关于3D砂型打印，你需要知道的一切

魔猴君  科技前沿   9天前

塑料和金属的3D打印技术已经非常成熟，不再是秘密。但您是否知道，砂也是一种适用于3D打印的材料？事实证明，它是一种经济高效的解决方案，适用于众多行业，尤其能够与传统的砂型铸造工艺形成互补。3D打印使砂型铸造更加快捷、灵活和经济。但是，砂型3D打印的工作原理是什么？传统的砂型铸造又如何从这种增材制造工艺中获益？本文将探讨这些问题。

要了解3D砂型打印对铸造厂的重要性，首先需要了解传统的砂型铸造工艺。砂型铸造是一种利用金属或其他材料生产成品零件的铸造工艺。熔融材料被浇注到由砂制成的模具中，砂能够承受高温。原始的金属铸造工艺已有数千年的历史，可以追溯到公元前3200年左右。当然，制造工艺经历了各种发展阶段，但其基本原理始终未变。

在砂型铸造工艺中，液态材料（通常是金属）被倒入装有沙子的容器中。（图片来源：BigRep）

该工艺流程始于待制造物体的二维图纸。基于此设计，制作模具。但如果该模具用于最终金属零件，则其尺寸会更大，以弥补收缩。此外，模具必须包含导流槽。将生成的阴模压入装满砂子的模具箱中。然后在砂子中形成与模具相同的形状——即模具。将熔融材料（铝、钢、镁、铁）浇注到该模具中，并在冷却后立即取出。作为精加工工艺的一部分，还必须去除导流槽和冒口。

尽管砂型铸造凭借其精细的加工效果证明了自身的价值，但上述工艺步骤表明，它仍然是一个复杂的多阶段过程。而3D打印技术则弥补了这一不足。将传统模具制造与增材制造相结合，可以显著提高效率：首先利用CAD软件对带型腔零件的模具或型芯进行数字化设计，然后通过3D打印技术在砂型中成型。这省去了模型设计、模型制作和型腔制作等步骤。简而言之，3D打印技术为实现预期目标提供了一条捷径，节省了时间、金钱和资源。

打印前，先使用CAD软件创建形状设计。（图片来源：Voxeljet）

在深入探讨其众多优势之前，我们先来了解一下3D砂型打印本身。与传统的沙箱或海滩沙子不同，我们使用石英砂，它主要由石英颗粒组成。根据最终零件的铸造合金，可以使用不同类型的砂。SH-F01石英砂呈哑光黑色，而SH-P14呈米色，通常为沙色。两者都具有高耐热性和强度。此外，还可以使用合成砂SH C052。这种陶瓷基砂具有与上述砂类似的特性。在3D砂型打印中，砂通过粘结粉末而非传统的粉末（金属或塑料）制成砂型，用于砂型铸造。

优势和应用

与其他3D打印技术相比，粘结剂喷射成型被认为效率极高。这不仅适用于聚合物或金属粉末的加工，也适用于砂型材料。因此，粉末粘结3D打印不仅省去了传统砂型铸造的步骤，还能实现极其高效的模具生产。节省的生产时间也转化为经济效益。例如，使用这种方法打印模具，可以使整个生产过程的成本降低高达75%。

一名机器操作员正在清理3D打印岩芯上的沙子。（图片来源：Hoosier）

该3D模型采用计算机设计，便于修改和个性化定制。此外，它还能创建复杂的几何形状，并可按任意比例进行生产。另一个优势是，粉末粘结砂型具有极高的尺寸精度，并且可以批量生产。这也带来了竞争优势，因为它可以更好地进行定制，以满足客户的特定需求。

除了节省时间和成本，砂型打印还能节约资源。它不再需要对材料进行加工来制作物理模型。由于增材制造工艺大多只使用实际所需的材料，因此产生的废料也更少。石英砂被认为是一种环保材料，储量几乎无限，而且未使用的打印粉末甚至可以部分回收利用。从这个意义上讲，3D砂型打印有助于实现更可持续的生产。

3D砂型打印技术可用于制造各种用途的模具，尤其适用于需要高效生产复杂零件的场合。例如，汽车和航空航天行业就运用了这项技术，具体应用包括车轮和螺旋桨的制造。英国铸造厂Boro Foundry就曾利用3D砂型打印技术生产备件。此外，该技术还可用于制造设计师家具、艺术品以及文物修复。它能够实现原型制作和小批量生产。

这是利用3D砂型打印技术制作的车轮模具。（图片来源：voxeljet）

编译整理：3dnatives