耿佩（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

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淺析3D打印技術(shù)在鑄造成形中的應(yīng)用

耿佩（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

摘要：介紹了3D打印技術(shù)的原理、應(yīng)用及設(shè)備，針對其在鑄造成形技術(shù)中的應(yīng)用情況展開分析。以撥叉零件為研究對象，從CAD建模到3D打印，得出撥叉零件原型實體。后續(xù)可以此作為鑄造木模，對其進(jìn)行砂型鑄造造型操作，可明顯縮短工時，降低成本，有助于提高實踐教學(xué)效果。3D打印技術(shù)作為橋梁連接了CAD建模與砂型鑄造造型過程，還可用于其它鑄造成形方法，進(jìn)而縮短制模時間，節(jié)約成本，提高效率。最后對3D打印技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：3D打印；砂型鑄造； CAD模型

1　3D打印技術(shù)概述

隨著科學(xué)與生產(chǎn)技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，快速成型技術(shù)，尤其是3D打印技術(shù)逐漸在制造業(yè)中已經(jīng)占據(jù)非常重要的地位，成為不可或缺的一種成形制造方法。3D打印技術(shù)正在快速改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的生活與生產(chǎn)方式。在不久的未來，以個性化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、定制化為突出特點(diǎn)的3D打印制造技術(shù)將推動第三次工業(yè)革命[1-4]。

3D打印，又稱作增材制造技術(shù)，是根據(jù)前期設(shè)計的CAD三維模型，借助計算機(jī)軟件控制，在打印設(shè)備上逐層增加材料堆積成所需制品造型的一種快速成形制造技術(shù)。其運(yùn)作原理和傳統(tǒng)打印機(jī)工作原理基本相同。傳統(tǒng)打印機(jī)是只要輕點(diǎn)電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數(shù)字文件便被傳送到一臺噴墨打印機(jī)上，它將一層墨水噴到紙的表面以形成一副2D圖像。而3D打印機(jī)首先將物品轉(zhuǎn)化為一組3D數(shù)據(jù)，然后打印機(jī)開始逐層分切，針對分切的每一層構(gòu)建，按層次打印。其最大的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是能簡化制造程序，縮短產(chǎn)品研制周期，降低開發(fā)成本和風(fēng)險。相比傳統(tǒng)的制造工藝，應(yīng)用3D打印技術(shù)節(jié)省原材料，用料只有原來的1/3到1/2，制造速度快了3～4倍[5]。

2　3D打印技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

自3D打印技術(shù)衍生之時起，就很快被業(yè)界人士關(guān)注，開始了廣泛的應(yīng)用，其速度之快和應(yīng)用之多令人難以置信。它在制造業(yè)的應(yīng)用備受重視，比如新產(chǎn)品研發(fā)時，可使用3D打印技術(shù)制作出產(chǎn)品原型，能夠讓設(shè)計者更好的優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。建筑業(yè)里使用3D打印技術(shù)進(jìn)行建筑模型的制造。這種方法快速、完美、精準(zhǔn)、成本低且環(huán)保，同時又節(jié)省大量材料和人工時間。汽車制造業(yè)里，再進(jìn)行汽車安全性測試工作時，可采用3D打印產(chǎn)品代替部分零部件，在追求效率的同時可降低成本。醫(yī)療行業(yè)，使用3D打印技術(shù)來制作人體骨骼，目前已有應(yīng)用3D打印技術(shù)打印出人體下顎骨置換到人體內(nèi)的成功案例[6-8]。那么，3D打印技術(shù)在教育行業(yè)也有很廣泛的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在給學(xué)生制作教學(xué)模型及演示操作，推廣3D打印技術(shù)及做學(xué)術(shù)研究所用。

3　3D打印撥叉過程

如前所述，3D打印技術(shù)可制作出產(chǎn)品原型，本案例首先基于UG軟件繪制撥叉零件的三維造型，借助3D打印技術(shù)制作出撥叉零件原型，其次以3D打印的撥叉零件作為鑄造模型，來進(jìn)行砂型鑄造手工造型，整個操作過程快速、簡便、綠色環(huán)保且成本低廉，明顯減少制模時間，提高鑄造砂型鑄造成形效率。

