3D打印砂型模具助力实现数字化原型零件铸造的工作流程

铸造行业一直在使用数据，数字化现在带来了数据量、粒度和可处理性的根本性转变，也开辟了新的机会。 尤其是3D打印砂型模具的出现，使得铸造业的数字化特征更加明显。通过3D打印的砂模与仿真模拟软件，X射线无损检测技术相结合，可以实现以数字化工作流程铸造零件。本期，3D科学谷与谷友通过发动机缸体等产品的小批量和原型铸件制造商TEI的案例，来领略砂型3D打印对实现数字化铸造的价值。

让铸造更简单

TEI每年为数百种新的设计生产首批铝铸件，除了用于试制领域的快速制造服务，TEI还设计、制造工装和自动化系统，帮助其客户将复杂的铸件投入生产。现在，TEI通过3D打印砂模与仿真模拟软件，计算机X射线断层成像（CT）扫描相结合，实现数字化原型零件铸造的工作流程。

3D打印搭建竞争优势

TEI擅长低压铸造，低压铸造是指铸型一般安置在密封的坩埚上方，坩埚中通入压缩空气，在熔融金属的表面上造成低压力（0.06～0.15MPa），使金属液由升液管上升填充铸型和控制凝固的铸造方法。这种铸造方法补缩好，铸件组织致密，容易铸造出大型薄壁复杂的铸件，无需冒口，金属成品率达95%。无污染，易实现自动化。但设备费用较高，生产效率较低。一般用于铸造有色合金。

当然，低压铸造是一门由来已久的技术，低压铸造是最早的反重力铸造技术，如今，低压铸造主要用于生产销合金、镁合金件，如汽车工业的汽车轮毂、内燃发动机的气缸体、气缸盖、活塞、导弹外壳、叶轮、导风轮等形状复杂、质量要求高的铸件。

TEI向汽车、航空航天和国防客户提供铝、铁和钢的机加工原型和小批量零部件。在voxeljet-维捷的高效大幅面3D打印系统的帮助下，TEI将提高从设计到制造的速度，为工业生产提供设计、3D打印、铸造、热处理、加工和检测等各个阶段的制造服务。

自2004年以来，TEI就一直在通过3D打印制造砂型模具，3D打印砂型比手工制作的模具具有更复杂的几何形状，并且还可以将多个模具零件作为一个整体打印出来。

在某个案例中，TEI能够重新设计直升机齿轮箱的模具，将砂芯的数量从78个减少到仅五个3D打印零件，消除了许多接缝，并减少了模具的组装。

3D打印与仿真结合

TEI拥有美国最大的砂型3D打印机voxeljet-维捷 VX4000，打印头具有超过25000个可单独控制的喷嘴和1100毫米的打印宽度，打印机的打印速度可达每小时172升。可以经济地构建以往带来复杂制造挑战的零件砂型模具：例如发动机缸体缸盖、泵体、阀体、排气歧管、壳体、闭式叶轮、结构件等。

为了设计和模拟这些砂型模具，TEI使用了铸造压铸模拟EKK CAPCAST软件。该软件使该公司能够快速迭代模具设计，其特点是计算模拟精确、高效、计算速度快及使用方便。其模拟结果最接近实际铸件，这是当今进行小批量和快速迭代工作的必要工具。

通过将3D打印技术与仿真结合在一起。TEI可以模拟铝填充模具的整个过程，然后查看材料如何固化。无需使用昂贵的3D打印模具进行所有测试迭代，而是在屏幕上进行。设计师可以在几个小时内进行高达10次的迭代，然后完成设计并3D打印整个模具。

仿真和3D打印相结合，有助于缩短交货时间，从而使从CAD设计到金属铸造的过程变得更快、更便宜且更容易。TEI每周要开发约四款新产品，3D打印砂模使TEI能够快速制造零件，而仿真功能则使其能够准确而自信地进行生产。

根据3D科学谷的了解，TEI控制零件最终质量的一种方法是将低压铸造的浇注自动化，无需手动浇铸铝，而是使用计算机控制器将其泵入。这样可以以受控的方式非常快速地填充模具，然后在整个固化过程中对其加压，以消除任何孔隙。

这种自动化过程可产生具有良好材料性能的高质量铸件，实际上，这些性能有时可能会太好。对于用做碰撞测试的原型组件，TEI必须使其原型砂铸件与压铸件的材料特性相匹配。

原型与批量生产的衔接

用于汽车车身部件的高压压铸件具有很高的延展性，因此TEI必须在砂铸件中实现相同延展性。然而砂铸件通常非常坚固，TEI通过使用不同的合金和热处理来“降低”这些性能，使其更像是强度较低的压铸件

TEI生产的零件中大约有一半在大批量生产的过程中将采用高压压铸件，然而开发用于大型车辆副车架或底盘的压铸模具可能需要长达8个月的时间，成本高达150万美元，而通过逼近压铸件的性能，TEI通过3D打印的砂模在短短2周内完成零件交付。

实现闭环数据流

不管所涉及的铸件是用于碰撞测试的原型还是用于最终用途的零件，其数字线程都不会以计算机控制的浇铸结束。在取出铸件后，还需要根据所需的详细性能，通过各种无损检测（NDT）方法并结合软件对铸件进行检查。

对于原型和其他小批量应用，TEI通过其Yxlon CT Compact断层扫描系统，该系统是专为中型至大型铸件设计的CT扫描仪，可对包括9.9“（250毫米）厚的铝铸件在内的高密度零件进行成像，主要用于查找铸件中的缺陷以及需要测量内部特征的地方。

目前，扫描获得的 CT数据已加载到Volume Graphics的VGStudio Max中，可以在其中叠加到CAD上并根据结果进行分析，铸件与其原始设计进行比较。

这就是数字化铸造的整个闭环过程，通过仿真模拟预判会发生什么，然后通过CT扫描来了解具体发生了什么。您可以在不切割零件的情况下确认铸件中有什么。”

对于需要检查的较大批量零件，TEI通过X射线系统进行检测，如果在特定铸件中发现问题，机器甚至可以提示操作员检查该特定点的每个参考图像。这些图像也存储在数据库中并与TEI的客户共享。

每个铸件都具有完整的制造历史记录相关的序列号，对应着可以查找包括铸造，热处理以及X射线或CT扫描数据，以实现完全可追溯性。

落地中国的本地化解决方案

2019年5月16日，voxeljet China-维捷中国在苏州的新厂房举行了隆重的开幕典礼，由此揭开了维捷推进设备和材料的国产化和定制化，快速响应中国市场，为客户带来最优化的产品和服务进程。

目前VX2000系列已转移到维捷苏州工厂生产，执行德国标准，所有核心零部件从德国进口，供应全球市场。VX2000的本地化一方面降低了成本，同时大大提高售后服务的响应速度与灵活性，改进了用户体验。

耗材方面，沈阳铸造研究所有限公司联合维捷中国及国内优质硅砂制造企业-福建省益强硅砂科技有限公司，经过两年多的技术攻关，成功开发出国产化砂型3D打印用耗材包括：3D打印专用硅砂及专用绿色粘结剂-树脂和固化剂。各项技术性能达到国际先进或领先水平，在保证进口耗材打印品质的同时，为用户大幅度降低了制造时间和经济成本。

VX4000也在维捷中国用户-安徽滁州鑫诺实业有限公司正式投产使用，这台全球最大砂型3D打印系统提高了鑫诺的新产品开发能力，和高端大型复杂精密铝合金铸件的生产能力。
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