印刷品鑄造作為一種低成本替代方案到3D金屬打印。這就是它的工作原理!

粘合劑噴射3D打印技術(shù)領(lǐng)先一步：汽車供應(yīng)商GRATZ工程有限公司展示了它是如何做到的。通過將砂型3D打印技術(shù)融入其技術(shù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，格拉茨工程有限公司在經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)速度方面給其原型生產(chǎn)帶來了推動。

這家來自巴登-符騰堡州東北部的汽車供應(yīng)商早在90年代就認(rèn)識到3D打印的巨大潛力，當(dāng)時它還很年輕。從那時起，GRATZ就依靠快速的金屬打印和低成本的3D打印砂型鑄造模具。

GRATZ工程有限公司在德國的六個地點擁有230名員工，是一家典型的中型企業(yè)。自1985年上市以來，工程師們是早期采用3D打印技術(shù)進(jìn)行零件生產(chǎn)的人。直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），即直接金屬打印，以及用于鑄造的砂模或熔模的3D打印都被使用。

GRATZ公司零部件管理部負(fù)責(zé)人Andreas Steinbronn解釋了為什么3D打印在生產(chǎn)速度、經(jīng)濟(jì)效益和全新的、顛覆性的設(shè)計方法方面帶來了巨大的優(yōu)勢。DMLS速度快，但價格昂貴；相比之下，3D砂模打印與隨后的鑄造相對便宜，但有時對快速原型制作來說速度不夠。但是，金屬3D打印和voxeljet的3D打印輔助鑄造有什么標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)別？

3D打印對鑄造產(chǎn)品制造商的商業(yè)模式的影響

我們主要通過兩個過程進(jìn)行工作。在原型生產(chǎn)中使用購買的3D打印砂芯和模具以及投資鑄造模式進(jìn)行直接金屬激光燒結(jié)和鑄造。在我們所有的訂單中，增材制造被用于5%到10%。雖然3D打印在工業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)有四十多年了，但與其他工藝（如經(jīng)典的銑削）相比，其整合程度仍然相對較低。從九十年代中期開始，我們就在GRATZ公司擁有3D打印技術(shù)。我們當(dāng)時的第一個評估是，這里有很大的機(jī)會，僅僅是因為設(shè)計上的自由。這使我們能夠在很早的階段將3D打印融入我們的開發(fā)過程。這對部件的技術(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化特別有意思，主要是為了減輕重量。如今，3D打印對我們來說幾乎已經(jīng)司空見慣。但在那時，這是一個真正具有破壞性的方法，我們今天繼續(xù)越來越多地追求這種方法。

我們當(dāng)時的第一個評估是，這里有很大的機(jī)會，僅僅是因為設(shè)計上的自由。這使我們能夠在很早的階段將3D打印融入我們的開發(fā)過程。

安德烈亞斯-斯坦布倫，系主任GRATZ工程有限公司

來自原型中心：快速原型制作

我們?nèi)栽谧鱿喈?dāng)多的教育工作，說明3D打印具有許多優(yōu)勢。特別是在客戶方面，對信息的需求非常大。速度是一方面，所以我們使用DMLS。

成本效益是另一個問題，然后我們贊成從voxeljet進(jìn)行砂型鑄造模具打印。然而，基本上，如果部件由于非常復(fù)雜的幾何形狀而不能被銑削，我們就通過3D打印來生產(chǎn)。特別是對于原型和小系列。除發(fā)動機(jī)部件外，其應(yīng)用還擴(kuò)展到車輛制造的所有其他領(lǐng)域，但也包括特種機(jī)械制造。

速度是一方面，所以我們使用DMLS。經(jīng)濟(jì)性是另一個問題，那么我們贊成用Voxeljet進(jìn)行砂型鑄造模具打印。然而，基本上，如果部件由于非常復(fù)雜的幾何形狀而不能被銑削，我們就通過3D打印來生產(chǎn)。

安德烈亞斯-斯坦布倫，系主任GRATZ工程有限公司

燒結(jié)件和鑄造件的區(qū)別

現(xiàn)在，燒結(jié)部件的部件質(zhì)量和材料耐久性非常好，在適當(dāng)返工的情況下，甚至在高生產(chǎn)速度下，99%的部件密度是可行的。然而，由于材料和系統(tǒng)價格高，激光燒結(jié)的成本相當(dāng)高，而且構(gòu)建速度仍然相對較慢。

Andreas Steinbronn繼續(xù)說：”如果速度不重要，像激光燒結(jié)這樣的金屬3D打印總是太昂貴。如果原型有兩到三周的時間完成，我們一般傾向于使用傳統(tǒng)的鑄造與3D打印的砂?；騊MMA制成的熔模鑄造模型相結(jié)合。這極大地節(jié)省了成本，當(dāng)然，部件的耐用性和穩(wěn)定性的提高也是一個優(yōu)勢。實際情況是，安裝空間大，印刷率高。因為在Binder Jetting打印系統(tǒng)的安裝空間中，我們可以直接在一個3D打印過程中平行和相互嵌套地生產(chǎn)我們的原型，如渦輪增壓器，而不是像DMLS那樣只在一個平面上生產(chǎn)。我們盡可能地利用建造空間的體積，也稱為工作箱。這使我們能夠?qū)⒑罄m(xù)的測試平行化，從而節(jié)省了額外的時間。與激光燒結(jié)相比，這仍然需要花費更多的時間，但我們可以同時直接測試部件的不同變體，以盡快確定最終設(shè)計，并將其投入生產(chǎn)。此外，我們有更多的鑄造材料。我們實際上可以與任何合金合作。另一方面，對于燒結(jié)來說，我們受到的限制更大。” 在增材制造之后，這兩種工藝通常都需要進(jìn)行機(jī)械后處理。

