案例 l 3DP技術解決重型工業(yè)大型與復雜的零件鑄造挑戰(zhàn)

一般來說，鑄件尺寸越大，需要制造的砂芯數量就越多。3DP技術用于大型鑄件砂模制造方面存在著砂芯排氣、砂芯固定，以及外冷鐵設置和固定等挑戰(zhàn)。不僅如此，這些砂模在金屬鑄造過程中通常還要滿足超高溫、超厚寬斷面、高承壓、干凈、無損等要求。接下來我們結合voxeljet維捷的幾個典型應用案例并結合玉柴的鑄造應用，為您盤點3DP技術如何滿足大型零部件鑄造的挑戰(zhàn)。

曼的柴油發(fā)動機缸蓋
3D打印技術應對復雜性的挑戰(zhàn)在柴油發(fā)動機的鑄造中對于砂模的要求是很高的，需要保證砂型的形狀尺寸，以及形狀之間的相對位置，能夠保證鑄件的壁厚均勻。

柴油發(fā)動機70%到80%的零件都是鑄造完成的，曼開發(fā)了一個柴油發(fā)動機缸蓋的砂型模具，模具由一個頂部和底部的外框以及19個核心部分組成，其中7個核心部分具有不同的幾何形狀，砂型模具被分為兩半，還包括了溢流口、冒口和排氣孔等部分。曼希望在兩周內完成砂型模具的制造并將發(fā)動機缸蓋鑄造出來。

滿足曼的要求是挑戰(zhàn)巨大的，這個發(fā)動機缸蓋的設計包括了很多干涉部分。voxeljet維捷所用的打印成型材料為190μm平均晶粒尺寸的沙粒，打印層厚為0.4毫米。這樣的系統(tǒng)工作了29個小時將兩塊砂模打印完成，完整的外部尺寸為1460×1483×719毫米。

在模具設計過程中還采取了各種運輸保護措施，以確保運輸過程中不發(fā)生破損，這些保護部分跟砂型一起被打印出來，并且很容易被拆除，另外模具部件的良好穩(wěn)定性也確保了在整個運輸過程中沒有損壞情況發(fā)生。隨后通過對EN-GJS 400-15 鑄鐵材料在1360°C溫度下的鑄造，完成了曼的柴油發(fā)動機缸蓋的鑄造。

此外，國內也開始將3DP技術應用于柴油發(fā)動機研發(fā)試制領域，廣西玉柴在鑄造集成式復合氣缸蓋的砂芯組方面進行了積極的探索，成功鑄造出零件復雜程度高的集成式復合氣缸蓋。集成式復合氣缸蓋的復雜性包括進排氣道、噴油器安裝孔、缸蓋上水套、缸蓋下水套、氣缸孔、缸孔水套和凸輪挺桿孔。3D打印在其中發(fā)揮的作用是組合砂型的缸蓋上水套砂型、缸蓋下水套砂型、進氣道砂型和排氣道砂型是由3D打印出來的。玉柴保證了進排氣道與缸蓋水套的進排氣道外殼的復雜形狀相應匹配及壁厚的均勻。而且缸蓋上水套、缸蓋下水套、進氣道、排氣道一次精確成型，成功確保進排氣道在澆鑄過程中無上浮，能夠解決各個氣道位置一致性的問題，從而確保氣道參數良好性。

荷蘭Nijhuis的泵葉輪
3D打印技術實現(xiàn)砂模的無模制造

世界知名的泵公司包括美國ITT公司、TACO公司、GORMAN—RUPP公司、荷蘭Nijhuis公司，其中Nijhuis公司用在重工業(yè)及水處理領域用到的泵是非常龐大的，例如一款Nijhuis的泵與葉輪就重達800公斤，這樣的產品在設計迭代的過程中，涉及到昂貴的開模成本，周期也非常長。

大型泵體與葉輪由于工作環(huán)境較惡劣，需要承受較大的變載荷作業(yè)，這就要求這些大型零件不僅外觀質量好，尺寸精度高，同時內在質量也必須保證，還要具有較佳的綜合力學性能，尤其是耐腐蝕及抗疲勞性。此外，這些零件曲面流道多，多渦室，結構復雜，試驗壓力大，鑄造工藝復雜，鑄件成形過程很難控制，這些都給砂型模具的制造提出了挑戰(zhàn)。

在傳統(tǒng)的原型制造中，從圖紙到成品鑄造需要幾個月的時間。通過voxeljet維捷的3D打印機，一旦CAD設計完成，信息通過電子郵件發(fā)送給voxeljet維捷的訂單處理部門,再確認建模信息并設置好打印參數后，其余的砂模打印工作就交給VX4000這臺設備來完成。

voxeljet維捷金屬鑄造砂型按需生產中看到了VX4000巨大的市場潛力。特別是Nijhuis這樣的公司，產品定位比較特殊，靠技術制勝。高性能的VX4000打印機構建尺寸高達4 x 2 x 1米，砂模的尺寸為852 x 852 x 428 mm，重量為269kg,共分為4個部分來打印，打印時間為13小時。

由于3D打印能力，泵制造商可以更快地開發(fā)新產品，甚至減少庫存。即使是復雜的幾何形狀，可以產生高度的細節(jié)精度。鑄件表面要求光滑，不得有氣孔、砂眼、裂紋等缺陷。在隨后的鑄造工藝中，voxeljet維捷打印的砂模性能良好，鑄件沒有出現(xiàn)裂紋，以及縮孔這些現(xiàn)象，在測試中沒有出現(xiàn)漏水、冒汗等現(xiàn)象。

3D打印機砂型鑄造模具給大型零件的設計迭代創(chuàng)造了很大的優(yōu)勢-從更短的交貨時間到更少的后處理工作，甚至更好的表面質量，鑄造大型零件正走向“快、好、省”的模式。

弗朗西斯型水輪機葉輪的快速迭代
完整制造復雜的葉輪弧度

對于葉輪的設計迭代來說，每一個新的幾何形狀的設計都關乎水輪機的工作性能。而由于3D打印砂模技術帶來的快捷性，現(xiàn)在鑄造廠只需要把新設計的葉輪模型CAD數據發(fā)送到voxeljet維捷。

voxeljet維捷收到設計模型的數據后會做一個檢查，隨后這些數據處理并被3D打印設備讀取，短短的幾個小時內，葉輪的砂型就被設備打印出來。

打印工作完成后，多余的沙子被去除，然后通過壓縮空氣來清洗砂型，隨后運到鑄造廠。在鑄造廠，這些砂型模具被涂黑，組裝完成好的砂模被送至1650°C的鑄造環(huán)境下，來鑄造耐腐蝕不銹鋼材料的葉輪。

這個過程主要用于葉輪原型的生產，因為3D打印砂型不需要使用傳統(tǒng)的方法來生產昂貴的砂型模具，這節(jié)省了大量的成本，而且當新的設計迭代要求做出改變的時候，只需要點擊鼠標，新的砂型又可以開始生產了。

與傳統(tǒng)的先制造木模再生產砂型的方法不同的是，3D打印還帶來了設計的自由度。傳統(tǒng)方式制造葉輪，由于葉輪設計弧度的問題，常常不得將葉輪分為幾塊來生產，以解決干涉問題，而通過3D打印，這些復雜的設計可以被完整的制造出來。

這使得鑄造精度更高，并減少清洗要求，減少鑄造缺陷。高質量、低成本、短交貨期，使得鑄造廠越來越依賴3D打印的方式來完成砂型制造。

來源：3D科學谷
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太專業(yè)了，醍醐灌頂