摘要：铸造模型是铸造生产中造型、制芯不可缺少的工艺装备。它的质量优劣直接影响铸件的质量、生产效率和经济效益。对铸造企业来讲，优质的模型意味着高质量的铸件，也意味着低成本、高产值和高利润。传统模型加工受限于模型的复杂程度，制造周期长且生产成本高。为满足铸造的需求，如何精确、快速生产铸造用的模型已成为当前铸造行业急需解决的问题。随着3D打印技术的不断发展，它在铸造行业中的应用越来越广泛。
关键词：3D打印技术；镁铝铸造；应用
引言
3D打印技术的原理是按照零件的二维截面图形“印刷”在材料粉末表面上，通过逐层叠加，得到最终完整的零件产品。在铸造领域，3D打印技术主要应用在砂芯的快速成型制造方面，它与传统的铸造工艺相结合，创造出了全新的铸造生产模式，颠覆了铸造行业的生产方式。在多品种、小批量、工艺复杂的铸件生产方面，与传统的砂芯生产工艺相比，3D技术的优越性无与伦比。
1 3D打印技术介绍
1982年J.E.Blanther关于分层制造法构成地形图的美国专利（#473901）开启了3D制造技术的大门，之后1988年美国3DSyetems公司推出世界上第1台商用快速成型机立体光刻SLA-1成为现代3D打印技术诞生的标志性事件。在此之后，3D打印技术进入高速发展时期，类似的分层制造专利及应用技术有数百个。3D打印技术是将零件三维模型分割成若干二维截面，通过层层叠加的方式堆积成三维实体，涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科。这种将三维变为二维的“降维”制造过程，使制造复杂结构过程无需模具和多道加工工序，并为制备符合特定功能设计的复杂零件提供了可能。
目前，比较常见的3D打印技术有：分层实体制造（LOM）、激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化（SLM）、三维喷墨打印（3DP）、熔融沉积造型（FDM）、激光立体成形（LSF）、光固化成型（SLA）等方法。3D打印技术的快速发展，突破了传统制造技术形状复杂性、材料复杂性、层次复杂性、功能复杂性的瓶颈，具体为：（1）形状复杂性，可成形几乎任意复杂程度的形状特征；（2）材料复杂性，可实现全彩色、异质材料、功能梯度材料；（3）层次复杂性，多尺度（宏、介、微观）工艺结构；（4）功能复杂性，整体成形，简化甚至取消装配。
在具体应用中，3D打印技术可实现打印任何材料，塑料、玻璃、金属、陶瓷、巧克力、肉类等；可打印任何产品，工业零件、衣服、鞋子、首饰、巧克力、蛋糕等；可应用于任何领域，工业制造、生物医疗、历史文化遗产保护、工艺品制造等。3D打印技术为制造业提供创新的原动力，设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，可专注于产品形态创意和功能创新，在“设计即生产”、“设计即产品”理念下，追求“创造无极限”。同时，3D打印技术能够极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期：由于简化或省略了工艺准备、试验等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，显著缩短新产品开发定型周期，降低成本，实现“今日完成设计，明天得到成品”。3D打印技术还能制造出传统工艺无法加工的零部件，极大增强了工艺实现能力，提高了难加工材料的可加工性，拓展了工程应用领域。正是由于3D打印技术所具有的诸多优势，使其在现代制造技术中飞速发展，当今3D打印技术的发展趋势由单材料向多材料发展；由宏观结构工艺向多尺度结构工艺一体化发展；与传统工艺的协作等。
2 3D打印技术在镁铝铸造上的优势
