基于3D打印技術(shù)的手輪鑄模設(shè)計與制造*

耿 佩 周 超 馬 麗

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院航空材料工程學院, 陜西西安 710089）

3D打印，是根據(jù)已有的CAD零件模型，借助某種計算機輔助軟件，在快速成型設(shè)備上逐層進行材料堆積，進而完成零件整體成形的一種快速成形制造技術(shù)[1-2]。3D打印的核心思想是增材制造，它能簡化成形工序，縮短交付周期，降低制造成本，且具有綠色制造的特點。相比機加工和鑄鍛成形工藝，3D打印技術(shù)能大幅度節(jié)省了原材料，成形用材料只需原來的一半至1/3，制造速度增加了 3～4 倍[3-4]。

目前，3D打印技術(shù)的應(yīng)用推廣，已覆蓋了制造、醫(yī)療、教育、航空航天、軍事等多個領(lǐng)域。它與鑄造技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也逐步凸顯，尤其在替代傳統(tǒng)砂型鑄造的原型設(shè)計與制造方面。它對未來鑄造行業(yè)的智能鑄造、精密鑄造和智能鑄造工廠的建設(shè)等有著非常重要的促進作用和變革意義[4-6]。本文主要針對3D打印技術(shù)中的FDM技術(shù)在手輪零件砂型鑄造成形中的原型替代方面進行實驗研究。

1 手輪零件造型設(shè)計

手輪是機械制造工裝設(shè)備行業(yè)應(yīng)用比較廣泛的機械零件之一，其成形方法大多數(shù)是通過鑄造技術(shù)和后期機加工方法制造完成。利用砂型鑄造技術(shù)完成手輪零件的鑄造成形時，常出現(xiàn)的鑄造缺陷是內(nèi)部疏松和輪輻裂紋等，為此常采用的優(yōu)化鑄造工藝是順序凝固或同時凝固，合理設(shè)計澆冒口系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的鑄造專業(yè)教學領(lǐng)域，經(jīng)常采用木質(zhì)手輪模具，長期使用會出現(xiàn)木模開裂，表面粗糙度過大導致手輪鑄件形狀不規(guī)整、表面質(zhì)量下降等問題。

圖1 手輪二維零件圖Fig.1 Hand-wheel 2D modeling part

本文研究對象是小型車床手輪，其零件圖如圖1所示，手輪的外圓為Φ130mm，輻條的寬度為15mm，中間有一個Φ30mm的實心圓柱，用于連接與支撐起輻條，起固定作用并承擔起受力作用。這也是在原有手輪零件基礎(chǔ)上針對輪輻出現(xiàn)裂紋過大甚至斷裂的問題進行尺寸優(yōu)化后所設(shè)計的。基于Pro-e軟件完成手輪零件的三維造型設(shè)計如圖2所示。

圖2 手輪三維造型圖Fig.2 Hand-wheel 3D modeling drawing

2 手輪砂型鑄造工藝方案的確定

通過鑄造工藝性分析，確定手輪砂型鑄造的造型方法為挖沙造型，分型面選在輪緣最大截面處，如圖3所示。澆注位置可基于合金凝固理論和生產(chǎn)經(jīng)驗確定，還要保證符合凝固順序，重要加工面朝下，避免夾砂結(jié)疤類缺陷等原則，因此手輪澆注位置選擇在輪緣中心位置。

圖3 手輪分型面位置Fig.3 Hand-wheel parting surface position

3 基于FDM技術(shù)打印手輪鑄模

3.1 FDM打印原理

本文選用3D打印技術(shù)中的FDM技術(shù)完成手輪鑄模原型的打印過程。FDM，就是熔融堆積技術(shù)， 是通過將絲狀的熔融性材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭將熔融物料擠出來，熔融性材料在噴嘴里經(jīng)過高溫融化后從噴嘴擠出，堆積在工作臺面板或者前一層已經(jīng)固化好的物料上，當溫度低于材料固化溫度后，物料便開始固化，通過熱熔性材料的一層一層堆積便可形成出最終的產(chǎn)品[7-8]。FDM打印原理如圖4所示。

圖4 FDM技術(shù)打印原理圖Fig.4 FDM technology printing schematic

3.2.1 手輪三維模型數(shù)據(jù)的切片處理

快速成型技術(shù)其實質(zhì)就是逐層打印，配合工作臺和噴頭的位置移動，進行相應(yīng)形狀的層層堆積，進而實現(xiàn)整個零件的打印成形。對三維模型的切片處理，就是為了提取零件每層的截面信息，生成數(shù)據(jù)文件，也是為了確定噴頭在每層行走的軌跡，然后將生成的數(shù)據(jù)文件導入FDM快速成型機中。切片時切片厚度越小，成型件的質(zhì)量越高，但相應(yīng)打印時間就會拉長，反之則質(zhì)量降低，加工時間縮短[7]。手輪零件切片處理后的打印參數(shù)設(shè)置如圖5所示。

圖5 手輪FDM打印參數(shù)設(shè)置Fig.5 Setting of Hand-wheel FDM printing parameters

3.2.2 打印成形并取件

將生成的切片數(shù)據(jù)文件導入快速成型機系統(tǒng)，噴頭便沿著文件指令逐層行走，并噴出熱熔性材料，待打印完畢，熱熔性材料已全部固化。本次打印成形使用的熱熔性材料是ABS，固化速度快，打印出的手輪原型表面相對光滑，結(jié)果如圖6所示。

圖6 3D打印的手輪鑄模原型Fig.6 3D printed hand-wheel casting prototype

4 砂型鑄造過程

對上述打印出來的手輪鑄模進行表面拋光處理，并以此作為鑄造模具，對其進行砂型鑄造挖沙造型并澆鑄。整個過程相比于原始的砂鑄方法節(jié)省時間，鑄件表面質(zhì)量好，模具表面磨損小。對于單件小批量生產(chǎn)來說，可明顯提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。

5 結(jié)語

通過FDM技術(shù)打印了手輪零件，將其作為砂型鑄造原型模具進行挖沙造型并澆鑄成形，得到的手輪鑄件，表面質(zhì)量良好。此模具原型相比原有的木模原型使用壽命將會更長，還解決了原有木模易變性、易開裂導致鑄件質(zhì)量變差的問題。

目前許多應(yīng)用案例表明，通過3D打印砂型與鑄造工藝技術(shù)的結(jié)合，可將交貨周期從2～3個月縮短至3周，并且成本也大幅降低。未來3D打印技術(shù)將會隨著人工智能技術(shù)在新合金材料的研發(fā)應(yīng)用發(fā)展，將會在更多行業(yè)逐步替代傳統(tǒng)制造技術(shù)。