1、 前言

在航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有着不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用；在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺实验来确定工艺；当工艺存在重大失误时，可能使得工艺方案被彻底推翻。通过工艺反复实验来确定工艺的方法，可能导致先前制作的模具报废，对于大型铸件来说模具费用会相当高，这会造成重大经济损失，同时严重影响新产品的试制，延长新产品的试制周期。传统生产制造这些零件通常采用铸造或解体加工的方法。现在，利用铸造模拟软件和激光粉末快速成型技术的工业级3D打印机相结合，可有效的解决这些问题。生产周期可缩短十倍以上。实现了生产的低成本和高效益，达到了铸件生产的个性化、多样性、快速铸造的目的。

2、 铸造模拟技术和3D打印技术

铸造工艺模拟CASTsoftCAD/CAE系统和3D打印技术系统框图（图1），铸造工艺设计CAD由铸件重量、体积、模数、补缩、浇铸等工艺参数计算和工艺图绘制、三维自动转二维、工艺卡自动绘制组成；铸造工艺模拟CAE集铸造过程仿真、铸造缺陷定量预测及结果定量显示。用3D打印技术无模具制造蜡件后，通过精密铸造生产出产品毛坯。整个周期只需要15-25天。

基本思路是：1）、将三维设计完成的铸件毛坯（含加工余量）输入到铸造工艺设计CAD中，进行浇注系统计算、冒口计算、冷铁计算、孤立熔池计算、模数计算；2）、根据计算结果大小和位置将浇注系统、冒口（冷铁）添加到铸件毛坯中；3）、将初始化的浇注系统和冒口信息输入铸造工艺模拟CAE，进行铸造过程模拟仿真，优化浇注系统和冒口，将优化好的浇冒信息输出；4）、根据毛坯三维图，利用HLP-500激光粉末快速成型机直接生产出铸件原型蜡件（含收缩量）；5）、按照设计好的铸造工艺方案，给原型蜡件链接上浇注系统，并通过制壳、脱蜡、

高温焙烧等工艺制造模壳；6）、将加热到一定温度的金属液浇注到模壳里，冷却后脱壳，生产出铸件毛坯；7）、最后，利用数控设备生产出最终产品进行装配验证设计的合理性。

图1铸造工艺模拟CASTsoftCAE系统和3D打印技术系统框图

图2铸件三维图

按照传统生产制造图2所示的铸件。由于是新产品，生产周期很长。首先是根据技术工程师经验，设计出大概的浇注工艺，然后进行模具的设计和生产。此零件形状并不复杂，如果采用设计压型进行生产，其模具的设计、生产周期约需2～3个月，模具投入生产到得到铸件还需半个月的时间。只要其中一个环节的设计不合理，整个过程可能就要重新开始，而且可能要反复数次。这不仅浪费了大量的人力物力，又将最终产品的批量生产拖延三五个月，甚至更久。现在，通过CASTsoftCAD/CAE软件和3D打印技术恰好解决这个难题。利用其特点，从设计到生产出成品件的整个加工周期只要20天，甚至更少。

3、 铸造工艺方案设计

利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造工艺设计及工艺模拟CASTsoftCAD/CAE技术对铸件毛坯模数、工艺热结计算、冒口系统计算、浇注过程计算、凝固过程计算，对铸件毛坯进行工艺设计和铸造工艺缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进，最后设计出合理的铸造工艺。采用CAStsoftCAD/CAE技术进行体积法和模数法进行浇注系统计算、浇口棒计算和浇口位置确定，初步确定工艺，通过浇注过程凝固过程进行分析，进一步优化合理工艺，从而缩短工艺试制周期、降低工艺试制成本。

3.1工艺确定步骤步骤

1：采用CASTsoftCAE铸造工艺设计模块进行工艺热结计算确定铸件工艺布局，确定浇注系统。

图3工艺放置方案1

图4工艺放置方案2

图5工艺放置方案1热节及收缩情况

图6工艺放置方案2热节及收缩情况

根据模拟计算缺陷的结果（图5、图6），可以知道工艺方案1热节集中在铸件侧面的大平面旁边，适合放置冒口浇口棒，所以按方案1计算浇口棒，确定铸件工艺布局，确定浇注系统。步骤2：根据缺陷设计浇口棒，得到最终没有缩孔缩松缺陷的铸件。通过造型、涂料及浇注温度等方式保证表面质量，再通过铸造模拟软件进行铸造过程模拟，最后确定可行浇注工艺方案。

