基于3D打印技术的手轮铸模设计与制造*

耿 佩 周 超 马 丽

（西安航空职业技术学院航空材料工程学院, 陕西西安 710089）

3D打印，是根据已有的CAD零件模型，借助某种计算机辅助软件，在快速成型设备上逐层进行材料堆积，进而完成零件整体成形的一种快速成形制造技术[1-2]。3D打印的核心思想是增材制造，它能简化成形工序，缩短交付周期，降低制造成本，且具有绿色制造的特点。相比机加工和铸锻成形工艺，3D打印技术能大幅度节省了原材料，成形用材料只需原来的一半至1/3，制造速度增加了 3～4 倍[3-4]。

目前，3D打印技术的应用推广，已覆盖了制造、医疗、教育、航空航天、军事等多个领域。它与铸造技术的结合应用也逐步凸显，尤其在替代传统砂型铸造的原型设计与制造方面。它对未来铸造行业的智能铸造、精密铸造和智能铸造工厂的建设等有着非常重要的促进作用和变革意义[4-6]。本文主要针对3D打印技术中的FDM技术在手轮零件砂型铸造成形中的原型替代方面进行实验研究。

1 手轮零件造型设计

手轮是机械制造工装设备行业应用比较广泛的机械零件之一，其成形方法大多数是通过铸造技术和后期机加工方法制造完成。利用砂型铸造技术完成手轮零件的铸造成形时，常出现的铸造缺陷是内部疏松和轮辐裂纹等，为此常采用的优化铸造工艺是顺序凝固或同时凝固，合理设计浇冒口系统和排气系统。在传统的铸造专业教学领域，经常采用木质手轮模具，长期使用会出现木模开裂，表面粗糙度过大导致手轮铸件形状不规整、表面质量下降等问题。

图1 手轮二维零件图Fig.1 Hand-wheel 2D modeling part

本文研究对象是小型车床手轮，其零件图如图1所示，手轮的外圆为Φ130mm，辐条的宽度为15mm，中间有一个Φ30mm的实心圆柱，用于连接与支撑起辐条，起固定作用并承担起受力作用。这也是在原有手轮零件基础上针对轮辐出现裂纹过大甚至断裂的问题进行尺寸优化后所设计的。基于Pro-e软件完成手轮零件的三维造型设计如图2所示。

图2 手轮三维造型图Fig.2 Hand-wheel 3D modeling drawing

2 手轮砂型铸造工艺方案的确定

通过铸造工艺性分析，确定手轮砂型铸造的造型方法为挖沙造型，分型面选在轮缘最大截面处，如图3所示。浇注位置可基于合金凝固理论和生产经验确定，还要保证符合凝固顺序，重要加工面朝下，避免夹砂结疤类缺陷等原则，因此手轮浇注位置选择在轮缘中心位置。

图3 手轮分型面位置Fig.3 Hand-wheel parting surface position

3 基于FDM技术打印手轮铸模

3.1 FDM打印原理

本文选用3D打印技术中的FDM技术完成手轮铸模原型的打印过程。FDM，就是熔融堆积技术， 是通过将丝状的熔融性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头将熔融物料挤出来，熔融性材料在喷嘴里经过高温融化后从喷嘴挤出，堆积在工作台面板或者前一层已经固化好的物料上，当温度低于材料固化温度后，物料便开始固化，通过热熔性材料的一层一层堆积便可形成出最终的产品[7-8]。FDM打印原理如图4所示。

图4 FDM技术打印原理图Fig.4 FDM technology printing schematic

3.2.1 手轮三维模型数据的切片处理

快速成型技术其实质就是逐层打印，配合工作台和喷头的位置移动，进行相应形状的层层堆积，进而实现整个零件的打印成形。对三维模型的切片处理，就是为了提取零件每层的截面信息，生成数据文件，也是为了确定喷头在每层行走的轨迹，然后将生成的数据文件导入FDM快速成型机中。切片时切片厚度越小，成型件的质量越高，但相应打印时间就会拉长，反之则质量降低，加工时间缩短[7]。手轮零件切片处理后的打印参数设置如图5所示。

图5 手轮FDM打印参数设置Fig.5 Setting of Hand-wheel FDM printing parameters

3.2.2 打印成形并取件

将生成的切片数据文件导入快速成型机系统，喷头便沿着文件指令逐层行走，并喷出热熔性材料，待打印完毕，热熔性材料已全部固化。本次打印成形使用的热熔性材料是ABS，固化速度快，打印出的手轮原型表面相对光滑，结果如图6所示。

图6 3D打印的手轮铸模原型Fig.6 3D printed hand-wheel casting prototype

4 砂型铸造过程

对上述打印出来的手轮铸模进行表面抛光处理，并以此作为铸造模具，对其进行砂型铸造挖沙造型并浇铸。整个过程相比于原始的砂铸方法节省时间，铸件表面质量好，模具表面磨损小。对于单件小批量生产来说，可明显提高生产效率，降低制造成本。

5 结语

通过FDM技术打印了手轮零件，将其作为砂型铸造原型模具进行挖沙造型并浇铸成形，得到的手轮铸件，表面质量良好。此模具原型相比原有的木模原型使用寿命将会更长，还解决了原有木模易变性、易开裂导致铸件质量变差的问题。

目前许多应用案例表明，通过3D打印砂型与铸造工艺技术的结合，可将交货周期从2～3个月缩短至3周，并且成本也大幅降低。未来3D打印技术将会随着人工智能技术在新合金材料的研发应用发展，将会在更多行业逐步替代传统制造技术。