增材制造技術(shù)迅猛發(fā)展,但適用于鑄造生產(chǎn)的增材制造裝備急需解決,增材制造用造型材料及粘結(jié)劑體系尚不成熟,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更是空白。開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的造型材料已經(jīng)成為鑄造實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)的重要技術(shù)需求。在鋁、鎂合金精密砂型鑄造技術(shù)方面,我國(guó)采用的傳統(tǒng)樹(shù)脂砂鑄造工藝，在尺寸精度、復(fù)雜程度、力學(xué)性能、鑄件清砂等方面一直無(wú)法滿(mǎn)足航空裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)和鑄造工藝的要求。

高端裝備輕合金鑄造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托于沈陽(yáng)鑄造研究所有限公司,綠色快速鑄造技術(shù)研究室(下稱(chēng)研究室)是國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室五個(gè)下設(shè)研究室之一。研究室的主要目標(biāo)是致力于快速鑄造技術(shù)的應(yīng)用及綠色鑄造材料的開(kāi)發(fā)。快速鑄造技術(shù)結(jié)合了增材制造技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)鑄造工藝,其無(wú)需制作木模、模樣等,具有制造周期短、 研發(fā)成本低、砂型/砂芯-體化制造及可制造出任意復(fù)雜形狀鑄鑄型或原型等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鑄件的整體近凈成形。

研究室目前擁有多臺(tái)3D打印成型機(jī),可提供以下打印服務(wù):

砂型/砂芯打印服務(wù);

鑄造工藝設(shè)計(jì)及砂型打印;

系統(tǒng)化解決方案即直接提供鑄件產(chǎn)品;

蠟?zāi)４蛴》?wù)

以快速砂型/砂芯為例,目前研究室擁有多臺(tái)德國(guó)voxeljet噴墨打印機(jī),打印機(jī)采用噴墨打印原理,根據(jù)數(shù)模圖形,先鋪一層預(yù)混固化劑的原砂 ,然后將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域,形成零件截面,然后不斷重復(fù),層層疊加,最終獲得所需的砂型。

3D打印砂型工作原理

研究室主要機(jī)型為VX2000 ,最大打印尺寸2000 mm *1000 mm *1000mm ,打印分辨率≥300dpi ,打印層厚0.2~0.5mm ,打印精度+0.3mm ,打印速率≤45秒/層( 80L/小時(shí)) , 主要用于砂型/砂芯3D打印批量生產(chǎn)應(yīng)用,適用于鋁鎂合金、鑄鐵、鑄鋼等材質(zhì)鑄件,特別適用于單件、小批量、高端復(fù) 雜鑄件制造及新產(chǎn)品開(kāi)發(fā),也可用于砂型3D打印粘結(jié)劑、固化劑和原砂等原材料開(kāi)發(fā)及型砂性能研究。

VX2000 3D打印機(jī)

VX2000工作照片

VX2000打印的復(fù)雜、大型砂芯示例

以某復(fù)雜鋁合金鑄件為例，通過(guò)采用3D打印砂型的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的快速鑄造，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

(1 )制造周期短。3D打印技術(shù)直接根據(jù)模型打印砂塊,省去模具設(shè)計(jì)和加工的過(guò)程,工期可縮短兩個(gè)月以上;

(2)工藝靈活性高。在鑄件研制階段,需要不斷的調(diào)節(jié)鑄造I藝,模具修改困難。3D打印在 工藝改進(jìn)階段僅僅需要直接修改砂型數(shù)據(jù),提高工藝研發(fā)效率;

(3 )降低組型難度, 提高鑄件尺寸精度。3D打印可以將傳統(tǒng)分型的部分砂塊整體打印出來(lái),簡(jiǎn)化砂塊的組型方案,同時(shí)保證鑄件尺寸精度;

(4)砂型透氣性、潰散性良好。3D打印采用制備的砂型孔隙率高,不僅易于清理,而且透氣性能良好,解決了嗆火缺陷,并且能直接打印空心砂芯,進(jìn)-步改善排氣能力。

最終得到的復(fù)雜鑄件如下:

技術(shù)背景

增材制造( Additive Manufacturing , AM )也稱(chēng)3D打印,采用離散-堆積原理,由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的科學(xué)技術(shù)體系,是融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成形技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專(zhuān)用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料,按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積,制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。