3D打印砂模解決輕量化大型鑄件快速制造的挑戰(zhàn)

農業(yè)機械制造商Amazone希望使農業(yè)機械設備變得更加穩(wěn)定、耐用，并實現(xiàn)輕量化。在進行新一代產品的研發(fā)和探索時，Amazone 采用了拓撲優(yōu)化設計和3DP 3D打印技術制造的砂模、砂芯來制造某款農業(yè)機械的大型機架鑄件。接下來，我們一起通過Amazone 的農機機架鑄件制造案例來了解一下3DP 3D打印技術在大型輕量化鑄件快速制造中體現(xiàn)出的價值。

農機機架的設計優(yōu)化過程（右圖為拓撲優(yōu)化的輕量化設計方案）

Amazone 是來自Hasbergen的家族企業(yè)，位于德國 Osnabrück附近。該公司生產的其中一類產品是農業(yè)機械上帶機架的緊湊型圓盤耙，這是一種固定在拖拉機上的裝置，用于淺層和強化土壤種植，工作深度可達15厘米。機架的作用是將設備連接到軸上，使圓盤耙設備能夠被拖動。

Amazone使用的上一代農業(yè)機械機架由幾個部分焊接而成，重量為245千克，焊縫長度為16.5米，其制造過程繁瑣。為了降低成本，使農業(yè)機械設備更加穩(wěn)定和輕巧，Amazone決定使用輕量化的鑄件來替代上一代機架。

Amazone在設計新一代農業(yè)機械機架時，使用了Altair的拓撲優(yōu)化軟件Inspire，設計出符合力學性能要求，并適合鑄造的機架。拓撲優(yōu)化技術使材料分布在零件合理的部位，使機架的鑄件相比上一代底盤重量減輕了45千克。在開始進行鑄件制造之前，金屬的鑄造過程還經過了Inspire軟件的仿真模擬，這一過程能夠降低實際鑄造中產生氣孔等缺陷的風險，保證鑄件質量。

Amazone公司表示，新一代機架的設計方案使機架的使用壽命提高2.5倍，相比上一代機架重量降低18%。3DP 3D打印技術則在實現(xiàn)這種復雜輕量化結構和鑄件的快速制造方面發(fā)揮了重要作用。

4個3D打印砂模被組裝在一起

實現(xiàn)復雜結構
Amazone 公司使用了voxeljet 公司3DP 3D打印設備VX4000 制造機架鑄造用的砂模。在打印之初，voxeljet將CAD文件轉換為適合3D打印的格式，隨后操作人員將數(shù)據導入系統(tǒng)中。該機架的鑄造砂模將被分為4個部分進行打印。砂模打印完成之后，進行清潔后處理和檢測。

打印開始，刮板鋪設粉床（石英砂），打印頭以300dpi的分辨率進行工作并按照數(shù)模幾何結構有選擇性的噴射粘結劑。每打印一層，成型平臺下降一個層厚，直到零件打印完成。 voxeljet的VX4000打印機的成型尺寸可達4 x 2 x 1米。打印完成之后，操作人員從設備中取出砂模，并進行后處理和組裝，處理完成的3D打印砂模可以直接用于機架的鑄造。

鑄造過程：在砂模內部，液態(tài)金屬最終固化

鑄造廠為鑄造模具進行涂層，從而保護砂模不受到熱應力的影響。

鑄造廠的工作人員將鑄件從模具中取出，并經過后續(xù)機械加工后，機架鑄件制造完成。

節(jié)省時間和成本

準備交付的機架鑄件

通常為這樣一個復雜的鑄件制造鑄造用的砂模是非常耗時、繁瑣的過程，因此在進行鑄件設計時， 設計師就考慮使用voxeljet 的VX4000 3D打印設備直接進行鑄件砂模的快速制造。這一制造工藝為鑄件制造節(jié)省了時間。

此外，由于3D打印技術對于打印對象結構的復雜性不敏感，在制造復雜砂模時，不會因為產品的復雜性的上升而使成本顯著上升。對于用傳統(tǒng)制造方式制造難度非常高的幾何結構，3D打印設備甚至可以降低制造成本。

來源：3D科學谷
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