号产品中精密铸件生产任务的顺利完成打下良好的基础，可大幅提高企业的竞争力。

参考文献：

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