【摘要】本文将某柴油机气缸盖铸件作为分析对象，详细阐述砂型3D打印技术在其中的创新应用。砂型3D打印技术的应用与传统的铸造技术相比，既起到了降低铸件研发过程中成本方面的投入的作用，也在一定程度上提高了研发的效率，更符合现阶段社会发展的实际需求。
【关键词】砂型3D打印技术；高端铸件；研发；创新；应用
对于我国的制造业来说，铸造是制造业的基石。随着社会技术的进步，环境意识的改变，铸造企业在转型升级的过程中引入砂型3D打印技术是非常重要的一部分，其在实际生产应用中发挥着不可忽视的作用。砂型3D打印技术属于快速成型技术中的一种，将数字模型文件作为基础，通过粉末状的砂子、塑料、金属等可粘合材料，来对所需打印的物体进行逐层打印，将物体构造出来。本文以国内某公司的某款柴油机气缸盖铸件铸造应用为例进行分析，希望能够起到借鉴作用。
1 砂型3D打印技术
1.1技术原理
（如下图1所示）可以看出砂型3D打印技术的工艺原理，砂型3D打印设备在实际应用中以铸型CAD模型，由铸型CAD模型的STL文件选择厚度分层，得到截面图形。当打印机工作时，混料仓让催化剂与原砂均匀地搅拌，喷头按照截面图形精确地喷射粘结剂，粘结剂与催化剂发生胶联反应，一层层固化型砂堆积成形。粘结剂和催化剂共同作用的型砂被固化在一起，固化一层后再粘结下一层，所有的层粘结完之后就得到一个空间实体。型砂在粘结剂没有喷射的地方仍是散砂，比较容易清除。清理出中间未固化的散砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在铸型的表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。
.png)
图1 砂型3D打印技术原理图解
砂型3D打印是以“逐层叠加、逐层粘结”的方式来将在铸造过程中所需用到的砂芯砂型打印出来，替代了传统铸造过程中的模具制造、制芯以及造型三个步骤，将传统铸造工序节点从7个直降为5个（如下图2所示），直接提高了生产效率产生了价值效益。国内某发动机公司在研发技术升级中，引进了国产砂型3D打印设备多台，构建起了“3D打印产业应用中心”应用砂型3D打印技术到开发生产当中去，以下就以该中心对该项技术的创新为例。
.png)
图2 砂型3D打印技术减少的工序
1.2 技术特点
砂型3D打印技术在高端铸件研发中的应用对于传统的铸造研发来说，所带来的改变是具有颠覆性的，不但简化了铸件制造的过程、提高了其制造效率，更是将以人为本以及节能环保的绿色理念应用到了铸件铸造过程中，有效推动了我国铸造行业的转型与升级，那么与传统相比3D打印有什么优势呢。
（1）制作周期短，不需要模具；砂型3D打印技术的应用改变原有的铸造生产流程，将三维图形数据作为核心源头，直接打印出砂型，省掉了模具的制作，制芯造型的过程，不但制样速度快，还节约模具费用的投入，减少了铸造厂模具仓储占用场地的烦恼。
（2）不需要拔模斜度，铸件结构接近设计意图，型腔和砂芯可一体成型。提高了制图的工作效率及铸件的设计重量误差，砂型3D打印出的砂芯，尺寸精度与射芯砂芯精度相当，可满足于铸件生产；通过砂型外型腔和砂芯一体成形的方式，也有效的减小了砂芯件的配合误差，对生产增效减耗有重要的意义。
（3）与传统技术相比，砂型3D打印技术在实际设计中更具灵活性且所需成本较低，实际铸件制造的难度降低。在此项技术的应用过程中，能够对模型进行灵活的修改与设计，这能够在很大程度上对所制造的产品的精度进行提高，且具有较为良好的降低砂铁比的效果，非常适合应用在内部结构较为复杂的铸件生产过程当中。
（4）将以人为本、设备自动化程度高、节约能源、绿色铸造等理念落实到了实处。此项技术的应用有效的对铸造现场的环境进行了改善，也在一定程度上降低了劳动强度；通过机器应用的方式替代了传统的人工操作，有效降低了人力成本，且因此项技术具有数字化制造的特点，因此在实际应用中也提高了高端铸件制造的智能性。
由此可见，某公司所构建起的“3D打印产业应用中心”对于其公司的转型发展与铸造智能化的提高来说是非常重要的，具有深刻的影响。
本文为什么强调高端铸件的研发应用创新才有意义，并不是指低端铸件不能用砂型3D打印进行铸造，砂型3D打印在铸造工艺性能方面优秀，因为在国外国内已经有非常多的成功案例可参考。低端铸件产品技术要求低，产品附加值低，使用砂型3D打印完全体现不了设备本身的价值，当然未来不久当打印使用的综合成本与传统铸造成本相差不大的情况下，也许打印就能全面覆盖所有产品了。
2 砂型3D打印技术在高端铸件研发中的创新应用
对于柴油机来说柴油机气缸盖铸件是非常重要的组成部分，本产品的实际尺寸是520 mm×420 mm×310 mm；最小壁厚是8 mm；材质是HT300；产品重量 185 kg,详细示意图如下图 3 所示。