图7铸件工艺三维模型

3.2前处理本次模拟时，铸件毛坯进行网格剖分的网格尺寸为2mm×2mm×2mm，共剖分网格800万单元（如图8）。

图8铸件网格剖分

图9模壳网格剖分

3.3铸造模型构建及模拟计算：按工艺要求添加精密铸造相应的工艺参数。参数设置如下：铸件材料：WCB，铸型材料：水玻璃，浇注温度1600°C，模壳焙烧1000-1150°C，浇注时模壳700°C左右。

3.4铸造工艺结果显示及工艺合理评定：

图10孤立熔池位置a

图11孤立熔池位置b

图12凝固过程温度场剖面图

图13凝固过程温度场

图14缺陷透视图

采用CASTsoftCAE铸造工艺模拟模块进行铸造过程模拟验证，通过凝固过程、温度场及缩孔缩松的判定可以看到铸件内部没有产生缺陷，理论上满足质量要求。

4、3D打印蜡模的制造

4.1生产设备及原理
    使用激光粉末快速成型技术的工业级3D打印机烧结粉末材料（如蜡粉、PS粉、ABS粉、尼龙粉、覆膜砂和金属粉等）。成型时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行下一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。优点：由于粉末具有自支撑作用，不需另外支撑；材料广泛，不仅包括PS塑料材料和尼龙材料，还可以直接生产金属和陶瓷零件。且材料可重复使用，利用率高。可用于样件，功能件，模具，模型，铸造蜡模等。设备结构如图15所示。

图15设备原理图

4.2蜡模的生产
    生产蜡模，首先要确定蜡模尺寸。根据蜡模收缩率、合金收缩率、模壳膨胀系数、模拟结果给出蜡模X、Y、Z方向上的线收缩率。该收缩率确定后，可以在MagicsRP软件对零件处理时首先进行放缩，这样即可得到理想尺寸的蜡模，继而获得尺寸合格的铸件毛坯。经过12.5个小时的设备加工生产出主体材料为ps粉（聚苯乙烯）铸件原型。这个原型还不能直接使用，需要做一下简单的后处理工作。第一步是把铸件原型浸入到中温蜡液体中，是原型表面附着一次薄薄的石蜡，冷却后再次浸入。第二部把冷却后的原型表面打磨光滑，打磨的越光滑，实际生产出的铸件表面光洁度越高。最终生产出如图16所示蜡件。

图16 3D打印蜡件

4.3、蜡模的组焊

按照设计好的铸造工艺方案，给蜡件链接上浇注系统。如图17所示。快速成型机制出的蜡模原型要求无形变，尺寸准确，通过精整处理后表面光洁，可以进行组焊、粘浆、制壳、脱蜡。浇注系统选用性能相近的中温蜡，以便于粘结牢固，满足制壳的强度要求，其尺寸按熔模铸造工艺设计选取。组焊工艺与传统蜡模相似，保证内浇口长度和间距，便于冒口补缩，模壳放置平稳。

图17 3D打印蜡件链接浇注系统

4.4、型壳制备
    快速成型技术制成的蜡模涂挂性能好，可以用原工艺配制涂料，粘浆与撒砂，干燥。粘结剂用硅溶胶或硅酸乙酯，面层耐火材料用锆英粉，背层用莫来石或煤矸石粉。由于使用的烧结粉料熔化温度高，没有流动性，型壳不能通过蒸汽脱蜡工艺将原型全部去除，但可以在纯氧环境下通过高温焙烧的方法去除蜡模，或者在开放的大气环境中焙烧脱除浇冒口及蜡模。直接高温焙烧会使型壳涨裂导致生产失败。所以我们通过以下步奏制壳：1、利用水玻璃工艺制壳5层；2、脱蜡：温度170度，压力0.7MPa，持续时间13分钟；3、焙烧：温度缓慢上升，加热到850度，持续时间一小时；4、简单清理一下内部残余。
    4.5、浇注金属液，冷却脱壳
    浇注金属液，冷却脱壳、铸件清理和原精铸工序相同。最终得到如图铸件。

5、 结果与分析

使用CASTsoft软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题，能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷，并根据模拟结果确定、改进、优化铸造工艺。利用CASTsoftCAE软件可以对铸造工艺参数如：浇注温度、充型时间、铸型材料、浇口棒等进行改进，改进后再次进行模拟，经过多次的改进直到消除铸造缺陷。3D打印技术可以使企业有能力快速生产各类大尺寸、结构复杂熔模精密铸件所用蜡模，减少大量外协费用，同时对于单件、小批量熔模精密铸件的生产可以不用模具，从而节省大量模具加工费用。

6、 结语

CASTsoft软件与3D打印技术的结合可以大大缩短生产周期，为新产品研制和开发获得了大量宝贵时间，降低了生产成本，极大的提高了铸造车间精密铸造水平，为确保后续型号产品中精密铸件生产任务的顺利完成打下良好的基础。挺高了企业竞争力。