3DP 成型工艺在铸造模具领域的应用

王志勇

（共享智能铸造产业创新中心有限公司，宁夏银川 750021）

1 背景及其产品分析

3DP 成型技术是目前使用最为广泛的增材制造技术之一，其主要原理是采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末、硅砂等,通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，需要进行后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（层厚：0.013～0.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

模具，被称为“工业之母”。模具开发周期长是制约新产品研制的瓶颈，必须缩短模具开发周期，降低制造成本。现如今，模具制作多采用单一材质，单一材质具有一定的局限性，要么材料强度不足；要么材料价格偏高，经济性不好，同时要考虑到现场工人的可操作性及安全性，模具不易过重，应易于搬动或翻转。

3DP 成型工艺特点主要有：

（1）成型速度快，材料价格低；3DP 技术打印铸造模具无需后序CNC 加工处理，可直接组模使用，提升模具制作效率；且材料可回收使用，材料费用成本低。

（2）设计灵活，节约成本，降低制造难度。由于3DP 打印工艺是采用数字化文件输入3D 打印设备的方式，故其设计方案修改灵活、及时，且可以完成手工造型无法完成的复杂型腔结构的打印，降低了生产难度。

（3）制作过程中无需支撑，多余粉末去除方便，后处理方便。

（4）以人为本，绿色铸造，智能铸造。3DP 打印技术大幅改善了铸造现场的环境，降低了操作人员的劳动强度；用3D 打印机替代了人工制芯、造型，节省了人力成本，同时实现了铸造业的智能生产、绿色生产。

2 3DP 模具工艺

2.1 3DP 模具工艺设计流程

3DP 模具工艺设计流程如下：模具结构分型设计→主体结构设计→辅助结构设计。

2.1.1 分型

依据铸造模具工艺设计规范进行分型设计，获得单块打印3DP 模具结构，以下统称为3DP 模具子结构，如图1 所示。

图1 3DP 模具分型

2.1.2 主体结构设计

对3DP 模具子结构进行主体结构设计，包括：壁厚、定位结构、连接结构、铆型结构等。

（1）壁厚

对各3DP 模具子结构分别进行抽壳，得到空腔壳体，壳体壁厚为20～50mm，以保证砂模在使用工况下的强度要求。对各3DP 模具子结构进行内部网格填充，网格间距为100～300mm，以增加3DP 模具各子结构的使用强度。详见图2 及表1。

表1 砂模壁厚及筋板设计

图2 3DP 砂模壁厚

（2）定位结构

各3DP 模具子结构配合面设计定位结构，易保证各3DP 模具子结构相对位置，详见图3。除此，各3DP 模具子结构与模板定位使用定位销，详见表2。

表2 常用定位销及定位孔尺寸

图3 定位间隙

（3）连接结构

采用标准连接结构——蝶形构件定位两块相连3DP 模具子结构，约束水平方向上的两个自由度，各3DP 模具子结构之间的沿周间隙为1mm，高度方向为20mm，如图4 所示。

图4 单块打印3DP 模具结构连接结构

（4）铆型结构

使用铆型孔将砂模结构、木模结构模板铆接，其中铆型结构须与网格结构连接，补偿铆型开孔后的强度，保障砂模稳定性，铆型铁如图5 所示。

图5 铆型结构

2.1.3 辅助结构设计

对单块打印3DP 模具结构进行辅助结构设计，包括：吊把、吊运孔、间隙等。

（1）吊把

结构形式如图6 所示，用来吊运或翻转清砂。设计柱形吊把通过模具重心，以增强模具翻转时的稳定性，吊把伸出模具面50mm，端面设计为防滑落凸台，吊把设计见表3。

图6 吊把

表3 吊把设计

（2）吊运孔

吊运孔结构如图7 所示，组装吊运使用。在3DP 砂模结构上顶面设计倒“T”型吊运孔，使用“T”型吊钩吊运，以方便组装吊运模具。

图7 吊运孔

（3）间隙

3DP 砂模的各个零件之间应设计水平间隙、垂直间隙和定位间隙。各定位间隙结构如图3 所示，设计参数见表4。

表4 砂模间隙设计参数

3 结束语

随着新型智能制造技术的不断成熟，促使着铸造模具制作工艺的变革，以达到快速制造，成本低廉，使用效果佳的目的。相信增材铸造工艺技术的不断发展，定会掀起一场新时代的“工业革命”。3DP 打印技术在铸造领域的产业化应用，对中国铸造行业的转型升级、铸造工序智能化以及未来铸造智能工厂的建设将产生变革性的意义。