揭秘3D打印技術之鑄造砂型3D打印(5)
時間：2016-08-22 18:27 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
著名砂型3d打印機公司Exone
Exone公司就是一家該領域中的領先企業。早在1999年這家集團公司包括今天的企業負責人Rainer Höchsmann先生在內的工程師們就研發成功了砂型和砂芯用的3D打印機樣機。今天，作為Exone公司經營業務的一個組成部分，它們的砂芯鑄模3D打印技術已經發展成為國際上領先的技術。
Exone集團公司開發這項技術的主要目的是：經快速制造進入實際鑄造生產之中。新一代造型機的成本和費用與傳統造型機的相同，但卻可以極大的提高鑄件的質量和精度。目前，已有兩種型號的設備可供用戶選用：小型的S-Print和大型的S-Max。由于這一技術有著非常廣泛的應用領域，因此它具有很強的生命力。ExOne的3D砂型、砂芯打印機產品具有很大優勢，能取代現有工業生產中的復雜的砂型制作流程，采取的是Binder Jetting Techonolgy(噴墨砂型打印技術)，SLS和SLA兩種技術主要采用激光熱熔技術，這種技術下3D打印機機的工作狀態可以理解為以一個點一個點來成型，然后直接做出產品。噴墨砂型打印技術則是一個平面一個平面打印，直到做出產品的砂型，然后用傳統的鑄造技術和這個砂型制造出需要的產品。
目前S-Max系列產品最大能打印出長1.8米×寬1米×高0.7米的砂型產品，另外，因為只打印砂型而不是直接打印產品，所以可以用砂型制作各種金屬的產品甚至各種合金都可以灌注入砂型成型。傳統制造砂型的過程短則1個月多則需數月，而3D打印砂型缺耗時很少，比如一臺發動機的3D打印砂型也只需11個小時就可制作完成。ExOne成立至今一共賣出72臺3D打印機，每臺售價在100萬歐元左右，主要銷售市場是美國、歐洲，以及亞洲。
直接鑄型制造工藝和傳統的鑄型制造技術相比,直接鑄型制造工藝具有無可比擬的優越性, 它不僅使鑄造過程高度自動化、 柔性化、 敏捷化, 降低工人勞動強度,而且在技
術上突破了傳統工藝的許多障礙, 使設計、 制造的約束條件大大減少, 具體表現在以下幾個方面:
1. 無需模型。在傳統鑄造生產中,模型制造是一個重要環節。模樣一般用木材、 塑料、 金屬等材料由手工或機器加工而成, 有時需要鉗工修理,費時耗資, 且精度不易保證。對一些形狀復雜的鑄件, 例如發動機葉片、 船用螺旋槳、 汽車缸體、 缸蓋等,雖然目前有些模樣的加工采用數控機床、仿形銑等先進的設備和工藝,但由于編程復雜以及刀具干涉對幾何形狀的制約都使難度增大, 造成成本高、 周期長;而直接鑄型制造工藝則完全避免了傳統鑄型制造技術的這一最大缺陷, 從而在縮短砂型制造時間、 降低砂型制造成本等諸多方面, 都使砂型制造技術有了一個質的飛躍。
2. 制造時間短。 鑄型的制造時間是指從鑄型設計結束到制造完成用于澆鑄之前的這一段時間。傳統方法制造鑄型必須先加工模樣, 無論是普通加工還是數控加工, 模樣的制造周期都比較長。 對于大中型鑄件來說, 鑄型的制造周期一般以月為單位計算。 由于采用計算機自動處理, 直接鑄型制造工藝的信息處理過程一般花費幾小時至幾十小時。相對于整個鑄造過程而言, 這一段時間可以忽略。
3.一體化造型。 傳統造型由于需要將模型從鑄型中取出,所以必須沿鑄件最大截面處(分型面) 將其分開,也就是采用分型造型。 這樣往往限制了鑄件設計的自由度,某些型面和內腔復雜的鑄型不得不采用多個分型面, 使造型、 合箱過程的難度大大增加,易使鑄件產生錯箱、 飛邊等缺陷,加大了清理工作量和機加工量。直接鑄型制造工藝采用堆積成形原理, 沒有起模過程,所以分型面的設計并不是主要障礙。分型面的設計甚至可以根據需要不設置在鑄件的最大截面處, 而是設在鑄件的非關鍵部位。對于某些鑄件, 完全可以采用一體化造型方法,即上、 下型同時成形。一體化造型的最顯著的優點是省去合箱,減少設計約束和機加工量,使鑄件的尺寸精度更容易控制。
4.型、 芯同時成形。由于采用離散/ 堆積成形原理, 因此直接鑄型制造工藝很容易實現型、 芯同時成形。傳統工藝出于起�？紤],型腔內部一些的結構設計成型芯,型、 芯分開制造, 然后再下芯將二者裝配起來,裝配過程需要準確定位,還必須考慮芯子的穩定性。直接鑄型制造工藝制造的鑄型,型芯可同時堆積而成, 無需下芯裝配,位置精度更易保證。
5.無拔模斜度。 由于直接鑄型制造工藝是無模樣的直接堆積造型,沒有拔模問題,所以傳統鑄型設計必不可少的拔模斜度等約束在此失去意義, 因而可減輕鑄件重量。
6.可制造含自由曲面( 曲線)的鑄型。傳統工藝中,采用普通加工方法制造模樣的精度難以保證;數控加工編程復雜,另外刀具干涉等障礙無法克服。 所以傳統工藝制造含自由曲面或曲線的鑄件精度不易保證。 而基于離散/堆積成形原理的直接鑄型制造工藝, 不存在成形的幾何約束,因而能夠很容易地實現任意復雜形狀的造型, 且易保證精度。
7.可制造組合零件( 功能零件)。 由于傳統鑄造工藝的限制,在零件的設計制造過程中,某功能件需要分成幾個零件,分別進行鑄造和加工, 然后裝配而成。 而基于離散/堆積成形原理的直接鑄型制造工藝, 無需模型,不存在起模問題對零件的形狀限制, 可以將傳統工藝下的幾個零件組合成功能零件一次成形,減少了機加工和裝配工作量,徹底消除了加工和裝配誤差帶來的精度損失。可見這項新工藝還可以帶來設計思想的變革,可大幅度提高生產效率,降低制造成本。
中國3D打印點評認為在當今技術創新、技術融合的大背景下，將快速成型方法引入傳統鑄造生產中，會產生出更加適應現代經濟社會發展的新型鑄造工藝，也將對傳統鑄造工藝的升級提高起到良好的助力作用，從而使得鑄造行業獲得科學發展、可持續發展。
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