.png)
图3汽缸盖内部结结构图
在传统铸造此缸盖的工艺中一般会应用木模或是金属膜，然后树脂砂型重力浇注进行产品的制造。气缸盖铸件结构具有曲面结构较为复杂、断面差异较大、最小壁厚比较薄的特点，并且其内部较为复杂的结构都是砂芯形成。而砂芯数量多种类多，甚至多的三十几个以上，因此较容易出现安装偏差问题、呛火问题等出现，这就在很大程度上增加了气缸盖铸件在铸造过程中出现报废的概率（批产报废率：15%-25%）。而将砂型3D打印技术应用在其中，因其属于无模铸造工艺技术，大部分芯子与外型一体打印，因此能够有效的降低薄壁复杂件的砂芯数量，减少因人为安装所导致的尺寸偏差，同时3D打印的砂型可能很好地在砂芯内部设置排气孔，对于解决呛火问题与排气问题效果是比较好的。
2.1研发思路
将传统的砂型铸造技术与先进的3D打印成型技术集成，进行高难度、高技术、高附加值的高端铸件产品的高效研发生产。使用西门子UG三维软件建立气缸盖的三维实体模型，选择制定浇注方案，优化设计铸造工艺，设计砂型芯配合安装结构，3D打印铸型芯，最终浇注成形。
（1）浇注方案选择
在对不同的浇注系统进行充型模拟对比，从中选取金属液流动平稳性较好、利于补缩的浇注系统。在下图4 中所体现出的气缸盖不同浇筑方案的模拟分析，在平稳方面：（a）底注﹥（c）顶注﹥（b）侧注，在补缩方面（a）底注﹤（b）侧注﹤（c）顶注。综合评估，铸件具有上部较厚、底部较薄的特点，将顶注的工艺应用在其中对于顶部补缩相对是非常有利的。因此，选取了顶注并优化阻流截面的浇注系统工艺，模流软件使浇注系统工艺进行了理论的指导，有效的缩短了浇注系统重复验证的耗时。
.png)
图4 气缸盖不同浇筑方案的模拟图
（2）铸造工艺优化设计
在铸造工艺优化设计过程中，可以通过模拟优化来确定实际参数，构建出相应的三维铸造工图，如下图5所示。在气缸盖顶部比较厚的部位中采用发热冒口用以补缩；并在燃烧室面做好冷铁设置。
.png)
图5 气缸盖仿真模拟结果
（3）砂芯结构设计
在气缸盖的砂芯结构设计过程中，可以通过3D打印无模铸造的特点，可以将水腔芯、气道芯等内腔当中较为主要的9个砂芯与部分铸型合成一个模块化的砂芯，让其能够一次成型，提高铸造效率的同时降低成本方面与后期拼芯劳动强度的投入。
.png)
图6 气缸盖砂芯设计思路
该款气缸盖主要结构为4层打印砂芯，按从底到上的原则，逐层累积安装，整体组芯如下图7所示，装芯过程注意浮砂对合箱配合的影响。
.png)
图7 气缸盖3D打印组芯示意图
（4）3D打印铸型芯
下表中所体现的是此项铸造过程中缸盖型芯3D打印过程的实际技术参数。
表1 缸盖型芯3D打印过程中的技术参数
打印成型
.png)
（5）砂型清砂，组芯合型，浇注成形
在造型箱中将已经打印好的型芯取出，需要再对其进行清砂处理，如果天气潮湿气温低，砂芯固化反应慢，可以入炉进行预热烘干。然后表面施涂涂料，3D打印砂芯建议使用淋涂工艺，砂芯再经烘干检验后才能够对开展组芯合型环节，3D打印的砂型避免急速高温烘烤与急速降温，否则容易产生开裂。
砂型组箱后浇铸金属液，金属液冷却后成形拆箱。且在对其进行去除铸件积砂、浇冒口等，抛丸、切除浇注系统、打磨后，才能够对其进行防锈喷漆以及检验入库。
.png)
图8 组芯合型，浇注成形
2.2 样件试制效率对比
将砂型3D打印技术用于砂型（芯）的打印，将模具制作等环节进行了简化，有效的降低了研制铸造的成本投入，并提高了铸造研发的效率。因此可以看出此项技术比较适合应用在结构较为复杂、对于质量的要求比较高且批量比较小的铸件研制过程当中。且通过下表2可以发现，此项技术应用实际所需的周期与传统技术相比较只需要1/4，效率明显。
表2 两种工艺气缸盖生产周期对比
.png)
3总结：
（1）砂型3D打印技术在高端铸件研发中的创新应用与传统技术相比较而言，不但能够有效的缩短研发周期，还能够有效的提高研发效率以及降低成本方面的投入，对于我国后续高端铸件研发工作来说意义是非常重大的。
（2）砂型3D打印在铸造的工艺应用的成熟，在未来随着使用客户群体数量增多，国产耗材的普及，使用成本大幅下降，越来越多单位将使用砂型3D打印机服务生产，这将会推动铸造行业发生巨大的历史变革。
参考文献：
[1]李栋,原晓雷,孟庆文. 砂型3D打印技术在高端铸件研发中的创新应用[J]. 工业技术创新,2017,04(04):67-70.
[2]史玉升,张李超,白宇,赵祖烨. 砂型3D打印技术的发展及其软件实现[J]. 中国科学:信息科学,2015,45(02):197-203.
[3]张伯明.铸造手册第1卷 铸铁 第3版.中国机械工程学会铸造分会组编，2010.11.