在过去的五年中，3D砂打印的使用急剧增加, 该技术主要用于中小规模的原型和高混合, low-volume tooling. As new technologies are developed, 人们相信印刷的速度和规模将呈指数增长. 本文分享了最近关于金属铸造3D打印的两项研究.

向高速砂印迈进 

Jerry Thiel, 北爱荷华大学雪松瀑布分校, Iowa); Nathaniel Bryant, IMERYS (Atlanta); Kip Woods, 艾默生过程管理(Marshalltown), Iowa)

在过去三年中，生产打印砂模和砂芯的公司数量以及使用该技术的公司数量翻了两番. 

该技术可以从几个方面改进铸造工艺. The cost of hard tooling is eliminated. 传统的铸件是通过在正形状周围形成砂子，并通过无机矿物或化学聚合物在适当的位置粘合而产生的. For example, 与单个铸件的价值相比，正面形状的模具非常昂贵，并且必须在铸件设计的生命周期内摊销. 如果没有足够的未来产量要求，这种高成本往往会阻碍铸件的使用, 这些成分是用减法产生的. 这种减法方法成本高，而且不能产生复杂的内部几何形状, 这反过来又需要多个加工组件. 这既不符合成本效益，也不会消耗大量能源和产生废物. 金属铸造的增材制造消除了昂贵的工具，并允许更好地利用占地面积和资本资金, 同时降低了整体组件成本和材料浪费, 特别是对于原型和非常小批量的工作.

在金属铸造中采用增材制造的关键障碍是可能的生产率和随后的制造成本. 印刷模具和芯的成本可能比传统的模具和芯生产贵20-30倍, 当产量超过几十个时，哪一个会降低成本效益. 

这阻碍了它在高产量作业上的使用，而这些作业最有可能利用该技术并随后提高质量和竞争力. 由此产生的投资回报，铸造厂购买的设备往往比传统设备要长得多, 使中小型企业(SMEs)遥不可及, 这些公司占英国运营业务的80%以上.S. foundries. 目前的增材制造技术针对的是服务中心，在那里可以保持较高的利用率，并且可以从高价的3D设备中获益, which dictate high printed sand costs. 这使该行业停滞不前，使其仅适用于低产量和原型铸造.

下一代设备已经在构思中，将由一家美国公司生产.S. 国内铸造设备供应商. 国内制造允许使用当地可用的部件，这些部件往往更容易获得，并且可以更快地响应机器维护和维修. 使用国产部件还可以降低设备成本, elimination of shipping, and OEM stocking requirements. 

新打印机的目标客户是正在运营的铸造厂, rather than service centers, 并将允许中小企业铸造厂提高他们的技术. 因此，它们将成为供应链中更有价值的一部分. 正在概念化的印刷设备将按照可负担性设计, facilitate short return on investment, 并提供高操作速度，以便将该技术用于生产而不是原型. 这项技术将为生产既具有成本竞争力又利用增材制造技术所能提供的设计自由的铸造部件提供范式转变. 

在砂印中，这个过程开始于砂层，结束于砂层. 迭代创建过程必须在许多不同的环境条件下可重复，这些条件存在于中小型铸造厂中，以获得成功, 同时尝试使用最具成本效益的印刷介质. 砂媒的选择需要了解它是如何扩散的, impact printing resolution, and long-term reusability. 即使呋喃印刷部件的pH值和酸需求值相同，印刷介质的丝网分布的微小变化也会对最终印刷产生很大影响. 

北爱荷华大学(UNI)的研究人员进行了广泛的研究，以确定3D砂打印材料的最佳特性. 这些研究导致了许多区域可用材料的开发，这些材料既降低了砂印刷的成本，又扩大了其能力. 在扩展功能的同时降低运营成本的结果间接提高了行业采用率. 了解砂印所用材料的特性将有助于提高速度和效率, 将技术从服务中心转移到典型的小型企业铸造厂.

UNI先前的研究通过开发几种国内骨料来源，大大降低了3D砂打印的成本, 粘合树脂和印刷方法. 该大学正在继续与设备制造商合作，以改进设计并促进打印机的建造. 该设计将结合技术，使生产速度达到目前最佳技术的10倍. 速度的提高将来自于新的高速打印头, 先进的软件和机器设计改进. 将研究设备设计的变化，以允许大幅面印刷和最大范围的材料使用, 包括环保型无机树脂.

本文全文可在此阅读 www.afsinc.org/2020-056. 

用3D砂打印生产大型铸件

Andrew H. Pike, Joel C. Busler, and Alex R. Uchida, Mueller Co. (Chattanooga, Tennessee)

大型无烘烤模具的图案传统上使用木材作为制造腔压痕的材料. 这给生产一致性铸件带来了挑战, 因为木材会因不同的温度和湿度而膨胀和收缩, 导致空间季节性现象. 因为聚合物通常更能抵抗这些影响, they have been used by patternmakers for some time; however, 聚氨酯通常仅限于中小型工程.

Within the past few years, 3D打印技术的发展提高了打印的尺寸和速度. 

有效生产大规模3D打印零件, 需要两个主要的工艺步骤:加法(打印)和减法(加工). 大型打印头主要基于塑料注射成型行业中常见的螺杆挤出机.

随着大规模3D打印技术的出现, 现在有可能用塑料代替木质图案, 增加图案的强度和尺寸稳定性. However, 较大的打印机的分辨率与较小的打印机不同, 哪些需要CNC加工到净尺寸.

创建用于大规模打印的打印文件时, 该模型需要大于目标几何形状，以确保足够的机器库存. 由于不同切片软件的复杂性，这是一个棘手的步骤. 锥形壁尤其难以保持一致的机器库存和融合，并且通常需要对打印文件进行单独的层调整. 

材料性能也必须考虑到管理的热量在印刷部分. 必须仔细考虑打印细节，以提供抗开裂和尺寸稳定性. 每种材料都有一个独特的温度阈值，超过该阈值将导致材料降解，并在层之间分层. 层与层之间的时间和热量管理至关重要. 

In terms of material selection, 大型3D打印机使用颗粒状聚合物, 不同的聚合物具有不同的性质和加工参数，如熔化温度和压力. 不同材料的应用和性能随其成分的变化而变化. 早期的开发主要集中在纤维填充的ABS塑料上，但更多的化合物正在成为可能. 

而3D打印100%的工具作为一个单一的部分可能在技术上是可行的, 这样做在经济上是不明智的. As with smaller 3D printing, 在非常大的区域保持平面是很棘手的, 哪一个会对分离线有害. 

浇注和流道系统可以作为铸件的组成部分打印出来, 特别是用各种软件对铸件的排样进行了模拟. 然而，这样做会牺牲灵活性和可修复性. Having separate pieces for gates, runners, filter prints, slag traps, 或者其他功能允许它们在老化或磨损时被更换. 它还允许更改，而不需要将它们从一个完整的部分中分离出来. 

3D打印在金属铸造行业的应用将会增加, 随着更多的技术和技能可供使用，对“传统”模式制作的定义将继续改变. 这方面需要更多的研究, particularly in wear resistance, 不同材料的性能和耐久性.