3D打印技术在镁铝铸造上具有如下优势：（1）无需铸型，制造时间短：在传统制造生产中，铸型的制造是一个重要环节，对于一般铸件来说，铸型的制造周期一般以月为单位计算，其生产周期长，造价成本高，而3D打印技术则只需花费几小时至几十小时的设计过程；（2）一体化造型：传统造型由于需要将模型从铸型中取出，所以须沿铸件分型面将其分开，采用分型造型，这样往往限制了铸件设计的自由度，某些复杂的铸型不得不采用多个分型面，使造型，合箱过程的难度大大增加。3D打印技术采用堆积成型的原理，没有起模过程，为许多高难度复杂内腔铸件的生产提供了技术保障；（3）型、芯可同时成型：传统工艺出于起模考虑，型腔内部一些结构往往设计成型、芯分开制造，然后再下芯将二者装配起来，组芯过程需要准确定位，考虑芯子的稳定性。3D打印技术制造的型芯可同时堆积而成，无需组芯过程，且芯子的位置精度更容易保证；（4）无拔模斜度：3D打印技术制造不需要铸型，所以没有拔模问题，在保证砂芯尺寸的同时可以减轻铸件的重量。但对于产量大，结构简单的铸件，传统模具的生产线化投产优势就体现出来了，所以应用何种技术需根据实际情况而定。
3 3D打印技术在镁铝铸造中的应用控制要素
3.1铸造用3D打印技术温度控制
铸造用3D打印技术所使用的原材料为砂子和粘结剂，由于原材料的物化特性，对温湿度的波动比较敏感，使得打印机对打印环境的温湿度要求较为苛刻，通常来说打印机在打印过程中需要做到恒温恒湿，传统的措施是采用温湿度传感器采集打印室内部的温湿度，通过上位机开发相应的算法程序来控制空调、加湿器等装置，以实现温湿度的调节。但以上措施在实际使用当中，调节效果并不是很好，主要是因为没有相应的大量数据分析，无法找到较为合适的控制参数。而智能型的温湿度传感器，其自身不仅能够采集温湿度的数据，还可以对采集的数据进行分析、归档，并根据数据分析的结果，通过内部集成算法直接输出调节结果，来调节空调、加湿器等装置，利用传感器自学习的功能，分析找出适合砂型打印的最佳温度范围，然后自动匹配相关参数，同时，上位机无需单独开发温控调节算法，控制程序得到了简化。
3.2打印头喷墨质量监控
喷头作为铸造3D打印技术的核心元件，成本高，但使用寿命却较短，严重增加后期维护保养的成本。通常情况下，造成打印头报废的原因都是喷孔堵塞，引起局部或大范围的丢帧，一般采用丢帧率来判断喷头是否已经报废，但这一指标通过传统传感器无法进行检测，只能通过打印测试页来人为判断丢帧率。将智能传感器集成在喷头内部，对喷头的激励电压、墨滴墨量、喷孔喷墨质量等参数进行实时监控，并根据监控数据及喷墨情况自动调节喷墨电压，来控制墨滴形状、喷墨量、墨滴喷射速度等参数，从而改善并提高打印质量，且当出现喷孔堵塞的情况时能够及时提醒处理及维护，有效提高了喷头的使用寿命，降低维护成本。
3.3砂面划痕检测
铸造用3D打印技术中铺砂器是重要元件，铺砂器在铺设砂面的过程中，由于砂子中存在一些杂质或刮砂板发生形变，都会造成砂面拉砂，在砂面留下划痕，严重影响成型质量及精度。采用智能型测距传感器，可以有效解决以上问题，具体措施是在打印头上安装微距离传感器，当铺砂器铺完砂子，打印头扫描的同时，对砂面进行划痕检测，一旦出现划痕，可立即让系统做出处理措施，并对采集到的数据做统计分析，便于找出砂面产生划痕的原因，有助于提高产品打印的质量。
4 结束语
近年来，全球3D打印技术产业快速增长，对传统制造行业的影响越来越大，但制约我国3D打印产业发展的打印设备关键零部件和高性能材料仍是发展的主要瓶颈。我国3D打印正处于发展高速增长期，在活性人工关节、飞机零部件加工制造、精密铸造及零件修复方面均有突破性进展。随着新材料及材料成形技术的不断发展，3D打印技术在镁铝铸造行业的应用越来越广泛。3D打印技术将不断向专业化、智能化方向发展，利用3D打印技术生产的型芯能够代替传统模具，复杂、精密模型的制造能力将有较大提高，不但可实现生产的低成本和高效益，也将实现铸件生产的多样化、个性化和快速铸造。
参考文献
［1］李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势［J］.自动化仪表，2014，35（1）：1-5.