您可能已經(jīng)聽說過3D打印塑料和金屬。但您知道沙子也是3D打印的潛在材料嗎？事實(shí)上，它對(duì)于許多行業(yè)來說都是一種具有成本效益的解決方案，并且特別是對(duì)傳統(tǒng)砂型鑄造的補(bǔ)充。但3D砂型打印是如何工作的，傳統(tǒng)砂型鑄造如何從這種增材工藝中受益？我們?cè)诒疚闹凶屑?xì)研究這些問題。

要了解3D砂打印對(duì)于鑄造的重要性，首先要了解傳統(tǒng)的砂型鑄造工藝。砂型鑄造是一種用于生產(chǎn)由金屬和其他材料制成的最終零件的鑄造工藝。倒入液體材料的模具由耐高溫的沙子制成。最初的鑄造工藝已經(jīng)過數(shù)千年的測試和驗(yàn)證，其歷史可以追溯到公元前3,200年左右。當(dāng)然，制造工藝經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，但基本概念沒有改變。

在砂型鑄造過程中，液體材料（通常是金屬）被倒入砂罐中（照片來源：BigRep）

該過程從要制造的物體的二維繪圖開始?；谶@個(gè)概念，生產(chǎn)了一個(gè)模板，但如果將其用于最終的金屬零件，則其尺寸會(huì)增加以允許收縮。此外，模型必須包括澆注通道。將制作好的陰模壓入充滿沙子的成型箱中。然后在沙子中形成模型的圖像（模具）。將液體材料（鋁、鋼、鎂、鐵）倒入該模具中，冷卻后立即取出。在精加工階段，還必須去除澆口。

盡管砂型鑄造已通過詳細(xì)的結(jié)果證明了自己，但上述工藝步驟表明，這是一個(gè)步驟眾多的復(fù)雜工藝。這就是3D打印的用武之地。傳統(tǒng)鑄造和增材制造的結(jié)合使流程更加高效，因?yàn)閹в行颓坏牧慵哪＞呋蛐托臼峭ㄟ^CAD數(shù)字化設(shè)計(jì)并通過3D砂打印制造的。這樣，就省去了設(shè)計(jì)模型、創(chuàng)建模型以及在成型框架中打印的步驟?？傊?，3D打印提供了實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的捷徑，節(jié)省時(shí)間、成本和資源。

打印之前，通過CAD創(chuàng)建形狀設(shè)計(jì)（圖片來源：voxeljet）

在我們更詳細(xì)地討論3D砂打印的諸多好處之前，讓我們先關(guān)注一下3D砂打印本身。用于3D打印的石英砂不是沙箱或海灘中的傳統(tǒng)沙子，主要由石英顆粒組成。根據(jù)最終零件的鑄造合金，可以使用不同類型的砂。SH-F01石英砂呈啞光黑色，而SH-P14呈米色，通常為沙色。兩者都具有高耐熱性和強(qiáng)度。也可采用SH C052合成砂。它是基于陶瓷的，具有與上述類型類似的特性。在3D砂打印中，然后通過粘合劑噴射將砂轉(zhuǎn)變?yōu)樯靶丸T造的模具。

優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

與其他3D打印技術(shù)相比，粘合劑噴射被認(rèn)為特別有效。這不僅適用于聚合物或金屬粉末的加工，也適用于沙子的加工。這意味著粘合劑噴射不僅可以跳過傳統(tǒng)砂型鑄造的眾多步驟，而且還可以特別高效地生產(chǎn)模具。生產(chǎn)中節(jié)省的時(shí)間也可以轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)收益。例如，模具打印可以在整個(gè)生產(chǎn)過程中降低高達(dá)75%的成本。

機(jī)器操作員清理3D打印型芯上的沙子（照片來源：Hoosier）

3D模型是在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的，這有利于個(gè)人修改和適應(yīng)。還可以制造復(fù)雜的幾何形狀，并進(jìn)行任何規(guī)模的生產(chǎn)。粘合劑噴射打印砂模的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們具有更好的尺寸精度并且可以進(jìn)行不同數(shù)量的生產(chǎn)。這也提供了競爭優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢愿玫貪M足客戶的要求。

除了節(jié)省時(shí)間和金錢之外，砂印還節(jié)省資源。不再需要處理材料來創(chuàng)建物理模型。由于增材工藝主要僅使用實(shí)際需要的材料，因此產(chǎn)生的廢物也較少。石英砂被認(rèn)為是一種環(huán)保材料，其數(shù)量幾乎無限，未使用的打印粉也可以部分重復(fù)使用。從這個(gè)意義上說，3D砂打印有助于實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的生產(chǎn)。

3D砂打印可考慮用于各種應(yīng)用的模具，特別是那些需要高效生產(chǎn)復(fù)雜零件的模具。汽車或航空航天工業(yè)就是這種情況，例如車輪或螺旋槳等具體應(yīng)用。例如，英國鑄造廠Boro Foundry已使用3D砂打印來生產(chǎn)備件。該技術(shù)還可用于制造設(shè)計(jì)師家具、藝術(shù)和餐飲業(yè)。它可用于生產(chǎn)原型和小批量生產(chǎn)。

車輪3D砂打印模具（照片來源：voxeljet）

沙子3D打印機(jī)制造商

在3D打印領(lǐng)域，有一些專門從事砂處理的制造商。德國公司voxeljet在這一領(lǐng)域尤其享有盛譽(yù)。它提供多種砂型3D打印系統(tǒng)，包括VX 200、500、1000、2000和4000機(jī)器，它們具有不同尺寸的打印床。除了voxeljet之外，還應(yīng)該提到ExOne（2021年被Desktop Metal收購，但仍然活躍在砂業(yè)務(wù)中），該公司也專注于粘合劑噴射系統(tǒng)，是該領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一。

雖然沙子3D打印的應(yīng)用范圍比樹脂、聚合物和金屬3D打印的應(yīng)用范圍要窄，但它可以滿足特定的需求。這就是為什么越來越多的服務(wù)提供商將其添加到他們的產(chǎn)品中，以更好地滿足客戶需求，并幫助想要通過3D打印改革砂型鑄造，但自己沒有資源投資3D砂型打印機(jī)的小型鑄造廠。

voxeljet VX4000是迄今為止最大的砂型3D打印機(jī)（照片來源：voxeljet）

來源：3dnatives