减重40%，间接制造大型机械臂设计案例

3D 打印砂型铸造模具和型芯正在改变当今高性能、大型金属零件的制造方式。增材制造使现代铸造厂能够在交货期内快速生产出复杂的金属零件。本文以 3 英尺长机械臂的重新设计和制造为例，阐述了将先进设计工具与 3D 打印砂模相结合的优点。

01  砂型铸造和工业3D打印

金属铸造是一种常见且成熟的制造方法，用于生产融入我们日常生活的商品。如今，90%的制造产品和机械都使用了铸造零件。而当前最流行的金属铸造工艺是砂型铸造；超过70%的金属零件都是采用这种生产工艺制造的。

砂型铸造过程首先需要创建一个牺牲模具，该模具由混合有粘合剂的压实砂组成。通过浇注系统用熔融金属填充模具的型腔，然后将模具破坏取出铸造件。

砂型铸造可以追溯到公元前 1 世纪。几个世纪以来，这种技术已经发展成为我们所熟知的工业流程。然而，数字制造和3D打印技术的出现使得现代铸造企业进一步得以发展。

使用 3D 打印砂模和型芯的砂型铸造正在成为增材制造的一个关键工业应用。直到最近，设计工程师和铸造厂还主要将这种混合制造技术用于原型制作。今天， 越来越多的铸造厂正在采用这种制造技术来增强其内部流程。

▍使用 3D 打印模具和型芯进行砂型铸造的好处

以下是 3D 打印可以使铸造厂受益的一些方式：

3D 打印的砂模和型芯有助于创建合理的浇冒口系统，从而可以制备具有更少内部缺陷的高性能的金属零件，零件的材料强度最高可提高15%；

增材制造消除了对工艺装备和铸造模具的需求以及相关的几何限制。这有利于生产具有复杂几何形状的高性能的优化零件；

3D 打印和其他数字制造技术有助于改变传统铸造厂的形象，吸引年轻人才和新的劳动力进入该领域。

▍使用 3D 打印砂模和型芯进行砂型铸造的局限性

然而，3D 打印只是一种工具。这种新技术在砂型铸造方面的局限性包括：

零件设计仍需遵循铸造工艺和 3D 砂型打印系统的限制。这些设计考虑包括壁厚、件截面的变化和壁与壁之间的间隔；

目前可用的工业砂型3D 打印机是有限的，而且 3D 打印模具的制造成本也相对较高。作为参考，砂型3D 打印的成本约为每立方英寸 0.1 美元，而传统的铸造厂对一个模具的收费通常在 1-2万美元之间；

与每一项新技术一样，获得砂型3D打印知识和设计技能的途径仍然有限。难以找到最佳设计案例和设计准则，这阻止了工程师和制造商最大限度的利用这项新技术。

下面的案例研究将设法解决最后一点。通过将每个决策中的设计方法和实际考虑因素文件化， 我们希望让制造商、设计师和工程师更容易的使用这项技术。

02 案例研究：拓扑优化的机械臂

为了展示使用 3D 打印模具和型芯进行砂型铸造的优势，nTopology、宾夕法尼亚州立大学、Flow 3D 和 Humtown的工程师联手重新设计了一条一米长的机械臂。他们共同创建了一个端到端的数字化铸造工作流程--从零件优化到可制造性设计，最后是制造。

金属铸造模具组件的分解试视图

该团队将拓扑优化等先进的设计技术与只能通过增材方式制造的先进铸造特征（包括浇口、浇道和冒口）相结合。使用这种方法，该团队设法达到以下几个目标：

将零件的重量减少40%；

避免常见的铸造缺陷；

直接 3D 打印整个砂模；

在一个星期内制造出该零件。

▍生成一个轻量化的机械臂

该项目的第一步是优化机械臂的几何形状。利用拓扑优化软件，该团队将零件的重量减少了40%--从 240 磅减少到 165 磅--同时仍然满足规定负载条件的功能要求。

