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第一章.喷墨砂型三维打印技术在发动机缸体试制上的应用
2014 中国铸造活动周论文集
喷墨砂型三维打印技术
在发动机缸体试制上的应用
1 1 2
杨永泉 ,刘文辉 ,金天拾
(1. 一汽铸造有限公司,吉林长春 130062 ;2. 上海美唐机电科技有限公司,上海 201804 )
摘要:本文介绍了一种快速制作砂型砂芯的新方法,喷墨(Inkjet )砂型3D 打印工艺,及其在四缸发动
机铸铁缸体试制上的应用案例。与覆膜砂激光粉末烧结工艺相比,喷墨砂型3D 打印工艺效率高、成本低、
发气量少、透气性好,和传统树脂砂铸造工艺完全兼容。
关键词:喷墨;Inkjet 砂型;3D 打印;发动机缸体试制
1 背景
砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。传统砂型铸造的主要步骤包括制图、模具、
制型/芯、成型、清洁、整理等。其中,制造铸型的模具主要使用木材或者其他金属材料,其制作周
期通常需要4~8 周。模具的尺寸精度直接决定铸型的精度,从而成为影响产品交付期和合格率的关
键因素。
喷墨砂型3D 打印技术,是喷墨粉体粘接(Inkjet Powder Binding )3D 打印技术的一种[1] 。它采
用喷墨式砂型打印机,将三维数据转化为二维截面,利用喷墨打印头打印出粘接剂将砂粒粘接在一
起,层层叠加,直接生产砂型/芯。较传统工艺,一是省略了制模环节,缩短了产品生产周期;二是
可以直接制作任意复杂形状的砂型,不受模具加工工艺限制;三是保证了砂型精度。结合合理的浇
注系统设计,可大幅提高铸件成品率,降低生产成本。据目前已实施的案例,采用喷墨砂型 3D 打
印技术,可以使产品试制周期从3 个月缩短至3 周,从而大大增加开发迭代次数,显著提高批量生
产成品率和质量。
喷墨砂型 3D 打印技术由德国 Generis GmbH (现为voxeljetAG )的 Ingo Ederer 和
RainerHoechsmann 在1999 年发明[2] 。在欧洲该技术已被广泛应用,但国内尚处起步阶段。初期它主
要被应用于高端铸造产品的研发和复杂单件小批量制造。随着市场竞争和技术进步,采用砂型 3D
打印技术的成本优势将逐步显现,5~8 年内,有望在500~1000 件的中小批量铸件的生产上逐步替代
传统砂铸工艺。由此将给国内砂铸行业带来深远的影响。
2 工作原理
喷墨砂型3D 打印的工作原理如图1 所示:系统先在工作台上铺一层粉(预混固化剂的砂粒);喷墨
打印头根据CAD 数据生成的截面形状在粉床上喷出粘接剂(呋喃树脂),打印出一个截面;工作缸下降
一个层厚(砂型层厚0.2~0.4mm );系统不断重复上述步骤,直到完成所有截面的打印;最后固化的砂型
从工作缸中取出,去除未固化的多余粉末,得到最终所需的砂型。
苏州美迈快速制造技术有限公司引进国内首台砂型3D 打印机VX800 ,如图2 所示。它采用专
用工业喷墨打印头,Y 向分辨率100μm ,层厚80 ~300μm 可调,最大成型尺寸 850mm× 450 mm × 500
mm, 带自动供粉装置,产能12 升/小时。
通讯联系:赵晓楠,E-mail: zxn@metang.cn 。
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2014 中国铸造活动周论文集
图1 喷墨砂型3D 打印工作原理示意图
图2 VX800 砂型3D 打印机
3 喷墨砂型三维打印和激光粉末烧结工艺的比较
喷墨砂型3D 打印技术可以直接打印出铸造所需的砂型和砂芯,无需传统的木模/芯盒等工装模
具。与目前市场上已有的覆膜砂激光粉末烧结工艺(SLS)相比,有如下特点:
(1)打印粉体采用预混固化剂的铸造型砂,喷墨液体材料采用呋喃树脂,和传统呋喃树脂砂铸
造工艺完全兼容,尤其适合球铁、蠕铁、铸钢等高熔点金属的铸造。覆膜砂激光粉末烧结工艺采用
酚醛树脂覆膜砂。
(2 )打印速度快,产能高,成本低。采用宽幅打印头(幅宽65mm 以上),效率是覆
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