我們有更多種類的材料可供鑄造。我們實際上可以與任何合金合作。另一方面，對于燒結(jié)來說，我們受到的限制要多得多。

安德烈亞斯-斯坦布隆，系主任GRATZ工程有限公司

什么時候DMLS，什么時候3D打印和鑄造？

目前，直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)在一個相對較小的領(lǐng)域與鑄造廠競爭。DMLS系統(tǒng)的安裝空間主要適用于需要極快生產(chǎn)的小型部件。然而，直接3D金屬打印也是非常昂貴的。

對于DMLS，在增材制造之后，平行熱等靜壓（HIP）是必要的，以達(dá)到足夠好的部件密度和強(qiáng)度。”底線是，因此3D打印金屬部件的平均價格是每公斤鋁約300歐元，不銹鋼400歐元，特殊合金高達(dá)每公斤1300歐元。GRATZ部門負(fù)責(zé)人Steinbronn說：”直接比較的話，3D砂打印的純金屬鑄件價格約為每公斤6.5至32歐元，而每升打印材料約為9歐元。

Steinbronn繼續(xù)說：”只要多花一點時間，我們也可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的部件，小批量生產(chǎn)最多100件，或通過鑄造生產(chǎn)一批，”。”先決條件是，我們可以快速、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)模具、模芯和模型，而不需要昂貴的特殊工具。這正是voxeljet的工業(yè)3D打印發(fā)揮作用的地方。”

這個過程被稱為快速鑄造，完全不需要工具就能用鑄造廠常用的材料打印出鑄造所需的模具和型芯。Voxeljet的VX4000是目前世界上最大的砂模3D打印機(jī)，安裝空間為4000 x 2000 x 1000毫米。

該系統(tǒng)利用高性能的粘結(jié)劑噴射工藝實現(xiàn)了模具的快速和自動化生產(chǎn)。另一種方法是由voxeljet的PMMA材料組提供。使用這些塑料，可以在沒有工具的情況下打印出模型，然后可以像傳統(tǒng)蠟?zāi)Ｒ粯釉谕顿Y鑄造過程中進(jìn)行加工。

DMLS與3D打印和鑄造的對比：旅程從哪里開始，又將走向哪里？

GRATZ工程有限公司只是眾多將各種形式的3D打印牢牢融入其商業(yè)模式的例子之一。對于工程專家GRATZ來說，今天不使用該技術(shù)已不再是一個選項。因為在交貨時間、經(jīng)濟(jì)效益和通過幾何自由度提高性能方面的優(yōu)勢實在是太大了。

“好的方面是，作為一個中型公司，你不必直接投資自己的印刷系統(tǒng)。為了獲得關(guān)于印刷部件和模具的行為和使用的初步經(jīng)驗，值得依靠按需服務(wù)。這是一種方便的入門方式，或多或少具有與購買自己的3D打印系統(tǒng)相同的積極效果，”Steinbronn解釋。今天，GRATZ工程有限公司以添加劑方式生產(chǎn)各種發(fā)動機(jī)部件：從支架到排氣歧管再到氣缸蓋。特別是在提高汽車工業(yè)的效率和可持續(xù)性方面，GRATZ推薦使用該技術(shù)。”由于巨大的幾何自由度，3D打印使我們的工程師能夠從全新的角度來設(shè)計和建造部件，也可以重新評估已被證實的部件。3D打印使我們能夠擺脫為制造而設(shè)計的理念，即為經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)而設(shè)計的經(jīng)典制造工藝。我們最終可以在功能設(shè)計的方向上進(jìn)行更多的思考，也就是在功能和效率方面對組件進(jìn)行優(yōu)化。這讓工程師和企業(yè)家的心跳都加快了。因為即使是最復(fù)雜的設(shè)計，也可以用3D打印技術(shù)經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)。這就是為什么我們看到了該技術(shù)的巨大未來潛力，”Steinbronn總結(jié)道。

快速鑄造中的粘結(jié)劑噴射過程：這就是它的工作原理

3D打印系統(tǒng)在建筑平臺上鋪上300微米的薄沙層。然后打印頭使用粘接劑將沙粒粘在要制作沙模的地方。構(gòu)建平臺降低一層厚度，這個過程再次開始，直到模具完成。然后將多余的沙子去除，現(xiàn)在模具已經(jīng)準(zhǔn)備好鑄造了。打印出來的模具和型芯也可以隨時與簡單的、傳統(tǒng)生產(chǎn)的鑄造模具相結(jié)合。

與沙子印刷工藝不同，在該工藝中，所需部件的陰性模具被打印出來，而用PMMA材料設(shè)定的熔模鑄造是用塑料粉末打印出陽性模型–也稱為主模型。這個模型在熔模鑄造廠被涂上陶瓷，然后被燒掉。剩下的是一個空心陶瓷模具，可以在其中進(jìn)行鑄造。這樣做的好處是，有可能鑄造出更精確的結(jié)構(gòu)和表面。