拓扑优化是一种仿真驱动的设计技术，该技术通常用于航空航天和汽车工程领域，优化目标通常是刚度最大化和重量最小化。nTopology 软件中的的自动光顺处理和模型重建功能使该团队能够快速、轻松地进行设计修改。

当然，工程团队在设计阶段就考虑了该零件的可制造性。最终的金属零件用铝铸造时重 165 磅（或约 75 千克），其边界尺寸为  39″ × 16″ × 16″（或 1.0 m × 0.4 m × 0.4 m）。机械臂的尺寸限制了团队生产这个巨大零件的选择。

按照传统的制模方法（使用木模）会带来一些复杂性问题。由于几何形状的复杂性，设计团队将不得不做出许多妥协，从而降低了零件的性能。

▍优化铸件的设计

为了展示该技术的能力，该团队决定直接 3D 打印整个模具。通常情况下常见的生产方式是只打印模具的一部分，如模具的型芯或其他关键的部位。

这一决定使该团队能够优化模具的其他关键特征，如浇口、浇道和冒口的几何形状和位置。这些优化将使金属铸件具有最小的内部孔隙和较高的材料性能。

该模具是宾夕法尼亚州立大学和 Flow3D 公司合作设计的。该团队在设计过程中考虑到了两个主要的设计要求：

熔融金属必须尽可能顺利地填充型腔。研究表明，低于0.5米/秒的流速是必要的， 以尽量减少湍流，并减少由于氧化层脱落和孔隙造成材料缺陷的可能性；

冒口必须在零件之后凝固。不均匀凝固是造成内部缺陷、收缩、开裂和零件变形 的另一个常见原因。出于这个原因，铸造后将被加工掉的部分必须最后凝固。

为了确保在填充模具时不引入湍流，该团队重新设计了浇注系统和冒口。他们使用了一个螺旋形的浇口，而不是一个向下的浇口。他们选择了具有球形或半球形的冒口，而不是圆柱形的冒口。

这种优化的浇口和冒口的几何形状确保了熔融金属的流动速度低于所需的阈值，并且熔融金属会均匀地凝固。此外，这些特征只能使用增材制造技术来制造， 因为使用传统的制备工艺不可能制备出这样复杂的浇冒口系统。

（铸造过程模拟帮助团队确保速度流量保持在0.5毫米/秒的临界值以下）

为了确定最佳零件浇铸方向和流道、浇口和冒口的最佳位置，该团队使用铸造模拟软件进行了多次设计迭代。仿真的目的是优化冒口性能，最大限度地减少孔隙率，并验证浇口流速。仿真阶段确保了该部件一次成功制备，并将开发时间从几个月减少到几周。

3D 打印工艺独特的直接生产能力使这些先进的模具设计方法得以应用。而且能够产生显著的性能改进。研究表明，与传统方法相比，使用这种模式生产的铸件具有：

内部非金属夹杂物总含量为0.02%，缺陷减少99%；

使用相同材料铸造时，强度可提高 8%-15%。

铸造材料性能的提高使这一工艺对于制造高性能或定制部件的铸造厂来说最为适用。

精简制造过程，快速生产所需的复杂形状和结构的能力是零件制造的基础，以满足项目的目标。

Humtown 拥有四套ExOne SMax 粘合剂喷射 3D 打印系统，他们使用其中的一套打印系统来制作该模具。一旦 Humtown 的工程师收到最终的模具设计图，他们就能在不到 24 小时内打印出模具。由于Trumbull 铸造厂与 Humtown 的紧密合作，该厂能够在一天内完成零件的铸造。

Humtown 是美国领先的 3D 打印砂模解决方案供应商之一。他们已经接受了新技术，现在他们鼓励其他铸造厂采用新的铸造方法，以创造一个精益和敏捷的供应链生态系统。

03 关键要点

3D 打印技术正在改变金属铸造的面貌。3D砂型打印使设计和制造工程师能够：

生产具有复杂几何形状的优化的大型零件；

通过优化设计铸造模具能最大限度减少内部材料缺陷；

建立更精简、更灵活的制造供应链。