3.13D打印設(shè)備

3D打印快速成型技術(shù)是將計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）和計算機(jī)輔助制造（CAM）集成于一體，根據(jù)計算機(jī)上構(gòu)造的三維模型，無需傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，能在很短時間內(nèi)直接制造產(chǎn)品原型。文中撥叉的打印采用HTS熔融擠壓臺式快速成型機(jī)完成，其設(shè)備外形見圖1。

圖1　HTS熔融擠壓臺式快速成型機(jī)

3.2撥叉CAD造型

撥叉的作用主要是撥動滑移齒輪，改變其在齒輪軸上的位置，可以上下移動或左右移動，從而實現(xiàn)不同的速度。3D打印技術(shù)是基于CAD三維模型來分層制造的，借助Pro-e三維造型軟件來完成撥叉零件的三維模型，如圖2所示，為后續(xù)3D打印過程準(zhǔn)備好3D數(shù)據(jù)。

圖2　撥叉Pro- e三維造型

3.33D打印撥叉原型

將撥叉零件的CAD三維模型保存為STL文件格式，并導(dǎo)入到HTS控制軟件中，調(diào)整模型使其最大截面處于X-Y平面，并設(shè)置好工件參數(shù)和速度參數(shù)，然后生成支撐。打印前可在HTS控制軟件中查看打印模擬過程，檢查路徑及模型是否正確，并生成數(shù)據(jù)文件；生成支撐后需要調(diào)整噴嘴位置，在X-Y平面上把成形頭移動到平臺的中心位置，然后調(diào)整Z向位置，使成形噴嘴距工作臺面板位置為0.1 mm左右。最后要檢查噴料是否正常，上述步驟完成后即可開始打印。圖3所示為借助HTS熔融擠壓臺式快速成型機(jī)打印好的撥叉零件原型。

圖3　3D打印的撥叉原型

3.4砂型鑄造過程

以3D打印得到的撥叉原型作為鑄造木模，對其進(jìn)行砂型鑄造造型過程并進(jìn)行澆鑄，得到撥叉零件實體。整個過程相比于原始的砂型鑄造方法節(jié)省時間，鑄件表面質(zhì)量好，木模表面磨損小。對于批量生產(chǎn)來說，可明顯提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

4　結(jié)束語

文中舉例說明了3D打印技術(shù)在砂型鑄造成形中的應(yīng)用，借助3D打印技術(shù)制作撥叉零件原型，并以此代替鑄造木模，進(jìn)行手工造型。這種方法快速、便捷、綠色環(huán)保且成本較低，直接省去制作木模的時間與成本，且3D打印出的模型可選用不同材料，不易磨損，使用壽命遠(yuǎn)高于普通木模。

3D打印技術(shù)作為目前一種先進(jìn)制造技術(shù)，近年來已得到快速發(fā)展，實際應(yīng)用領(lǐng)域逐漸增多。但其推廣力度還不夠大，應(yīng)該加強(qiáng)教育培訓(xùn)，促進(jìn)3D打印技術(shù)的社會化推廣；加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平，擴(kuò)大其在鑄造成形領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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Analyses of the application of 3D printing in teaching practice

GENG Pei
(Xi'an Aeronautical Polytechnic, Xi'an 710089，Shaanxi,China)

Abstract:The principle、 application and the equipment of 3D printing technology are introduced and its application in casting practice are analyzed principally. Based on CAD model and 3D printing, the prototype of fork are printed. It’s used as a casting model to complete the sand casting operation. 3D printing technology is able to shorten working hours and lower costs obviously, and it is contributed to improve the effect of practice teaching. 3D printing technology，as a bridge，linked the CAD model and sand casting model process successfully. 3D printing technology became an important role for the casting professional teaching practice. At last, the application development of 3D printing technology is discussed.

Keywords:3D printing；sand casting；CAD model

作者簡介：耿佩(1987—)，女，碩士研究生，主要從事鑄造工藝研究.

收稿日期:2015- 08- 22

DOI：10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.01 .003

中圖分類號：TG242.1；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

文章編號:1 006-9 658（2016）01 -0008 -02

稿件編號:1508- 1043