隨著(zhù)科學(xué)(xué)技術(shù)(shù)的不斷發(fā)(fā)展，零部件的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)(shù)在生產(chǎn)(chǎn)零部件時(shí)，模具的設(shè)計和制造會(huì )花費大量的時(shí)間，增加生產(chǎn)(chǎn)周期和研發(fā)(fā)成本。而使用增材制造技術(shù)(shù)可以通過(guò)計算機輔助設(shè)計模型直接成形復(fù)雜形狀的砂型，對鑄造業(yè)(yè)產(chǎn)(chǎn)生了巨大的影響。但目前砂型3D打印主要是提高效率和減少成本，對于鑄件的性能則沒(méi)有太大的影響。

最近，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)(xué)機械與核工程學(xué)(xué)院的Santosh Reddy Sama等人提出了一種基于3D打印技術(shù)(shù)的復(fù)雜澆口系統(tǒng)設(shè)計準則，用以提高鑄件的鑄造性能。該技術(shù)(shù)工作原理為：對于給定的澆注條件，基于伯努利方程計算出圓錐螺旋和拋物線(xiàn)澆口輪廓的數(shù)據(jù)，并利用約束優(yōu)(yōu)化算法以輪廓的參數(shù)，最終得到最優(yōu)(yōu)的澆口輪廓形狀。

圖1 優(yōu)(yōu)化設(shè)計后的澆口輪廓線(xiàn)(A)圓錐螺旋澆口輪廓 (B) 拋物線(xiàn)形澆口輪廓

在對澆口輪廓形狀進(jìn)行設(shè)計時(shí)，應(yīng)該基于鑄造流體動(dòng)力學(xué)(xué)，使得澆口輪廓形狀滿(mǎn)足三個(gè)條件以減少鑄造缺陷。首先應(yīng)使得澆口底部流體的速度小于最小臨界速度（0.5m/s）；其次是最小化澆口的長(cháng)度以減少熱量的損失并使得產(chǎn)(chǎn)生的氣泡有充分的時(shí)間逸出模具；最后是應(yīng)該避免澆口截面或者澆口與流道連接處截面的突變。

圖2 17-4不銹鋼合金鑄件(A)直澆口 (B)拋物線(xiàn)澆口(C)圓錐螺旋澆口

研究人員使用Viridis3D RAM打印機制造了不同的澆口和模具，其中分層厚度為0.4mm，原材料為Viridis3D生產(chǎn)(chǎn)的ViriCast粉末和CSTRed粘接劑。將17-4不銹鋼合金在2950°F下進(jìn)行澆注得到零件（如圖2所示）。

圖3 試樣檢測(A)直澆口鑄件SEM(B)拋物線(xiàn)澆口鑄件SEM (C)圓錐螺旋澆口鑄件SEM (D)微觀(guān)結(jié)構(gòu)夾雜物含量對比 (E)直澆口鑄件CT(F)拋物線(xiàn)澆口鑄件CT (G)圓錐螺旋澆口鑄件CT (H)空隙空間比較

對三個(gè)樣品進(jìn)行檢測（如圖3所示），圖中A-D為試樣的微觀(guān)形貌，其中的圓形黑點(diǎn)為因填充過(guò)程中熔體的表面湍流而形成的氧化物夾雜物，經(jīng)(jīng)觀(guān)察可知，與直澆口鑄件相比，拋物線(xiàn)澆口鑄件和圓錐螺旋澆口鑄件的夾雜物分別減少了21%和35%。而E-H為試樣的計算機斷層掃描圖，由圖中可知，與直澆口鑄件相比，拋物線(xiàn)澆口鑄件和圓錐螺旋澆口鑄件分別減少了56%和99.5%的鑄造缺陷。對比三個(gè)樣品的極限抗彎強度（如圖4所示）可知，與直澆口鑄件相比，圓錐螺旋澆口鑄件的強度提高了8.4%，而拋物線(xiàn)澆口鑄件的強度提高了4.1%。

圖4 三種澆口設(shè)計的鑄件極限抗彎強度的比較

因此，可以使用3DP技術(shù)(shù)制造出常規(guī)方法難以制造出的異形澆口，如拋物線(xiàn)澆口、圓錐螺旋澆口等，不僅能夠大量減少夾雜物等鑄造缺陷，提高鑄件的成品率，還可以極大的提高鑄件的機械和冶金性能。

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)